阿富汗坎大哈延长抽水时长柴油 - 太阳能光伏混合系统的技术经济分析与敏感性评估

《Energy》：Techno-Economic Analysis and Sensitivity Assessment of Diesel-Solar PV Hybrid Systems for Extended-Hour Water Pumping in Kandahar, Afghanistan

　　

# 摘要

在干旱地区，市政地下水供水正日益受到不断上升的用水需求、对柴油的依赖以及高昂的运行和环境成本的制约。本研究评估了在阿富汗坎大哈市一处现有市政地下水抽取设施中实施太阳能光伏-柴油改造方案的可行性，通过将用水需求与能源系统运行直接关联进行评估。现有的42千瓦潜水泵在每天运行8小时的情况下可提供约432立方米/天的水量，仅能满足估计需求810立方米/天的53.3%；因此，抽水时间延长至每天15小时。采用PVsyst和HOMER Pro工具并结合长期气象数据，对60千瓦光伏阵列与现有50千瓦柴油发电机的集成方案进行了评估。仅使用柴油的基准配置年发电量为230,497千瓦时，需消耗燃料70,375升/年；而混合系统的光伏年发电量为113,700千瓦时，发电机年发电量为142,275千瓦时，将燃料消耗降至46,931升/年。混合配置的可再生能源占比达到38.2%，净现值成本从899,654美元降至676,482美元，平准化能源成本从0.302美元/千瓦时降至0.227美元/千瓦时，年度运行成本从67,968美元降至46,393美元。直接运行碳排放量减少33.3%，从184.20吨/年降至122.84吨/年。敏感性分析表明，柴油价格是主要经济不确定性因素，而未来抽水负荷增长是最强的综合技术、经济和环境影响驱动因素。研究结果表明，光伏-柴油改造方案可以在干旱和资源受限地区支持可靠的延长时段市政供水，同时降低全生命周期成本、燃料依赖度和运行排放。

# 引言

可靠且可持续的供水系统仍然是干旱和半干旱地区面临的重大挑战之一，尤其是在发展中国家，地下水开采严重依赖传统的柴油驱动抽水技术。人口快速增长、长期干旱、气候变异性以及不完善的供水基础设施加剧了全球范围内对地下水资源和城市供水系统的压力。在阿富汗，地下水是家庭和市政用水的主要饮用水来源，尤其是在地表水资源匮乏的南部省份。坎大哈省年降水量极低、环境温度高且频繁发生干旱事件，使地下水开采成为满足不断增长的城市用水需求的必要手段。然而，柴油发电机在地下水抽水中的广泛使用引发了严重的经济和环境问题，原因是燃料消耗量大、运营支出持续攀升、对进口化石燃料的依赖以及对温室气体的大量排放。因此，将可再生能源技术整合到抽水应用中已成为改善能源安全和促进缺水地区水资源可持续管理的重要策略[1]、[2]。

在可再生能源技术中，太阳能光伏系统已成为抽水应用中极具前景的替代方案之一，这得益于其不断下降的初始成本、模块化设计、低维护需求以及对太阳能资源丰富的地区的适用性[3]。Meah等人[4]强调了太阳能光伏抽水系统面临的机遇与挑战，并展示了其替代传统柴油驱动水泵的潜力。Hamidat和Benyoucef[5]提出了采用水箱蓄水的PV抽水系统的系统化设计方法，强调了优化系统设计在提高可靠性方面的重要性。同样，Ghoneim[6]对光伏驱动抽水系统进行了优化，并报告了与柴油替代方案相比在经济性能方面的显著提升。近期，Aliyu等人[7]对太阳能抽水技术进行了全面综述，并得出结论，认为光伏抽水系统可以大幅降低燃料消耗、运行成本和环境排放。

阿富汗拥有丰富的太阳能资源潜力，每年晴天超过300天，全球水平辐照度水平适宜大规模光伏部署。在坎大哈，长时间的日照和高日辐射量为基于光伏的抽水应用提供了特别适宜的条件。尽管具有这些优势，独立光伏系统可能在太阳辐照度较低和夜间运行期间面临运行局限，尤其是在需要连续或延长时段抽水的应用中。为了克服这些局限，将光伏阵列与柴油发电机集成的混合可再生能源系统因其作为偏远和离网抽水应用的可靠且经济可行的解决方案而受到越来越多的关注[8]。

混合柴油-太阳能光伏系统在白天运行时以太阳能为主要能源来源，同时保持柴油发电机作为太阳能发电不足期间的备用单元。此类配置可以显著减少发电机的运行时间、降低燃料消耗、减少维护需求并提高供电可靠性。Usman等人[9]对混合太阳能-柴油-并网发电系统进行了技术经济分析，报告了与传统系统相比平准化能源成本显著降低。Maleki等人[10]优化了离网光伏-柴油-电池系统，展示了混合可再生能源配置在不同燃料价格情景下的经济竞争力。Wu等人[11]研究了用于海水淡化应用的光伏-柴油混合系统，报告了净现值成本（NPC）和碳排放的显著降低。同样，Yasin和Alsayed[12]表明，在HOMER Pro中实施的优化技术可以有效提高光伏-柴油系统的性能和经济可行性。

尽管先前的研究已广泛探讨了混合可再生能源系统在灌溉、农村电气化和海水淡化中的应用，但针对阿富汗市政抽水系统的研究仍然极为有限。现有研究主要侧重于农业抽水或家庭电气化，很少考虑在延长时段抽水模式下运行的城市地下水供应系统。此外，大多数先前的调查均在通用运行假设下进行，未充分考察柴油燃料价格波动和未来负荷增长对混合系统长期可行性的影响。

在坎大哈市第九区，现有的柴油驱动钻井抽水系统由于高昂的燃料成本和运行限制导致的有限运行时间而无法满足每日用水需求。因此，当前的抽水安排仅提供部分日常供水覆盖，导致许多居民用水不足。尽管该地区太阳能资源充裕，但在当地气候条件下为延长时段市政抽水设计的柴油-太阳能光伏混合系统的综合技术经济评估仍然匮乏。

本研究通过评估阿富汗坎大哈市一处现有柴油驱动的市政地下水抽水设施在延长每日运行时间表下的改造方案，针对光伏-柴油混合化的一个尚未充分探索的应用领域展开研究。本研究的贡献不在于引入新的优化算法或新的光伏-柴油架构，而在于将市政抽水设施的现有水力条件和用水需求约束与详细的光伏性能建模、系统级技术经济和环境影响评估以及长期敏感性分析相结合。这种设计使得能源改造方案可以直接对照所采用的供水服务需求进行评估，包括日供水量从432立方米增加到810立方米以及相应的抽水运行时间从8小时延长到15小时。

因此，本研究旨在对阿富汗坎大哈市设计的用于延长时段抽水的柴油-太阳能光伏混合系统进行技术经济、环境和敏感性评估。采用PVsyst在本地气象条件下估算光伏能源产量，利用HOMER Pro模拟和评估混合系统的运行和经济性能。进一步开展敏感性分析，以量化柴油燃料价格、光伏初始成本、折现率、光伏衰减、项目寿命和未来负荷增长对系统性能和长期经济可行性的影响。本研究的结果有望为政策制定者、工程师和供水主管部门提供有价值的见解，以指导在干旱和缺水地区市政供水应用中部署可持续混合可再生能源系统。

日益增长的淡水需求，加上不断上升的能源成本、快速城市化和环境问题的加剧，加速了可再生能源技术在地下水抽水中的应用。混合可再生能源系统（HRESs）已成为提高能源可靠性、减少化石燃料依赖和促进偏远及缺水地区可持续发展的一种有效解决方案。通过整合太阳能光伏系统、风力涡轮机、柴油发电机和储能设备等可再生能源资源，HRESs可以提高系统灵活性并在多变的气候条件和负荷曲线下维持稳定的电力供应。近期研究表明，HOMER Pro、PVsyst、MATLAB以及高级元启发式算法等仿真和优化平台已成为混合系统设计和评估的主要工具，因为它们能够同时评估技术、经济和环境影响指标，包括净现值成本（NPC）、平准化能源成本（LCOE）、可再生能源占比、燃料消耗和温室气体排放[13]、[14]。

太阳能抽水系统因其环境可持续性和经济可行性而受到广泛关注，被视为传统柴油驱动抽水技术的替代方案[15]。早期的综述研究报告指出，光伏抽水系统对干旱和半干旱地区尤其具有吸引力，因为太阳能辐照充足、模块化设计、易于安装且维护需求相对较低[7]。然而，太阳能的间歇性限制了独立光伏系统在夜间时段和低太阳辐射季节提供连续抽水的能力。因此，混合光伏-柴油配置被越来越多地提出，以确保可靠供水，同时减少柴油消耗和运行成本[11]。

多项综述研究强调了太阳能抽水技术在灌溉和社区供水应用中的优势。Aliyu等人[7]报告称，与传统的柴油抽水系统相比，光伏抽水系统可以显著降低运行支出和温室气体排放。同样，Kriaa等人[15]证明，在沙漠气候条件下运行的太阳能抽水系统表现出优越的环境性能和良好的长期经济效益。

许多先前的研究聚焦于混合可再生能源系统在抽水、灌溉、农村电气化和孤立社区应用中的技术经济优化。这些研究通常使用HOMER Pro来确定最优组件规模，并利用净现值成本（NPC）、平准化能源成本（LCOE）、年度运行成本、可再生能源占比、燃料消耗和碳排放等指标评估系统性能。在不同发展中国家获得的结果表明，混合光伏-柴油系统可以将燃料消耗减少30%以上，减少发电机运行时间，并显著提高全生命周期的经济可行性，尽管初始投资成本较高[16]、[17]。

近期的研究进一步证实了将光伏系统与常规发电技术相结合的效益。Maleki等人[10]评估了离网光伏-柴油-电池配置，并表明适当的组件规模选择可以显著降低全生命周期成本并提高可再生能源渗透率。Rice等人[18]对孤立社区的混合光伏-柴油系统进行了评估，报告了年度燃料消耗和温室气体排放的大幅减少。Omar[19]对光伏/电池/柴油系统进行了技术经济和环境评估，并得出结论，可再生能源集成提高了投资吸引力并降低了电力生成成本。Khattak等人[20]比较了独立式和并网光伏-柴油灌溉系统，发现混合系统在柴油燃料价格上升时具有越来越强的竞争力。

混合可再生能源系统在地下水抽水应用中也已通过高级优化方法进行了广泛研究。Maleki等人[21]提出了一种结合TOPSIS和HOMER Pro的混合优化框架，用于光伏/柴油/电池抽水系统的选址和规模设计。他们的结果表明，混合配置在不同燃料价格和折现率下实现了最低NPC和最高供电可靠性。Alvarez等人[22]设计了一套由光伏模块、风力涡轮机和柴油备用发电组成的可再生能源驱动地下水抽水系统，报告了燃料消耗的显著降低和通过优化可再生能源利用而增强的系统可持续性。

在农业应用中，可再生能源技术日益被采用以应对不断增长的水-能关联挑战。研究人员根据季节性灌溉需求优化了抽水时间表，报告了与传统的柴油系统相比抽水成本和环境影响的显著降低[16]。水箱蓄也被建议作为电化学电池的实用替代方案，因为它可以减少维护需求、消除电池更换成本并提高运行简便性[5]。Osama等人[23]进一步证明，水箱蓄系统可以有效提高太阳能抽水系统的经济性能，同时保持可靠的供水。

风力涡轮机集成到混合系统中的研究也已开展，以在夜间和阴天条件下补充光伏发电。混合光伏-风-柴油系统显示出比独立可再生能源系统更高的可再生能源渗透率和更低的供电中断概率。最近，先进的能量管理和调度策略也被引入以改善系统运行并最大化可再生能源利用[24]。

Chnini等人[25]提出了一种自适应神经模糊和鲁棒终端滑模控制策略，用于光伏-柴油-电池水泵系统，并报告了在快速变化的天气条件下最大功率点跟踪效率的提高和运行稳定性的改善。近期的文献已将混合可再生能源系统的评估从组件尺寸确定和短期技术经济优化扩展到系统层面的可持续性、政策、环境和生命周期考量。Hasan等人[26]回顾了混合可再生能源系统的全球发展路径，并强调了在规划混合能源系统时解决可再生资源间歇性、技术集成挑战、经济壁垒、监管框架和生命周期考量时的重要性。他们的分析强调，混合系统的可行性在很大程度上取决于本地资源可用性、系统架构、应用特征和促进性政策条件。然而，此类全球性综述提供的是通用实施框架，而非针对本地运行和气候条件下的市政地下水抽水系统的应用特定评估。近期的应用导向性研究也证明了集成模拟和优化方法的有效性。Redwan等人[27]研究了一个太阳能驱动的地铁系统，并采用PVsyst结合HOMER Pro来评估技术、经济和环境性能，展示了将详细的光伏性能模拟与系统层面的技术经济评估相结合的价值。Dey等人[28]将HOMER Pro应用于比较孟加拉国农村电气化的替代离网混合能源配置，而Mojumder等人[29]对农村社区的不同混合能源系统替代方案进行了技术和经济评估。这些研究强化了基于HOMER的优化在识别经济和环境上有利的混合配置方面的能力；然而，其应用涉及交通或农村电气化，而非延长小时数的市政地下水抽水。Sambhi等人[30]利用NASA气象数据和HOMER对一个学术校园的离网混合电力系统进行了技术经济优化。其优化的光伏-电池配置实现了639,981美元的净现值成本（NPC）和0.34美元/千瓦时的度电成本（LCOE），与柴油发电机参考系统相比，生命周期成本和排放量要低得多。这一发现进一步证明了用太阳能替代部分常规发电的经济和环境优势。然而，所考虑的应用和系统架构与本研究的系统存在根本性差异，本研究调查的是光伏与现有柴油发电机的集成，用于无电化学储能市政地下水抽水。从更广泛的可持续性角度来看，储能技术也引入了生命周期和报废阶段的环境考量。Talukder等人[31]回顾了孟加拉国锂离子电池回收的环境方面和未来前景，强调了随着可再生能源和储能部署的扩展，可持续电池管理日益增长的重要性。尽管电池回收不属于当前光伏-柴油配置的直接范围，但这项工作突出了与电池依赖型混合系统相关的一个重要环境考量，并支持根据其完整的技术和环境背景评估替代系统架构。近期在阿富汗气候条件下开展的研究强调了可用于光伏应用的优异太阳能潜力。在干旱环境下对光伏技术的性能评估报告了有利的性能比（PR）、容量因子（CF）和年发电量的值，表明光伏系统在高温条件下经过适当设计时能高效运行[3]。研究人员还强调，混合可再生能源系统可以显著减少运营支出和温室气体排放，同时在能源基础设施有限的地区改善供应可靠性。综合而言，先前的研究证明了可再生能源和混合能源系统可以在农村电气化、灌溉、交通、社区供电和地下水抽水应用中大幅降低生命周期电力成本、化石燃料消耗和运营排放。然而，现有文献仍以农业抽水、农村电气化、通用离网系统、基于电池的配置和阿富汗以外的应用为主导。即使近期的地下水抽水研究也主要考虑了纳入多种可再生能源和电化学储能的农村应用，而非对现有市政柴油抽水设施的改造。此外，关于在固定延长小时数市政抽水计划下运行的系统，并通过PVsyst进行详细光伏性能评估与HOMER Pro进行系统层面技术经济和环境分析的结合来评估的证据仍然有限。在坎大哈特定条件下，燃料价格波动、光伏投资成本、融资条件、光伏衰减、项目寿命和未来抽水需求增长对此类系统的影响也研究不足。因此，本研究通过评估现有柴油驱动的市政地下水系统升级改造为光伏，实现每天15小时运行，并系统地比较基准和混合配置在能源生产、柴油消耗、NPC、LCOE、运营成本、光伏性能、排放和对关键不确定参数的敏感性方面的表现来解决这些差距。因此，本研究旨在通过结合技术、经济和环境评估，对阿富汗坎大哈市第9区设计的用于延长小时数市政地下水抽水的混合柴油-太阳能光伏系统进行研究。所提出的配置通过耦合PVsyst和HOMER Pro模拟进行分析，同时执行逐因素敏感性分析，以调查柴油燃料价格、光伏资本成本、贴现率、光伏衰减、项目寿命和未来负荷增长对系统技术、经济和环境稳健性的影响。本研究的贡献在于对干旱气候条件下现有柴油依赖型市政地下水抽水设施的实际太阳能光伏改造进行综合评估。其新颖性并非归功于光伏-柴油混合、PVsyst或HOMER Pro中的任何一个，因为这些方法已经非常成熟。相反，本研究将市政用水需求评估、现有水井和泵特性、延长小时数抽水需求、详细的光伏性能建模、柴油发电机调度、生命周期经济学、运营排放和不确定性分析结合在一个统一的改造评估框架中。一个关键的贡献在于，电气抽水计划是从实际市政用水需求推导出来的，而非作为任意负荷曲线来施加。因此，分析将用水服务需求直接与能源系统运行相联系，同时保留现有的水井、泵、输送基础设施和柴油发电机。这种方法为评估在运营的市政供水设施中整合可再生能源提供实用框架，在这些设施中完全替换现有基础设施既无必要也不经济。工程贡献超越了本地应用，通过研究太阳能可用性、延长抽水计划、柴油发电机部分负荷行为、剩余光伏发电和未来用水需求增长在无电池混合系统中的运行交互作用来实现。因此，本研究为类似的柴油依赖型市政地下水系统提供了可迁移的指导，表明改造规划不仅要考虑太阳能资源可用性和光伏容量，还要考虑时间需求-发电匹配、发电机运行特性、未来抽水需求和潜在的可再生能源电力过剩管理。所提出的框架也通过可再生能源整合支持SDG 7（经济适用的清洁能源），通过改善市政供水能力支持SDG 6（清洁用水和卫生），通过减少对化石燃料抽水及相关运营排放的依赖支持SDG 13（气候行动）。本文其余部分组织如下。第2节介绍研究地点、用水需求和抽水要求、系统配置、组件模型、资源评估以及经济和环境的评估方法。第3节展示技术、经济、环境和敏感性分析结果。第4节讨论研究结果并与先前研究进行比较，第5节给出主要结论。章节片段——材料与方法：本研究遵循系统的方法论，以评估干旱气候条件下混合太阳能-柴油水泵系统的技术、经济和环境可行性。如图1所示，研究方法分为四个主要阶段：输入数据准备、PVsyst建模、HOMER Pro混合系统建模以及结果与分析。在第一阶段，通过收集和整理所需的输入数据进行输入数据准备。结果与分析：在本研究中，系统性能在两个主要场景下进行评估。第一个场景代表基准情况，其中水泵系统仅由柴油发电机供电，并进行了全面的技术、经济和环境分析。第二个场景对应混合情况，其中光伏系统与柴油发电机集成。在这种情况下，进行对比评估以分析技术性能、燃料消耗。讨论：用水需求评估为能源系统分析提供了运行基础。在现有每天8小时的抽水计划下，水井每天生产约432立方米，而估计的当前市政需求约为810立方米。因此，现有运行仅满足每天需求的大约53.3%，留下约378立方米的缺口。维持现有54立方米/小时的排水量需要每天约15小时的抽水来满足需求。结论：本研究提出了坎大哈市干旱气候条件下延长小时数市政地下水抽水太阳能光伏-柴油改造的技术经济、环境和敏感性评估。现有抽水系统每天运行8小时产生约432立方米，仅满足估计当前需求810立方米的约53.3%。维持现有54立方米/小时的排水量因此需要将泵运行延长至约——CRediT作者贡献声明：Ahmad Shah Irshad：写作——审稿与编辑，可视化，调查。Ziaurahman Madani：软件，资源，调查。Sayed Hafizullah Azizi：软件，资源，调查。Abdul Ghani Noori：可视化，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Tomonobu Senjyu：写作——审稿与编辑，监督。Sahar M. Abd Elazim：写作——审稿与编辑，资源。Ehab S. Ali：写作——审稿与编辑，资源。Ahmad Bilal Ahmadullah：——利益冲突声明：作者声明他们没有任何已知的财务或个人冲突可能会影响本研究中呈现的工作。声明：作者声明提交的手稿是原创作品，之前未曾发表，全部或部分均未在实质部分发表过，且目前未在别处接受审阅。所有作者均对这项工作做出了贡献，已审阅并批准最终修订版手稿，并同意提交至Energy期刊。所有作者接受对的手稿内容责任并确认作者信息——竞争利益声明：? 作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能已影响本论文中报告的工作。Abdul Ghani Noori | Sayed Hafizullah Azizi | Ziaurahman Madani | Ahmad Shah Irshad | Niaz Muhammad Muslih | Ahmad Bilal Ahmadullah | Ehab S. Ali | Sahar M. Abd Elazim | Tomonobu Senjyu，冲绳大学工学部电气电子工程系，日本冲绳903-0213。