分布式光伏提水系统在非洲农村的应用分析

农村饮水用水难一直是影响非洲百姓生存、制约经济发展的普遍问题。光伏清洁能源与“小而美、惠民生”的打井供水项目结合，在电力难以覆盖的非洲农村，对缓解能源短缺，破解饮水用水难题，促进减贫惠农，实现绿色健康可持续发展具有现实意义。

非洲水资源的分布和利用

根据联合国粮农组织统计，非洲约有5.4万亿m3的丰富水资源。但由于特殊的地理条件，水资源分布不均。受气候、地理和经济发展等因素制约，非洲水资源开发利用率仅4%左右，十几个国家仍处于严重缺水状态。非洲农村每户日均用水量不足50L，约3亿人过着缺水的贫困生活，每年约6000人死于水资源危机。随着人口迅速增长，如何应对水危机已经成为非洲保障经济发展和社会稳定的重要议题，水利基础设施建设和水资源综合管理迫在眉睫。

打井供水对非洲农村的意义

非洲农村多缺乏水利基础设施，大部分地区只能利用地表水和上层潜水，而地表水和上层潜水的水量随气候、季节不断变化，水质极不稳定。打井供水项目对非洲农村生存环境改善和发展具有重要的促进意义。

一是通过打深水井开发充足、洁净的地下水，可加速人口向宜居地迁移和聚集，提高村落人口承载力和经济活跃度，促进农村转型升级发展。

二是深井水水量稳定且水质可靠，可为村民安全饮水提供基础保障。

三是打井供水可提高每人日均可用水量，在满足村民饮用水的基础上，保障盥洗用水、清洁用水和冲厕用水，改善农村卫生条件，减少疾病发生和传播风险，提高人均寿命。

四是开发地下水资源可为农业灌溉、畜牧养殖和工业提供水源保障，有助于提高村民收入。

实施难点

非洲农村水资源开发和打井供水实施主要存在以下难点。

一是资金瓶颈，主要表现为政府预算不足、市场动力不足和农户资金不足。深水井单井造价较高，超过了村民的经济承受力。且大部分非洲国家政府财政情况较差，水利基础设施投资预算占政府财政支出比例小，很多农村打井供水严重依赖国际援助，水资源开发进展十分缓慢。

二是配套差，在含水层埋深超过50m的地方打井只能用电泵，但大部分非洲国家城乡电力供应不平衡，农村市政供电不稳定甚至不具备，制约了深水资源的开发。

三是找水难，大部分地区缺乏水文地质调查资料，施工时只能综合地层资料和物探手段辅助判定含水层性质和深度。大部分非洲国家技术落后，机井施工干孔率高，综合成本高。

四是交通条件差，大部分农村位置偏远，进场通道以土路和简易桥梁为主，雨季道路泥泞，大型钻井设备进场困难。

应用光伏能源的可行性分析

全球能源互联网发展合作组织研究显示，非洲太阳能资源十分丰富，技术可开发量约为665万亿kW·h，主要分布在北非和南部非洲地区。

北非受热带大陆性撒哈拉气团控制，气候干燥，阿尔及利亚、埃及、毛里塔尼亚、尼日尔、乍得和苏丹北部全年日照时数均超过3000h。南部非洲受大西洋和太平洋副热带高压控制，空气稳定少雨，纳米比亚、博茨瓦纳等地区全年日照时数超过3000h，赞比亚、安哥拉、莫桑比克等全年日照时数约为2500h-3000h。可见，非洲大部分地区具有丰富的光伏资源，具备开发光伏资源的基础条件。随着光伏产品生产技术迭代升级和生产成本降低，光伏能源在非洲民生、农业和工业等领域有广阔的应用前景，对创造就业机会、提高居民收入、增加产业竞争力等减贫和可持续发展都具有现实可行性。

分布式光伏提水系统组成和设计程序

分布式光伏提水系统具有经济、环保、安全、使用便捷、寿命长等优点，适合非洲农村发展需求。

一、系统组成

光伏提水系统主要由机井系统、动力系统、储水系统、净水系统、消毒系统和附属设施等组成。光伏提水、储水设备主要有光伏组件、光伏支架、光伏逆变器、光伏深井潜水泵、储水水箱及支架、水箱水位信号控制器、地下水位信号控制器等。机井系统主要由井管、滤水管、井台、滤料、井台等组成。

主要施工过程包含水文地质调查和物探定井位、打井设备进场和施工准备、覆盖层钻进、下临时套管、基岩钻进、下井管和滤水管、填充滤料、洗井、封井、水井消毒、抽水试验、水样采集分析、井台等附属设施施工，其中抽水试验和水样采集必须满足设计要求。

二、系统运行及控制原理

由于蓄电池存在使用寿命短、环境要求高、回收处置难等诸多弊端，为规避蓄电池的缺点，提高综合使用寿命，光伏提水系统取消传统的蓄电装置，通过设置储水水箱，以蓄水代替蓄电，并融入水位传感器、自动启停泵控制装置，通过地下水水位信号和水箱水位信号控制水泵的启停，实现稳定、可靠的自动运行。

1.水箱蓄水处水位控制

当水箱水位低于设定低水位时，开启井用潜水泵补水；当水位到达高水位时，停止补水。可采用浮球开关、水位传感器等。

2.地下水取水点水位控制 当地下水低于潜水泵最低水位时，潜水泵处于停止运行状态，防止水泵干转发生故障；当地下水水位达到启泵水位时，潜水泵处于待运行状态。可通过光伏逆变器编程与井下传感器组合控制。

为确保光伏提水系统的运行可靠度，光伏逆变器控制还包括光照不足情况下的低频和低电量保护、光照突变剧烈情况下的直流母线过压和欠压保护、过载和轻载保护、过热保护等。

三、系统设计步骤

1.调研场地太阳能资源

根据SolarGIS数据分析场地内多年平均各月辐射量、日照时数等。

2.推算日均利用小时数

根据光伏系统理论年发电量推算光伏提水系统日均利用小时数。

3.光伏深井水泵和储水水箱选型设计

（1）根据拟供水区域高程确定储水水箱设计高度，再依据储水水箱设计高度和下泵深度暂定水泵扬程，最终扬程须综合机井实际钻探结果和抽水试验进行调整。其中下泵深度可按周边现有水井或物探解释数据估算。

（2）根据拟供水区域日均需水量合理确定储水水箱的容量。为保证用户用水不中断，为同一个储水水箱供水的各个泵的额定流量之和应大于拟供水区域的高峰用水流量。

（3）根据扬程、流量选择相应功率的水泵。

4.确定单井最低出水量要求

根据储水水箱的容量和配套配置的机井数量核算单井最低出水量要求。

5.光伏逆变器选型

根据光伏水泵功率确定光伏逆变器功率，且光伏逆变器功率不低于光伏水泵功率。

6.光伏组件选型 根据光伏水泵功率确定光伏组件的功率参数和数量，且光伏组件的总功率应不低于光伏水泵功率。

分布式光伏提水系统应用建议

一、充分调研评估

光伏提水系统可行性研究和初步设计阶段，应充分调研和综合评估不同农村区域地下水分布和水质情况、村民整体用水量和高峰用水量、系统供水保证率和村民用水便利程度。

二、破解资金难题

把政策扶贫、金融扶贫、产业扶贫有机结合起来，构建政府、金融机构、企业、农户协作平台，形成政府引导、市场运作、农户参与的良性循环模式，逐步提高农户经济来源渠道和收入水平，破解项目开发资金瓶颈。

三、实现可持续运营

工程建成后要编制维护使用指导手册，传授维修养护技能，提供长效技术指导服务，提高系统运营稳定性。对更新迭代快的光伏成套设备，应尽量选用通用接口产品，确保与市场产品的通用性，便于替换。

（作者单位：中国地质工程集团有限公司）