离网太阳能的杀手级应用

天气太热了2月的一天，马坦亚，一个横跨赤道的村庄，在内罗毕以北几小时的车程。帕特里克·吉切鲁(Patrick Gicheru)笑容满面地在他0.8公顷的农场里，在一层层的土壤和堆肥中播种胡萝卜，回忆起最近同一块土地上的辣椒获得了丰厚的收成。另一块地里成熟的西红柿一个月后就可以上市了。他说:“西红柿大约每公斤80先令。”他估计，在近三个月的时间里，这种作物每周能给他带来大约1万肯尼亚先令(约合93美元多一点)。

仅今年的番茄收成就几乎足以支付支撑吉切鲁成功的技术:太阳能水泵。这是一个简单的模型，它包括一个310瓦的光伏电池板，一个440瓦时的锂离子电池组，一个支持每小时3000升直流电泵的控制器，以及一些LED灯，一个手机充电器和一台平板电视。

来自SunCulture的Patrick Gicheru的离网太阳能系统包括光伏板、锂离子电池组、水泵、LED灯和平板电视。彼得Fairley

2020年2月，当我访问吉切鲁时，这个小农民对正在向肯尼亚蔓延的COVID-19大流行完全没有控制历史性的蝗虫入侵吞噬田地整个东非。但他在2019年购买的太阳能泵正在开采稳定的地下水供应，提高了产量和生长季节，并中和了自古以来困扰撒哈拉以南非洲的干旱浪潮。

在获得太阳系之前，吉切鲁和肯尼亚绝大多数小农一样，完全依靠降雨。当时他还养牛，但由于干旱损失了很多牛。他把太阳能灌溉的生活描述为一个新时代:“它真的改变了我们的生活。在一天结束的时候，我可以把食物放在桌子上。我也在雇人，所以我可以帮助他们养家糊口。所以我感谢上帝。我很高兴。”

这是一种转变，如果广泛复制，可能会从根本上改善非洲各地数百万人的生计。根据2020年的报告据世界银行(World Bank)下属机构国际金融公司(International Finance Corp.)统计，撒哈拉以南非洲地区有4,300多万小农没有接入电网。这些农民中的许多人，像吉彻鲁一样，生活在近地表含水层之上，但他们缺乏获取水源的手段。因此，他们仍然很容易受到作物歉收的影响，即使水可能真的有几米远。随着苦苦挣扎的农民放弃土地，逃往城市，这些移民推动了非洲大陆不受控制的城市化进程，以及对粮食进口的依赖。

“尽管他们拥有摆脱贫困的工具——水、土地和阳光，但他们是世界上最缺乏服务的人，”他说萨米尔·易卜拉欣．他是总部位于内罗毕的首席执行官和联合创始人SunCulture该公司目前是非洲领先的太阳能灌溉开发商。Gicheru是该公司满意的客户之一。

易卜拉欣和查尔斯·尼克尔斯自2012年创办这家公司以来，他一直在完善自己的技术。现在他们说他们准备扩大规模。太阳能和电池价格的暴跌降低了硬件成本。新的数字融资工具使农民更容易购买。创新的农业技术承诺将用水量降到最低，这是确保太阳能灌溉热潮不会枯竭的关键保障。

易卜拉欣说，太阳能灌溉的潜在优势可能是巨大的。他指出，仅在肯尼亚，为小农户提供太阳能泵的市场规模就可能达到10亿美元。更重要的是，它们可能引发生产率提高和获得资本的良性循环。易卜拉欣说:“如果我们能弄清楚如何使这些农民的收入可预测和可靠，我们就可以让他们进入商业资本市场，然后我们就可以创造一个全新的消费市场，然后我们就可以在这个消费市场上销售产品。”

这是一个伟大的梦想，但易卜拉欣、尼科尔斯和其他许多人现在都相信，这个梦想是可以实现的。

太阳文化这是易卜拉欣和尼科尔斯2011年萌生的一个想法，当时两人都还是纽约的大学生。看到离网太阳能技术的兴起，他们讨论了围绕提高小农生产力建立太阳能业务的问题。他们把自己的想法提交给了纽约大学的商业计划竞赛，易卜拉欣当时在纽约大学主修商科。尼科尔斯曾在史蒂文斯理工学院(Stevens Institute of Technology)学习机械工程，后来在巴鲁克学院(Baruch College)学习经济学。他们的提案赢得了当年比赛的“观众选择”奖。到2012年底，他们做到了移居肯尼亚并成立了公司。

肯尼亚首都内罗毕是一个自然的选择。一个不断发展的科技中心为这座城市赢得了500万人口硅萨凡纳的绰号．这座城市也是非洲离网太阳能行业的中心，肯尼亚的太阳能普及率最高非洲的离网太阳能系统．这其中也有个人关系:易卜拉欣的母亲是肯尼亚人，父亲是坦桑尼亚人。

尽管如此，尼科尔斯和易卜拉欣的太阳能灌溉计划还是花了几年时间才获得关注。抽水行业的现有参与者没有认真对待太阳能，投资者怀疑小农户是否能负担得起。“每个人都认为我们是疯子。没有人愿意资助我们，”尼科尔斯回忆道。

8年过去了，经过了4次主要的设计迭代，太阳文化以950美元的价格出售了一款功能强大的系统，不到其第一款产品价格的五分之一。该套装将太阳能设备、一个泵和四个LED灯结合在一起，并支持一台可选电视。该水泵的设计目的是从30米深的地方抽水，灌溉0.4公顷的土地。

尼科尔斯表示，该公司在硬件方面的关键突破是增加了电池。大多数太阳能泵系统，包括SunCulture早期的产品，都有一个储水罐，只有当太阳足够强大到可以运行泵时，才能注满水。取消水箱，增加电池，从而创造了一个稳定的电力供应，客户可以根据自己的时间表使用泵和灌溉。电池还可以在清晨和下午晚些时候充电，因为阳光太弱，无法直接运行泵。

SunCulture的合作伙伴提供电池、光伏电池板和由高效无刷直流电机驱动的螺杆泵。公司的核心知识产权是其集成控制器、通信、电池底座单元的印刷电路板，由公司高级电气工程师设计Bogdan Patlun以及他在乌克兰的团队。

在离网太阳能供应商SunCulture位于内罗毕以北约200公里的马坦亚的分公司，多莉·凯瑟尔(Dolly Kathure)展示了该公司的智能控制器。现收现付系统对小农户来说是负担得起的;该控制器允许太阳文化在客户停止付款时远程禁用设备。彼得Fairley

太阳文化采用现收现付的融资模式，这种模式在离网太阳能行业很流行。农民们不用先付全价，而是先付一小笔定金，然后在几年内按月付款。Gicheru为他的系统支付了8900先令(约83美元)，并以每月3900先令的费率在2.5年内支付其余款项。对太阳文化来说，这是一个低风险的方案，因为如果客户停止付款，它的电子设备可以让公司远程禁用设备。据太阳文化估计，这种“按增长付费”的融资方式使该公司的供水系统能够覆盖肯尼亚200万小农中的大多数人。

那些选择快速投资的人会看到回报最近的一份报告通过达尔伯格全球发展顾问公司总部位于日内瓦的咨询公司。达尔伯格估计，在小型农场，太阳能灌溉可以使产量提高2到4倍，收入提高2到6倍。因此，该报告预测，未来五年，肯尼亚将销售10.3万台太阳能水泵，而2019年和2020年每年的销量还不到1万台。“灌溉的商业理由非常充分，”Dalberg高级经理说迈克尔花呢．

离网太阳能业务需要像SunCulture的水泵这样的产品来摆脱生产力下滑的困境。该行业最初在21世纪初兴起，通过将小型商品光伏板、电池和LED灯结合在一起，创造了一个替代相对昂贵且肮脏的煤油灯的组合。系统迅速扩展到包括手机充电，这反过来促进了移动银行、短信和互联网的接入。但在过去十年左右的时间里，离网太阳能最受欢迎的新功能是电视和风扇。

对这种生活方式升级的关注，虽然对车主来说是令人愉快的，但也促使一些经济学家这样做质疑发展影响离网太阳能。“很难想象看电视或开电扇会让你的工作效率显著提高，因此它们不会让你摆脱贫困，”他说约翰内斯Urpelainen，负责管理可持续能源政策倡议在巴尔的摩的约翰霍普金斯大学。“它们并没有真正解决主要问题。”

相比之下，太阳能灌溉明显地提高了人们的生活水平。在最近对太阳文化的支持者的更新中，易卜拉欣吹捧了太阳能泵在COVID-19大流行期间的影响。他引用了冲击测量公司进行了60分贝的调查在该调查中，88%的肯尼亚农民表示，由于疫情，他们的经济状况变差了。易卜拉欣指出，与此形成鲜明对比的是，太阳文化81%的客户增加了农业收入。

难怪太阳文化会得到一些大的支持者，比如法国国有电力公司，Electricité de France该公司为海外一些偏远的农村地区和省份提供电力。同样不奇怪的是，太阳文化也面临着一些竞争。

保持它的太阳文化正努力寻找减少农民用水量的方法，以确保其方法的可持续性。在2012年,全大陆范围的调查英国研究人员对非洲丰富而浅层的含水层进行了关注，即使在降雨量很少的半干旱地区也发现了这些含水层。后续撒哈拉以南非洲地区地下水管理的研究发现开采这些含水层减少了作物歉收，提高了农村收入。然而，研究人员也发现，在短短5年的小规模灌溉后，对地下水位的影响是“适度的”在东非40%的研究区域下降了4米．

Monicah Riitho的滴灌试验进展顺利，她计划再安装一条管线。彼得Fairley

在距离Patrick Gicheru农场2公里远的Monicah Riitho的农场里，展示了对含水层极限的洞察——以及避免超过它们的一种方法。Riitho在她1.2公顷的土地上种植了大量的水果、蔬菜和谷物。和Gicheru一样，这位四个孩子的母亲说，多亏了她的太阳文化泵，她的生活变得更好了。但她每天打开水龙头，21米深的井口的水位在使用约3小时后就会下降到无法触及的高度。

水位总是在一夜之间恢复，Riitho低估了它被永久耗尽的风险。“地下水很大，”她说。不过，保护水资源对她的扩张计划至关重要:“我只有这一种水源，所以我必须节约用水。”

Riitho正在测试一种节水解决方案:用一条滴灌线来灌溉她种的卷心菜、菠菜和土豆地，只浇灌植物根部附近的土壤。在2021年，塑料滴管听起来可能不太科技，但用最少的电力驾驶塑料滴管需要一些技巧。SunCulture有15家客户在测试这种用于低压激活的滴液管道。这种设置的关键是精确控制管线中的水压。尼科尔斯说:“你不希望在激活点以外释放太多压力，因为能量会损失掉。”“但它不能比激活点低，因为那样就没有水出来了。”解决方案是在泵的电机控制器中设置一个反馈回路，该回路可以检测管道激活压力周围的电流偏差，并在偏差超过一定限度时停止增加流量。这是一种模糊逻辑方法研究人员在麻省理工学院全球工程研究(GEAR)实验室正在为太阳文化开发。尼科尔斯说:“如果GEAR实验室的工作人员调整了算法，我们可以在一两天内将其推广到所有设备上。”

这条输液线正在为Riitho工作，她打算将这条输液线扩展到她的另一部分土地。她可以通过重新融资她的太阳能泵来做到这一点，额外增加5个月的还款。“这是值得的，”她宣称。

滴灌技术是几十年前开始席卷发达国家农场的现代技术的一个小例子。现在，太阳文化正在向精准农业领域扩张。例如，Gicheru是测试该公司下一个提升价值的数字创新的五个客户之一:结合土壤传感器和超局部天气预报的数据，生成农艺建议。亚博排列五投注网站土壤传感器亚博排列五投注网站通过蓝牙连接到电池底座，它们的湿度、温度和电导率(ph值的代表)的读数然后通过蜂窝上传到SunCulture。

太阳文化的现场工程师亚历克斯·吉托(Alex Gitau)表示，客户数据正在训练算法，为农民提供灌溉、化肥和作物方面的建议。彼得Fairley

太阳文化在距离马坦亚最近的Nanyuki镇的现场工程师Alex Gitau说，这些数据最初将用于建议农民灌溉时间和灌溉量。他说，最终，智能算法将为施肥和作物选择提供信息。农民们花了大量的时间和精力去寻找这样的建议。吉托说，有了太阳文化农学系统，“农民不需要到南尤基去找一个农学家去找另一个农学家，也不需要找一个农业推广官员来他的农场。”“他可以从我们的设备上得到帮助。”

目前，太阳文化的专家系统还在开发中。由于Patlun的团队设计了一个微型放大器，以克服传感器存在的蓝牙连接故障，硬件已经准备就绪。亚博排列五投注网站但是尼科尔斯说，他们需要更多的农艺和数学专业知识来将他们的数据转化为可靠的建议。他说:“你需要一个顶尖的5%的人，而到目前为止，我们还没有成功招募到一个能提供这种火力的人。”(与此同时，尼科尔斯最近离开了太阳文化，对区块链支持的网络产生了新的热情。)

如果Ibrahim和如果SunCulture团队成功了，太阳能灌溉将引发一系列的发展，放大离网太阳能的经济影响。例如，SunCulture是测试节能电压力锅的几家公司之一，随着太阳能电池板和电池成本的持续下降，提高离网太阳能系统所能提供的电量，预计在未来一两年就会起飞。其他即将取得突破的电器包括孵卵器、粮食加工机和冰箱。

Gicheru对他的太阳系的愿望清单包括防止鬣狗群袭击的电力围栏和远程视频监控。他说，监控摄像头将为马坦亚的妇女提供安全感，他欢迎它们帮助阻止小偷。“一旦番茄开始成熟，人们就会来到这里，”他说。

英国地质调查局2012年的一项研究显示，在撒哈拉以南非洲的大部分地区，即使在降雨量很少的地区，浅层含水层(深蓝色)也很丰富。太阳能水泵使小农户可以利用地下水。资料来源:英国地质调查局

这种对电动增强功能的渴望正在吸引竞争对手，比如Mwezi该公司是一家总部位于英国的分销商，在肯尼亚西部维多利亚湖周围的农业盆地推广离网技术。姆韦兹最近开始在内罗毕试销孵卵器和用于磨玉米的400瓦锤磨机Agsol．迈克雪利酒他说，这两款设备价格都很实惠，这要感谢旧金山的一个融资平台Angaza该公司专门从事现收现付账户管理。

和太阳文化的负责人一样，雪莉认为太阳能设备的普及所产生的影响远远超出了任何直接的生产力提高。一方面，他们帮助农民建立抵押品和信用记录。虽然Monicah Riitho计划为她的太阳能泵再融资，以购买更多的滴灌管道，但这种再融资可以用于购买任何东西——商品、保险或教育。因此，雪莉说:“我们不是一家太阳能公司。我们是最后一英里的零售商。”

易卜拉欣对太阳文化也有类似的愿景，但他表示，除非公共投资扩大，否则实现这一目标还需要很多年。按照其他地方农村电气化的模式，补贴可以加速太阳能灌溉的普及。杜克大学2020年的一项研究发现成功实现电气化的国家在过去的半个世纪里，中国通过补贴农村电网接入成本的70%到100%来实现这一目标(与美国从20世纪30年代开始的做法很相似)。

肯尼亚政府正在加大对离网太阳能发电的支持力度这是一个世界银行资助的项目，目标是14个国家那里有120万家庭没有电可用。该项目包括投资4000万美元用于独立太阳能系统和太阳能水泵。

总部设在日内瓦的咨询公司达尔伯格支持加大对太阳能灌溉的支持。如果没有补贴，肯尼亚的太阳能泵市场将在2020年逐步增长达尔伯格政策文件项目。但是，如果政府在五年内投资96亿先令(9000万美元)，覆盖太阳能水泵安装成本的一半，安装速度将提高近两倍，到2025年将增加27.4万个太阳能水泵。小农的收入将累计增加6220亿先令。当这些补贴与其他政策干预相结合时，肯尼亚灌溉耕地的比例将从3%上升到22%，而到本十年结束时，粮食进口将下降。

Monicah Riitho的农场已经成为未来的一部分。她把农产品卖给镇上的小商店和餐馆以及邻居。当她赶走那头从烂栅栏里挤出来吃蔬菜的奶牛时，显然她的任务比时间多。但是Riitho说她没有抱怨。太阳能灌溉让她成为自己的老板。“我靠自己，我很高兴，因为我每天都在为我的孩子们工作。我不担心。”

本文刊登在2021年6月的印刷版上。