面向撒哈拉以南非洲独立供电区域可持续混合可再生能源系统——以赞比亚为例研究

《Sustainability》：A Sustainable Hybrid Renewable Energy System for Standalone Sub-Saharan African Areas—A Case Study in Zambia

　　

研究人员针对赞比亚卢萨卡省Chinyunyu地区两处无电村落构建了光伏/风电/柴油发电机/电池混合可再生能源系统(HRES)，借助HOMER Pro? 3.18进行容量优化并以MATLAB/Simulink R2024b对光伏子系统局部校验。在采用预测调度(PD)策略时，由445 W光伏组件与锂离子(Li-ion)电池构成的最优方案在25年项目期内净现值成本(NPC)约为385.7万美元，平准化能源成本(COE)为0.151美元/kWh，较纯柴油发电机方案成本降低73%，排放减少96.4%，可再生能源占比达95%。敏感性分析表明电池价格变动对运行成本影响最大（约12%）。该联合方法论为类似缺电路区提供了可复现的技术经济与可持续性评估框架，兼顾可靠性、可负担性、生命周期排放与柴油替代，支撑撒哈拉以南非洲气候韧性离网电力政策。

研究背景方面，撒哈拉以南非洲电气化率全球最低，赞比亚农村通电率仅14.5%，当前80.5%电力依赖水电但气候波动导致限电加剧，农村孤立区域普遍采用柴油发电机(DG)带来高燃料成本与排放。单一可再生能源存在间歇性，混合可再生能源系统(HRES)需综合优化光伏(PV)组件功率档、电池化学体系与调度策略等离散变量，而既有文献较少在同一框架下量化其交互作用。为此，研究人员在赞比亚Chinyunyu地区Bunda Bunda North与Lyamina两村（共535户约3210人）开展案例研究，旨在获得兼顾技术经济与生命周期可持续性的离网HRES配置。

关键技术方法上，研究人员以实地调研获取村落家用与公用设施负荷曲线（雨季966 kWh/d、凉干季1256 kWh/d、夏季1492 kWh/d），采用NASA POWER近实时资源数据（年均辐照5.63 kWh/m²/d、风速5.28 m/s）；利用HOMER Pro? 3.18建立PV/风电/柴油发电机(DG)/电池/双向换流器模型，遍历335 W、400 W、445 W三种光伏档位，铅酸(LA)、铅碳(LC)、锂离子(Li-ion)三种电池，以及负荷跟随(LF)、循环充电(CC)、组合调度(CD)、预测调度(PD)四种策略；以净现值成本(NPC)与平准化能源成本(COE)为指标，并在MATLAB/Simulink R2024b中复现光伏子系统I-V与P-V特性作交叉验证；补充操作性排放与25年生命周期碳排放(含制造、运输、运行，剔除退役回收信用)。

研究结果部分，第4.1节不同光伏档位性能分析显示，445 W组件因单位瓦成本最低（1.64美元/W）且效率20.4%，在全部电池与策略组合中均给出最低NPC与COE，故后续分析锁定该档位。第4.2节调度策略影响表明，预测调度(PD)较负荷跟随(LF)、循环充电(CC)、组合调度(CD)进一步降低NPC，PV/DG/BT（Case-2）在PD下NPC为3,856,895美元、COE 0.151美元/kWh，较纯DG基线（NPC 14,101,860美元、COE 0.5523美元/kWh）降低73%，PV/WT/DG/BT（Case-1）仅再低1%但增加风机运维复杂度，故Case-2更实用。第4.3节电池技术比较指出，锂离子(Li-ion)允许放电深度(DoD)至10%且高温退化慢，25年替换次数少于铅酸(LA)与铅碳(LC)，NPC降幅约73%，铅碳方案反而NPC最高。第4.4节排放评估中，PD下HRES操作性CO₂排放仅为DG基线的3.8%，25年生命周期总排放约168–205万kg CO₂，较DG基线1998万kg降低90–92%，且HRES排放结构由操作性主导转为制造嵌入式(embody)主导。第4.5节验证环节，MATLAB/Simulink得出445 W组件输出924 kW与HOMER一致，COE 0.151美元/kWh处于赞比亚mini-grid推荐0.40–0.57美元/kWh下限之下、高于ZESCO生活电价0.0175美元/kWh，需阶梯电价或PAYG机制补差。第4.6节敏感性分析排序：负荷需求变动对NPC/COE影响最强（+20%负荷令COE升约33%），其次电池价格（±20%引NPC变5–12%）与电池寿命，再次折扣率、辐照、光伏价格，柴油价格影响最弱（±20%仅引NPC变1–2%）；环境温度13–33℃内锂离子寿命维持约15年，铅酸缩短33%。

讨论与结论翻译：研究人员得出结论，在赞比亚类撒哈拉以南无电农村，采用445 W光伏+锂离子(Li-ion)电池+预测调度(PD)的PV/DG/BT架构在25年期实现NPC约385.7万美元、COE 0.151美元/kWh、可再生占比95%、排放降96.4%，为最优初始电气化阶段配置；该结果受电池单价与寿命高度敏感，实务中须配套聚合生产性负荷（如12.5 kW碾磨、18 kW灌溉）与阶梯/PAYG收费以弥合成本反射电价与可负担性缺口；所提HOMER-MATLAB双平台框架可迁移至资源画像相近区域，为离网政策与投资优先级提供证据基础。论文发表于《Sustainability》。