الحل المتكامل للطاقة الهجينة من الرياح والشمس للجزر النائية
ملخص
تقدم هذه المقترح حلًا متكاملًا للطاقة مبتكرًا يجمع بشكل عميق بين طاقة الرياح وتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية وخزن الطاقة بالضخ ومعالجة تحلية مياه البحر. يهدف إلى معالجة التحديات الأساسية التي تواجه الجزر النائية، بما في ذلك صعوبة تغطية الشبكة وتكلفة توليد الكهرباء من الديزل العالية وقيود تخزين البطاريات التقليدية وندرة الموارد المائية العذبة. يحقق الحل التناغم والاستقلالية في "توفير الطاقة - تخزين الطاقة - توفير المياه"، مما يوفر مسارًا تقنيًا موثوقًا به واقتصاديًا وصديقًا للبيئة لتنمية الجزر المستدامة.
أ. المجال التقني والتحديات الخلفية
- المجال التقني
يعتبر هذا الحل تقنية شاملة متعددة التخصصات، تشمل أساسًا:
- توليد الطاقة المتجددة: طاقة الرياح وتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية.
- تخزين الطاقة الفيزيائي على نطاق واسع: تقنية خزن الطاقة بالضخ.
- استخدام شامل للموارد المائية: تقنية تحلية مياه البحر بالتقطير العكسي.
- التحكم الذكي الفعال: التحكم التعاوني في الطاقات المختلفة وإدارة الطاقة.
- التحديات الخلفية
- مأزق توفير الطاقة: تقع الجزر النائية بعيدًا عن شبكات البر الرئيسي وتعتمد عادةً على مولدات الديزل ذات التكلفة العالية. تعاني من تقلبات أسعار النفط الدولية وصعوبات في نقل الوقود، مما يؤدي إلى ارتفاع أسعار الكهرباء وانعدام الاستقرار في التزويد، مما يحد بشدة من التنمية الاقتصادية المحلية وجودة حياة السكان.
- قيود التخزين التقليدي: تعتمد أنظمة الطاقة الهوائية الشمسية التقليدية فقط على تخزين البطاريات، والتي تواجه أربعة عقبات رئيسية: عمر خدمة قصير (يتطلب استبدالًا متكررًا)، تكلفة عالية، مخاطر تلوث بيئي محتملة، وسعة تخزين محدودة. هذه القيود تجعل من الصعب دعم احتياجات الطاقة الكبيرة والاستقرار طويل الأمد للجزر.
- تناقض طلب الموارد: تعاني الجزر من ندرة الموارد المائية العذبة. يعتمد التزويد اليومي بالمياه على النقل الخارجي أو الوحدات الصغيرة لتحلية المياه ذات استهلاك الطاقة العالي، وكلاهما باهظ الثمن للغاية. تعمل أنظمة توليد الكهرباء المرتبطة ومرافق إنتاج المياه العذبة بشكل مستقل، مما يفشل في تحقيق استخدام متكافئ للطاقة والموارد.
ب. الحل التقني الأساسي وتكوين النظام
يتكون النظام من ثلاثة وحدات أساسية، يتم تنسيقها بشكل عضوي عبر جهاز تحكم ذكي.
|
وحدة النظام |
المكونات |
الوظيفة الأساسية |
|
وحدة الطاقة الهوائية الشمسية الأساسية |
توربينات الرياح، مصفوفات الألواح الشمسية، جهاز التحكم، بطاريات سعة صغيرة |
1. تحويل الطاقة: تحويل طاقة الرياح والطاقة الشمسية إلى كهرباء. |
|
وحدة توليد الطاقة وخزن الطاقة بالضخ |
الخزان السفلي (يمكن استخدام البحر)، الخزان العلوي (مبني)، الأنابيب المتصلة، مضخة-توربين قابلة للعكس |
1. النواة ثنائية الوضع: |
|
وحدة تحلية مياه البحر |
خزان التجميع، مضخة التغذية، مرشح متعدد الوسائط، مرشح كرتوني، مضخة الضغط العالي، وحدات أغشية التناضح العكسي، خزان المياه المنتجة |
1. التطهير العميق: تُزيل مرشحات متعددة المراحل الأجسام الصلبة المعلقة والشوائب من مياه البحر. |
ج. مبادئ عمل النظام (ثلاثة عمليات أساسية)
- منطق التوزيع والتوزيع الذكي للطاقة (قيادة الجهاز الذكي)
يعد الجهاز الذكي هو جوهر النظام، حيث يقارن باستمرار "إجمالي توليد الطاقة الهوائية الشمسية" مع "إجمالي الطلب على الحمل (استهلاك السكان + استهلاك وحدة تحلية مياه البحر)":
- سيناريو 1: التوليد ≥ الطلب على الحمل
- يتم تعبئة البطاريات ذات السعة الصغيرة أولاً لإعادة شحنها.
- بعد شحن البطاريات بالكامل، يتم تشغيل وحدة خزن الطاقة بالضخ بشكل تلقائي في وضع الضخ، مما يحول الفائض الكهربائي إلى طاقة جاذبية.
- إذا بقي فائض من الطاقة، يتم تشغيل وحدة تحلية مياه البحر بأقصى طاقتها، مما يحول الكهرباء إلى موارد مائية عذبة قيمة.
- سيناريو 2: التوليد < الطلب على الحمل
- يتم تشغيل وحدة خزن الطاقة بالضخ بشكل تلقائي في وضع التوربين لتوليد الكهرباء من الطاقة المائية.
- في الوقت نفسه، يتم تفريغ البطاريات لتغطية الأحمال القصوى الفورية، مما يعمل معًا لتغطية نقص التوليد وضمان التزويد المستمر بالكهرباء.
- عملية خزن الطاقة بالضخ
- مرحلة تخزين الطاقة (حمل منخفض / توليد متجدد عالي): يستخدم الفائض من طاقة الرياح والطاقة الشمسية بسعر منخفض أو صفري لضخ مياه البحر من الخزان السفلي (مثل مستوى سطح البحر) إلى الخزان العلوي المرتفع. وهذا يحقق تخزين الطاقة على نطاق واسع ولفترة طويلة دون فقدان.
- مرحلة إطلاق الطاقة (حمل قمّي / لا رياح أو شمس): يتم استخدام الفرق في الارتفاع لإطلاق الماء، والذي يتدفق لأسفل ليقوم بتدوير مضخة-توربين قابلة للعكس وتوليد الكهرباء. تبدأ هذه العملية بسرعة وتستجيب بسرعة، مما يساعد على تخفيف العشوائية والانقطاع في إنتاج الطاقة المتجددة.
- عملية التكامل لتحليل مياه البحر
يتم تجميع مياه البحر وتمريرها بشكل متسلسل عبر مرشح متعدد الوسائط (لتقليل الجسيمات الكبيرة) ومرشح كرتوني (تصفية دقيقة). ثم يتم ضغطها بواسطة مضخة الضغط العالي وإرسالها إلى وحدات أغشية التناضح العكسي لإنتاج المياه العذبة، والتي يتم تخزينها في خزان المياه المنتجة. يتم تشغيل هذه العملية بأكملها بواسطة الكهرباء المنظومة. كحمل عالي الجودة قابل للتوقف والتعديل، تحقق هذه العملية مفهوم التكامل "إنتاج المياه بالكهرباء، واستخدام إنتاج المياه للتخزين الضمني" بشكل مثالي.
د. فوائد الحل
- استغلال الموارد بأقصى حد: يتم استغلال موارد الرياح والطاقة الشمسية الغنية في الجزيرة بشكل كامل، مما يحل محل أو يقلل بشكل كبير من الاعتماد على الديزل المستورد، ويقلل تكلفة الطاقة في المصدر ويحقق الاكتفاء الذاتي للطاقة.
- تحسين ثوري لحل تخزين الطاقة: يعتبر نموذج التخزين الهجين "خزن الطاقة بالضخ كأساسي + بطاريات سعة صغيرة كمساعد" يتغلب بشكل أساسي على الأربعة عيوب الرئيسية للبطاريات التقليدية. فهو يقدم مزايا مطلقة: سعة تخزين ضخمة، عمر خدمة طويل (عقود)، صداقة للبيئة، وتكلفة شاملة منخفضة.
- تعزيز كبير لاستقرار وموثوقية تزويد النظام بالطاقة: يمكن لخزن الطاقة بالضخ الرد بسرعة على تغيرات الحمل، مما يوفر قدرات قوية على حلاقة الذروة وتنظيم التردد. مجتمعة مع البطاريات التي تتعامل مع التقلبات الفورية، توفر شبكة الجزيرة استقرارًا ونوعية طاقة تشبه الشبكات التقليدية.
- الوفاء التكاملي بعدة احتياجات، قتل عدة طيور بحجر واحد: يتم دمج تحلية مياه البحر كحمل للنظام بشكل مبتكر، مما يحل في الوقت نفسه التحديين الأساسيين للبقاء والتنمية "نقص الكهرباء" و"نقص المياه" في الجزر. يتحقق درجة عالية من التكامل في "توليد الطاقة - تخزين الطاقة - إنتاج المياه العذبة"، مما ينتج فوائد شاملة كبيرة.
- مزايا بيئية وخضراء منخفضة الكربون بارزة: تستند العملية بأكملها إلى الطاقة المتجددة، مما يؤدي إلى انبعاثات كربونية صفرية. يقلل بشكل كبير من استخدام وتلوث البطاريات الرصاصية الحمضية. يوفر مسارًا مستدامًا للتنمية الخضراء لمجتمعات الجزر، مما يوفر فوائد بيئية كبيرة.
