Integrované hybridní větrně-slněční energetické řešení pro vzdálené ostrovy

Abstrakt

Tento návrh představuje inovativní integrované energetické řešení, které hluboce kombinuje větrnou energii, fotovoltaickou výrobu elektrické energie, čerpací vodní skladování a technologie desalinace mořské vody. Cílem je systematicky řešit klíčové problémy, s nimiž se setkávají vzdálené ostrovy, včetně obtížného zabezpečení elektrické sítě, vysokých nákladů na výrobu elektřiny z dieslu, omezení tradičních baterií pro skladování a nedostatku pitné vody. Toto řešení dosahuje synergického a samostatného fungování "zásobování elektrickou energií - skladování energie - zásobování vodou", poskytující spolehlivou, ekonomickou a ekologickou technologickou cestu pro udržitelný rozvoj ostrovů.

I. Technické oblasti a pozadí výzev

1. Technické oblasti

Toto řešení je interdisciplinární, komplexní technologie, která zahrnuje především:

• Vytváření obnovitelné energie: Větrná a sluneční fotovoltaická výroba elektrické energie.
• Fyzické skladování energie ve velkém měřítku: Čerpací vodní skladování.
• Komplexní využití vodních zdrojů: Desalinace mořské vody pomocí reverzní osmose.
• Účinná inteligentní kontrola: Spolupracující kontrola více typů energie a správa energie.
1. Pozadí výzev
• Dilema dodávky energie: Vzdálené ostrovy jsou daleko od pevninských sítí a obvykle spoléhají na vysoce nákladné generátory poháněné dieslem. Jsou zde podléhat fluktuacím mezinárodních cen ropy a obtížnostem přepravy paliva, což vede k vysokým cenám elektrické energie a nestabilitě dodávek, což značně omezují místní ekonomický rozvoj a kvalitu života obyvatel.
• Omezení tradičního skladování: Tradiční systémy využívající větrné a sluneční energii spoléhají pouze na bateriové skladování, které čelí čtyřem hlavním omezením: krátká životnost (vyžadující častou výměnu), vysoké náklady, potenciální rizika environmentálního znečištění a omezená kapacita skladování. Tyto omezení komplikují podporu škálovatelného, dlouhodobě stabilního poptávkového požadavku ostrovů na energii.
• Konflikt mezi poptávkou po zdrojích: Ostrovy trpí nedostatkem pitné vody. Denní zásobování vodou závisí na externí dopravě nebo malých, energeticky náročných jednotkách pro desalinaci, obě varianty jsou extrémně nákladné. Stávající systémy pro výrobu elektrické energie a zařízení pro výrobu pitné vody fungují izolovaně, což znemožňuje synergetické využití energie a zdrojů.

II. Klíčové technické řešení a složení systému

Systém se skládá ze tří klíčových modulů, organicky koordinovaných prostřednictvím inteligentního řadiče.

III. Principy fungování systému (tři klíčové procesy)

1. Inteligentní distribuce energie a logika kontroly (vedená řadičem)

Jádrom systému je inteligentní řadič, který neustále porovnává "celkovou výrobu větrné a sluneční energie" s "celkovým zatížením (spotřeba obyvatel + spotřeba jednotky pro desalinaci)":

• Scénář 1: Výroba ≥ Poptávka po zatížení
• Prioritou je nabíjení malých baterií pro doplnění jejich náboje.
• Po naplnění baterií je automaticky aktivován čerpací úložný modul v režimu čerpaní, převádějící přebytečnou elektrickou energii na potenciální energii.
• Pokud zůstane přebytek energie, jednotka pro desalinaci mořské vody je prioritně provozována v plném výkonu, převádějící elektrickou energii na cenné zdroje pitné vody.
• Scénář 2: Výroba < Poptávka po zatížení
• Čerpací úložný modul je automaticky aktivován v režimu turbín pro hydroelektrickou výrobu.
• Zároveň baterie vybíjejí, aby se zabránilo okamžitým vrcholekům, pracují společně k pokrytí nedostatku výroby a zajistí neustálé dodávky elektrické energie.
1. Proces čerpacího vodního skladování
• Fáze skladování energie (nízké zatížení / vysoká výroba obnovitelné energie): Využívá levnou nebo zdarma dostupnou přebytečnou větrnou/sluneční energii k čerpání mořské vody z dolní nádrže (např. hladina moře) do vyvýšené horní nádrže. Toto umožňuje velkoskalové, dlouhodobé, bezztrátové skladování energie.
• Fáze uvolnění energie (vrcholek zatížení / bez větru nebo slunce): Využívá výškový rozdíl k uvolnění vody, která proudí dolů a otáčí reverzní čerpadlo-turbínu, generuje elektrickou energii. Tento proces začíná rychle a odpovídá rychle, efektivně vyhlazuje náhodnost a pravidelnost výstupu obnovitelné energie.
2. Synergický proces desalinace mořské vody

Mořská voda je přijata a postupně projde vícesložkovým filtrem (odstraňujícím velké částice) a patronovým filtrem (jemné filtrace). Je pak stlačena vysokotlakým čerpadlem a odeslána do membránových modulů reverzní osmose k výrobě pitné vody, která je uložena v nádrži produktové vody. Celý tento proces je poháněn elektrickou energií systému. Jako přerušitelná, upravitelná, kvalitní zátěž dokonale realizuje synergetický koncept "výroba vody pomocí elektrické energie, využití výroby vody pro implicitní skladování."

IV. Výhody řešení

• Maximalizace využití zdrojů: Plně využívá hojné větrné a sluneční zdroje ostrova, kompletně nahrazuje nebo značně snižuje závislost na dováženém dieslu, snižuje náklady na energii na zdroji a dosahuje energetické soběstačnosti.
• Revoluční optimalizace řešení skladování: Hybridní model skladování, "čerpací vodní skladování jako primární + malé baterie jako sekundární", zásadně překonává čtyři hlavní nevýhody tradičních baterií. Nabízí absolutní výhody: masivní kapacita skladování, dlouhá životnost (dekády), environmentální přátelství a nízké celkové náklady.
• Značně zvýšená stabilita a spolehlivost dodávek elektrické energie: Čerpací vodní skladování může rychle reagovat na změny zatížení, poskytuje silné schopnosti vrcholekového střihu a frekvenční regulace. Spolu s bateriemi, které zvládají okamžité kolísání, poskytuje ostrovní síti stabilitu a kvalitu elektrické energie srovnatelnou s tradičními sítěmi.
• Synergické uspokojení několika potřeb, zabíjení několika ptáků jedním kamínkem: Inovativně integruje desalinaci mořské vody jako zátěž systému, současně řeší dvě klíčové problémy přežití a rozvoje "nedostatek elektrické energie" a "nedostatek vody" na ostrovech. Dosahuje vysoké míry integrace "výroba elektrické energie - skladování energie - výroba pitné vody", což přináší významné komplexní výhody.
• Výrazné environmentální a ekologické výhody: Celý proces je založen na obnovitelné energii, což vede k nulovým emisím uhlíku. Drasticky snižuje využití a znečištění spojené s olověnými bateriemi. Poskytuje udržitelnou ekologickou cestu pro komunity na ostrovech, nabízí významné ekologické výhody.