萨赫勒地区光伏能源系统雨水收集潜力：能源-水协同解决方案的创新评估

本研究针对萨赫勒地区能源与水资源短缺的双重挑战，提出了一种结合光伏（PV）发电与雨水收集（RWH）的创新方案。通过量化分析，研究证明在年降水量>200 mm的区域，PV系统可提供2-7%的家庭用水需求，而氢能生产设施可贡献50%的用水量。该研究为半干旱地区水-能-食物纽带（WEF Nexus）管理提供了新思路，对推动可再生能源与水资源可持续利用具有重要意义。

　　

在非洲萨赫勒地区，能源匮乏与水资源短缺长期制约着社会发展。当地70%的家庭依赖木材燃料，导致森林退化与健康问题；同时，年降水量150-850 mm的波动性加剧了用水危机。传统解决方案往往割裂处理能源与水资源问题，而光伏（PV）面板在发电过程中产生的径流资源长期被忽视。如何通过技术创新实现水-能协同增效，成为破解区域发展瓶颈的关键。

为此，研究人员开展了一项开创性研究，系统评估了PV系统在萨赫勒地区的雨水收集潜力。研究采用多学科方法：基于CHIRPS降水数据集（1990-2019）计算区域降水特征，结合PV面板面积-功率关系模型（5.4 m²
/kW_p
），设定蒸发损失系数（S_PV
=1 mm）和径流系数（R_PV
=0.9）。通过家庭用水需求模型（20 L/人/天）和氢能水需求（15 L/kg H₂
），量化了不同场景下的水资源供给潜力。

2. 联合太阳能与雨水收集系统概念
研究提出固定倾角PV阵列的改良设计，通过面板底部导流槽收集雨水，经滤后储存于地下含水层或地表水库。该设计借鉴了"虎纹灌木"生态系统的径流再分配原理，实现能源生产与水资源捕获的协同优化。

3. 数据与方法
关键发现包括：商用PV面板每kW_p
需5.4 m²
面积；当降水量>200 mm/a时，净雨水收集量可抵消蒸发与清洁耗水；氢能生产的水-能需求比（2.67 kWh/L）显著高于家庭需求（0.033 kWh/L）。

4. 区域特征分析
萨赫勒地区（年降水383±208 mm）的PV系统日均发电量达4.81±0.19 kWh/kW_p
。气候分析显示，过去30年西部降水显著增加（+2.7 mm/a），为水能联产提供有利条件。

5. 水能供需量化
家庭层面：4.5 kWh/d的PV系统可满足2-7%的家庭用水，在几内亚比绍等湿润区达25%。氢能层面：每日1 kg H₂
生产可产生22±15%的家庭用水盈余，南部地区甚至超100%。极端降水事件（最大79 L/m²
/d）要求MW级电站配备244±80 m³
缓冲储水能力。

6. 讨论与意义
研究突破性地证明：PV系统可同时作为"能源发生器"和"水资源收集器"。通过含水层储存与恢复（ASR）技术，雨水收集效率可提升至70%以上。该方案为萨赫勒地区参与氢能经济转型提供了双赢策略——既满足40 kWh/kg H₂
的能源需求，又能通过水盈余改善民生。

研究建议未来重点攻关：PV面板倾角对集水效率的影响、沙尘暴频发区的清洁水需求优化，以及基于水能协同的精准选址模型。这些发现为联合国可持续发展目标（SDG 6和7）的实现提供了可量化的技术路径，也为全球半干旱地区的气候适应性发展树立了新范式。