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Aug 09, 2023

조도가 아닌 대수층 조건이 아프리카 전역의 지하수 펌핑을 위한 광전지 에너지의 잠재력을 결정합니다.

Communications Earth & Environment 4권, 기사 번호: 52(2023) 이 기사 인용 1808 Accesses 21 Altmetric Metrics 세부 정보 광전지 에너지를 사용하는 지하수 펌핑은 다음과 같은 잠재력을 가지고 있습니다.

커뮤니케이션 지구 및 환경 4권, 기사 번호: 52(2023) 이 기사 인용

1808 액세스

21 알트메트릭

측정항목 세부정보

광전지 에너지를 이용한 지하수 펌핑은 서비스가 부족한 지역의 물 서비스를 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 여기서 우리는 공개적으로 사용 가능한 데이터를 사용하여 아프리카 전역의 태양광 물 펌핑 시스템의 추상화 용량을 시뮬레이션하는 수치 모델을 개발합니다. 이 기사의 첫 번째 기여는 펌핑 깊이와 시간당 복사 조도 시계열에 대한 현실적인 지질학적 제약을 포함하는 대규모 모델의 상세 설계입니다. 두 번째는 대륙 전체에 대한 결과 제공이다. 우리는 세 가지 시스템 크기(100, 1000, 3000Wp)에 대한 시뮬레이션 결과를 얻었으며 일일 펌핑 용량은 크기와 위치에 따라 0.1~180m3 사이에서 달라지는 것으로 나타났습니다. 우리는 아프리카 대부분의 지역에서 광기전 에너지를 사용하는 지하수 펌핑이 복사조도보다는 대수층 조건에 의해 제한된다는 것을 보여줍니다. 우리의 결과는 광전지 펌핑의 잠재력이 가장 높은 지역을 식별하고 대규모 투자를 목표로 삼는 데 도움이 될 수 있습니다.

아프리카에서는 3억 명이 넘는 사람들이 주로 전력망이 없는 시골 지역에서 가정용으로 개선되지 않은 수자원을 사용합니다1. 관개 시설도 제한되어 있으며 기후 변동성이 증가함에 따라 식량 안보를 개선하기 위해 관개 시설을 늘려야 한다는 요구가 있습니다2,3. 지하수와 지표수가 주요 수원입니다. 지표수는 종종 더 얕고 추출 비용이 저렴하지만 지하수는 아프리카에서 가장 크고 가장 널리 분포된 담수 저장소를 구성하며4 지표수와는 달리 처리가 필요하지 않습니다5. 지하수는 기상 조건에 더 느리게 반응하여 기후 변동성에 대한 자연적인 완충 장치를 제공하기 때문에 관개에도 적합합니다6,7. 현재 아프리카 시골 지역의 지하수 양수 대부분은 지역사회 수동 펌프8,9에 의해 수행되고 있으며8,9 이 펌프는 쉽게 수리되고 가뭄에 대한 회복력이 있는 것으로 입증되었습니다10,11. 그러나 설치 및 유지 관리 문제로 인해 지속적인 기능 속도가 낮을 ​​수 있습니다12. 지속 가능한 개발 목표는 개별 가구에서 안정적으로 안전한 물을 이용할 수 있는 더 높은 수준의 서비스를 요구합니다13. 따라서 서비스 수준을 지역사회 수동 펌프 이상으로 옮기는 데는 상당한 어려움이 있습니다.

광전지 에너지로 구동되는 펌핑 시스템은 온실가스 배출을 심각하게 증가시키지 않으면서 많은 독립형 지역에서 물 접근성을 개선할 수 있는 유망한 솔루션입니다. 이들은 이미 여러 측면에서 경제적으로 경쟁력이 있고14, 기술 발전으로 수명이 연장되었으며15 현지 사례 연구(예:16,17,18)에서 유망한 결과가 나타났습니다. 그러나 이러한 결과는 관리 문제4,19와 지하수 및 태양광 자원의 공간적 가변성으로 인해 다른 위치에서는 발생하지 않을 수 있습니다.

일부 연구에서는 연속적인 지리적 영역에 대한 PVWPS(태양광 물 펌핑 시스템)의 잠재력을 조사했습니다. 이러한 연구는 에티오피아20, 가나21, 이집트22,23, 알제리24, 스페인 및 모로코25, 중국26,27 및 사하라 이남 아프리카28의 얕은 지하수(정수 깊이 <50m)가 있는 지역에서 수행되었습니다. 그러나 조항 20,21,22,23,24,26에서는 PVWPS의 기술 모델을 사용하지 않아 지하수와 태양광 자원의 상대적 중요성을 고려하지 않습니다. 다른 연구25,27,28에서는 기술적인 PVWPS 모델을 고려합니다. 그럼에도 불구하고 그들은 PVWPS 작동 및 성능에 영향을 미치는 시간별/시간 미만 시계열 대신 월별 평균 조도 값을 사용합니다18,29. 또한 대수층의 포화 두께를 고려하지 않아 가능한 최대 감소와 이에 따른 펌핑 유량이 제한됩니다. 마지막으로, 기존 연구는 아프리카 대륙 전체에 대한 결과를 제공하지 않아 국가 및 지역 간 비교가 제한됩니다.

여기서 우리는 공개적으로 이용 가능한 지하수 및 조도 데이터를 사용하여 아프리카 전역의 PVWPS의 추출 용량을 시뮬레이션하는 모델을 제안합니다. 이 연구의 첫 번째 기여는 펌핑 깊이, 특히 대수층 포화 두께 및 시간당 조도 시계열을 통한 현실적인 지질학적 제약을 포함하는 대규모 PVWPS 모델의 상세 설계입니다. 각 픽셀에 대해 월간 평균 조도 값 대신 시간당 조도 시계열을 고려하면 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 펌핑된 유량은 조도에 따라 비선형적으로 변합니다. 따라서 시간당 조도 데이터의 결과는 평균을 사용하는 것과 다릅니다. 둘째, 많은 경우에 높은 조도 값(예: 한낮)의 경우 모터 펌프에 도달하는 높은 감소로 인해 펌핑이 중단되어 총 펌핑 용량이 감소합니다. 이는 월별 평균 조도 값을 사용하는 경우 관찰되지 않습니다. 여기서는 펌핑 깊이에 대한 현실적인 지질학적 제약을 포함하는 모델의 다른 특수성도 중요한 역할을 합니다. 마지막으로, 시간당 조도 시계열을 고려하면 펌핑량이 매우 낮아 원활한 물 소비에 영향을 미칠 수 있는 연중 중요한 날(특히 조도가 매우 낮은 날)에 대한 시뮬레이션이 가능합니다. 이 연구의 두 번째 기여는 북아프리카와 지하수가 50m보다 깊은 지역을 포함하여 대륙 전체에 대한 결과를 제공하는 것입니다. 이곳에서는 수동 펌프를 통해 지하수에 접근하기가 매우 어렵기 때문에 PVWPS가 특히 관련성이 있습니다4. 결과는 3가지 PVWPS 크기에 대해 일년 내내 제공되며 연중 ​​극단적인 기간(예: 연속적으로 낮은 조사일수)에 대해 제공되며 지하수 재충전과 비교됩니다. 대륙 전체에 대한 결과를 제공하면 서로 지역을 비교하고 PVWPS의 잠재력이 가장 높은 지역을 식별하여 목표 투자에 도움이 됩니다. 우리의 결과는 모터 펌프에 도달하여 시스템을 강제로 정지시키는 너무 중요한 감소로 인해 가장 큰 고려 시스템이 가장 큰 고려 시스템의 27% 위치에서 가장 높은 볼륨을 생성하지 않는다는 것을 특히 나타냅니다. 그들은 또한 펌핑된 부피의 공간적 변화의 주요 결정 요인이 복사조도보다는 대수층 조건이라는 것을 보여줍니다.