پیشنهاد یکپارچه برق خورشیدی-بادی برای جزیره های دوردست

چکیده

این پیشنهاد یک راه‌حل انرژی یکپارچه نوآورانه را ارائه می‌دهد که توان بادی، تولید انرژی فتوولتائیک، ذخیره‌سازی آب‌پاش و تکنولوژی‌های تصفیه آب دریا را به طور عمیق ترکیب می‌کند. هدف آن حل سیستماتیک چالش‌های اصلی که جزایر دورافتاده با آنها مواجه هستند، از جمله پوشش شبکه برق دشوار، هزینه‌های بالای تولید برق با گازرو، محدودیت‌های ذخیره‌سازی با باتری‌های سنتی و کمبود منابع آب تازه است. این راه‌حل همکاری و خودکفا بودن در "تامین برق - ذخیره‌سازی انرژی - تأمین آب" را به دست می‌آورد و مسیر تکنولوژیکی قابل اعتماد، اقتصادی و سبز برای توسعه پایدار جزایر فراهم می‌کند.

I. زمینه فنی و چالش‌های پس‌زمینه

1. زمینه فنی

این راه‌حل یک تکنولوژی چند رشته‌ای و جامع است که عمدتاً شامل موارد زیر است:

• تولید انرژی تجدیدپذیر: توان بادی و تولید انرژی فتوولتائیک.
• ذخیره‌سازی انرژی فیزیکی در مقیاس بزرگ: تکنولوژی ذخیره‌سازی آب‌پاش.
• استفاده جامع از منابع آب: تکنولوژی تصفیه آب دریا با روش معکوس.
• کنترل هوشمندانه کارآمد: کنترل همکاری چند منبع انرژی و مدیریت انرژی.
1. چالش‌های پس‌زمینه
• دیلم تأمین انرژی: جزایر دورافتاده از شبکه‌های اصلی برق دور هستند و معمولاً به ژنراتورهای گران‌قیمت گازرو متکی هستند. با توجه به نوسانات قیمت نفت بین‌المللی و دشواری حمل سوخت، این وضعیت منجر به قیمت‌های بالای برق و عدم ثبات تأمین می‌شود و به شدت توسعه اقتصادی محلی و کیفیت زندگی ساکنان را محدود می‌کند.
• محدودیت‌های ذخیره‌سازی سنتی: سیستم‌های تکمیلی باد-خورشید سنتی تنها به باتری‌های ذخیره‌سازی متکی هستند که با چهار محدودیت اصلی مواجه هستند: عمر کوتاه (نیاز به تعویض مکرر)، هزینه بالا، خطر آلودگی محیطی و ظرفیت ذخیره‌سازی محدود. این محدودیت‌ها آنها را قادر به پشتیبانی از نیازهای انرژی بزرگ‌مقیاس و پایدار جزایر نمی‌کند.
• تناقض تقاضای منابع: جزایر با کمبود منابع آب تازه مواجه هستند. تأمین آب روزانه به حمل و نقل خارجی یا واحدهای تصفیه آب کوچک با مصرف انرژی بالا متکی است، هر دوی این روش‌ها بسیار گران هستند. سیستم‌های تولید برق موجود و تسهیلات تولید آب تازه به صورت جداگانه عمل می‌کنند و نمی‌توانند استفاده همکاری از انرژی و منابع را به دست آورند.

II. راه‌حل فنی اصلی و ترکیب سیستم

سیستم از سه ماژول اصلی تشکیل شده است که از طریق یک کنترل‌کننده هوشمند به صورت سازگار هماهنگ می‌شوند.

III. اصول عملکرد سیستم (سه فرآیند اصلی)

1. منطق توزیع و کنترل هوشمند قدرت (رهبری کنترل‌کننده)

هسته سیستم کنترل‌کننده هوشمند است که به طور مداوم "تولید کل باد-خورشید" را با "نیاز کل بار (مصرف ساکنان + مصرف واحد تصفیه آب دریا)" مقایسه می‌کند:

• سناریو ۱: تولید ≥ نیاز بار
• اولویت به شارژ باتری‌های کوچک‌ظرفیت داده می‌شود تا شارژ آنها تکمیل شود.
• پس از شارژ کامل باتری‌ها، واحد ذخیره‌سازی آب‌پاش به صورت خودکار در حالت پمپاژ فعال می‌شود و برق اضافه را به انرژی پتانسیل تبدیل می‌کند.
• اگر برق اضافه باقی مانده باشد، واحد تصفیه آب دریا با اولویت بالا در حالت کامل عمل می‌کند و برق اضافه را به منابع آب تازه مقداری می‌کند.
• سناریو ۲: تولید < نیاز بار
• واحد ذخیره‌سازی آب‌پاش به صورت خودکار در حالت توربین فعال می‌شود و برق از طریق تولید هیدروالکتریک تولید می‌کند.
• همزمان، باتری‌ها برای مدیریت نیازهای لحظه‌ای بار تخلیه می‌شوند و با همکاری با واحد ذخیره‌سازی آب‌پاش، کمبود تولید را پوشش می‌دهند و تأمین برق مداوم را تضمین می‌کنند.
1. فرآیند عملکرد ذخیره‌سازی آب‌پاش
• مرحله ذخیره‌سازی انرژی (بار کم / تولید تجدیدپذیر بالا): از برق اضافه یا بدون هزینه تولید باد یا خورشید برای پمپاژ آب از مخزن پایین (مثلاً سطح دریا) به مخزن بالا استفاده می‌شود. این روش به ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ و برای مدت طولانی بدون هیچ زیانی می‌انجامد.
• مرحله آزادسازی انرژی (بار بالا / بدون باد یا خورشید): از تفاوت ارتفاعی استفاده می‌شود تا آب از مخزن بالا رها شود و از طریق پمپ-توربین قابل معکوس برق تولید شود. این فرآیند به سرعت شروع می‌شود و به سرعت واکنش نشان می‌دهد و به طور موثر نوسانات و تصادفی بودن تولید انرژی تجدیدپذیر را هموار می‌کند.
2. فرآیند همکاری تصفیه آب دریا

آب دریا وارد می‌شود و به ترتیب از طریق فیلتر چند رسانه‌ای (حذف ذرات بزرگ) و فیلتر کارتریج (تصفیه دقیق) عبور می‌کند. سپس توسط پمپ فشار بالا تحت فشار قرار گرفته و به ماژول‌های غشاء معکوس ارسال می‌شود تا آب تازه تولید شود و در مخزن آب تولیدی ذخیره شود. این کل فرآیند توسط برق سیستم هدایت می‌شود. به عنوان یک بار قابل قطع، قابل تنظیم و با کیفیت بالا، به طور کامل مفهوم همکاری "تولید آب با برق، استفاده از تولید آب برای ذخیره‌سازی ضمنی" را به دست می‌آورد.

IV. مزایای راه‌حل

• بهینه‌سازی کامل استفاده از منابع: به طور کامل از منابع باد و خورشید فراوان جزیره استفاده می‌کند و به طور کامل یا به طور قابل توجهی وابستگی به گازرو وارداتی را کاهش می‌دهد، هزینه‌های انرژی را از منبع کاهش می‌دهد و خودکفا بودن انرژی را به دست می‌آورد.
• بهینه‌سازی انقلابی راه‌حل ذخیره‌سازی: مدل ذخیره‌سازی ترکیبی "ذخیره‌سازی آب‌پاش به عنوان اصلی + باتری‌های کوچک‌ظرفیت به عنوان کمکی" به طور اساسی چهار محدودیت اصلی باتری‌های سنتی را غلبه می‌کند. این مدل مزایای مطلقی دارد: ظرفیت ذخیره‌سازی عظیم، عمر طولانی (دهه‌ها)، دوستدار محیط زیست و هزینه کلی پایین.
• افزایش قابل توجه پایداری و قابلیت اطمینان سیستم تأمین برق: ذخیره‌سازی آب‌پاش می‌تواند به سرعت به تغییرات بار واکنش نشان دهد و توانایی‌های قوی کاهش اوج و تنظیم فرکانس را فراهم می‌کند. با ترکیب باتری‌ها برای مدیریت نوسانات لحظه‌ای، این سیستم به شبکه جزیره پایداری و کیفیت برقی مشابه شبکه‌های سنتی می‌دهد.
• رضایت همکاری از چند نیاز، کشتن چند پرنده با یک سنگ: به طور نوآورانه تصفیه آب دریا را به عنوان بار سیستم یکپارچه می‌کند و به طور همزمان دو چالش اصلی بقا و توسعه "کمبود برق" و "کمبود آب" را در جزایر حل می‌کند. این راه‌حل تلفیقی بالقوه "تولید برق - ذخیره‌سازی انرژی - تولید آب تازه" را به دست می‌آورد و مزایای کلی قابل توجهی دارد.
• مزایای محیط زیستی و سبز کم کربن برجسته: کل فرآیند بر اساس انرژی تجدیدپذیر است و منجر به صفر انتشار کربن می‌شود. این روش به طور قابل توجهی استفاده و آلودگی مرتبط با باتری‌های سربی را کاهش می‌دهد. این راه‌حل مسیر توسعه سبز پایدار برای جوامع جزیره فراهم می‌کند و مزایای اکولوژیکی قابل توجهی دارد.