基于光伏系统驱动的反渗透技术实现水-电联供评价

《Desalination and Water Treatment》：Evaluation of Dual Water–Energy Supply Using Reverse Osmosis Powered by Photovoltaic System

　　

本研究提出了一种新型水-电联供（dual water-energy supply, DWES）系统设计，作为满足偏远地区水与能源需求的集成式解决方案。该系统由水供应系统（water supply system, WSS）和电能供应系统（electric energy supply system, EESS）组成：WSS为无蓄电池光伏-反渗透（battery-less photovoltaic-reverse osmosis, PV-RO）系统并配备季节储水池（seasonal water storage tank, SWST）；EESS则为配备蓄电池的离网型光伏系统。WSS产生的过剩电能将被输送至EESS以满足电力需求。研究人员采用技术经济分析方法，将DWES系统与独立系统及单一电能供应（single electricity supply, SES）系统进行了对比。结果表明，DWES系统中EESS仅需比SES系统高9.3%的光伏系统容量即可同时满足用水用电需求。DWES系统的水成本与能源成本分别为1.74 $/m³和0.67 $/kWh。即便无政府补贴，DWES系统的最短投资回收期仅为6.1至10.0年。因此，DWES系统在技术层面和经济层面均具备在偏远地区应用的可行性。

能源与水资源是人类社会赖以生存的两大核心资源，其与粮食安全共同构成水-能源-粮食安全纽带（water-energy-food security nexus），对社会可持续发展至关重要。然而，在偏远岛屿等离网地区，由于未接入大陆电网与市政供水系统，当地居民面临严重的水资源与能源短缺困境：传统供水方式依赖船舶运输，成本高达8.35–10.6 $/m³；柴油发电机供电成本则高达1.0 $/kWh，远高于大陆地区的2.16 $/m³和0.17 $/kWh。尽管可再生能源驱动的反渗透（reverse osmosis, RO）技术因其高效节能而备受关注，但现有研究多聚焦于单一供水或供电系统，缺乏面向偏远地区的集成式解决方案。基于这一背景，本研究旨在开发一种新型DWES系统，利用无蓄电池PV-RO-SWST系统的弃电实现水-电联供，以填补该领域的技术空白。

研究人员以韩国万岛（Wando Island）为主要案例地，选取具有200 m³/d用水需求及4,440 kWh/d电力需求的1,200人社区为设计目标，同时选取海地、印度尼西亚罗特岛及所罗门群岛作为补充案例验证系统的全球适用性。

系统定容方面，WSS采用迭代算法确定光伏组件数量：以小时分辨率模拟全年光伏出力，确保年供水量不低于年需水量；SWST容量则通过最大累积水量赤字法确定。EESS部分，WSS的过剩直流电能经电池效率与线路损耗修正后计入可用电量，不足部分由附加光伏组件补充；蓄电池容量按3天自主运行天数（autonomous days）和80%放电深度（depth of discharge, DoD）设计。成本估算涵盖资本成本、运维成本、替换成本及贴现现金流分析，RO单元资本成本通过27组文献数据拟合获得经验关联式，系统经济评价指标包括水成本、电力成本、投资回收期（payback time, PBT）、净现值（net present value, NPV）和内部收益率（internal rate of return, IRR）。

系统定容结果表明：DWES系统WSS需289.1 kW光伏及22.22 m³/h的RO单元，SWST容量为933 m³；EESS gauge需附加814.5 kW光伏及16,650 kWh蓄电池，系统总光伏容量达1,104 kW，较SES系统仅增加9.3%。典型日模拟显示，RO单元于9:00至17:00运行，日运行时长因天气波动围绕设计值9 h/d浮动。

成本分析揭示DWES系统总资本成本为6,135,555 $，水成本1.74 $/m³，电成本0.67 $/kWh。WSS的运行机制使其可利用RO间歇运行特性匹配光伏出力，但膜污染风险需通过定期冲洗（flushing）、化学清洗（chemical cleaning）及阻垢剂（antiscalant）投加等措施管控。敏感性分析表明，蓄电池自主天数是决定经济性的核心参数：自主天数1至4天的电成本分别为0.26、0.46、0.67和0.88 $/kWh，对应资本成本中蓄电池占比由41.7%升至73.9%；基准3天方案下蓄电池占资本成本68.3%，凸显优化储能定容的重要性。投资回收期分析显示，基于柴油发电电价（0.9–1.0 $/kWh）及船运水价（8.35–10.6 $/m³）区间，PBT为10.0–17.4年，最长回收期仍低于系统20年设计寿命；NPV与IRR分析进一步验证高定价情景下（11 $/m³水、1.0 $/kWh电）项目可实现正收益（NPV=5.6×10⁶ $，IRR=7.6%）。

多地点验证表明，所罗门群岛因年太阳辐射量较低（1,814 kWh/m²）且热带气候导致SWST需求增至1,422 m³，水成本略升至1.87 $/m³，电成本0.685 $/kWh；各案例水、电成本标准偏差均低于4%，证实DWES系统对热带岛屿的广泛适用性。

系统构型比较揭示关键发现：与独立系统相比，DWES因WSS与EESS的电气耦合使资本成本降低3.0%–9.8%，且低容量情形下优势更显著；仅满足19.4%电力需求的DWES19方案将资本成本压缩至2,048 k$，投资回收期骤降至6.1年，电成本降至0.64 $/kWh，展现部分供电场景下的卓越经济性。

环境与社会层面，研究人员指出浓盐水处置需通过稀释排放、蒸发池或盐回收等因地制宜策略管控，系统运行噪声须符合职业健康标准；同时强调技术能力建设与社区参与对偏远地区长期运维的关键作用。

结论部分，研究人员系统总结了八项核心发现：DWES系统仅增加9.3%光伏容量即可实现水-电全需求供应；1.74 $/m³的水成本在可再生能源淡化系统中达最低水平；无补贴条件下投资回收期可接受；相较独立系统资本成本降低3.0%–9.8%；低容量系统经济性优势更为突出；电成本与回收期均优于SES系统；部分供电设计更具竞争力；以及蓄电池容量管控对经济性的决定性影响。据此，DWES系统在独立光伏与海水淡化市场具有显著竞争优势，尤其适用于小型离网系统场景。