راه‌حل ترکیبی باد-آفتاب برای جزایر دورافتاده
چکیده
این پیشنهاد یک راه‌حل انرژی یکپارچه نوآورانه را ارائه می‌دهد که به طور عمیق توان بادی، تولید برق فتوولتائیک، ذخیره‌سازی هیدرو پمپ و تکنولوژی‌های تصفیه آب دریا را ترکیب می‌کند. این راه‌حل هدف دارد به طور سیستماتیک چالش‌های اصلی موجود در جزایر دورافتاده، از جمله پوشش شبکه برق مشکل‌بار، هزینه‌های بالای تولید برق با گازروی، محدودیت‌های ذخیره‌سازی با باتری‌های سنتی و کمبود منابع آب شیرین را برطرف کند. این راه‌حل هماهنگی و خودکفایی را در "تامین برق - ذخیره‌سازی انرژی - تأمین آب" ایجاد می‌کند و یک مسیر تکنولوژیکی قابل اعتماد، اقتصادی و سبز برای توسعه پایدار جزایر ارائه می‌دهد.
۱. زمینه فنی و چالش‌های پس‌زمینه
- زمینه فنی
این راه‌حل یک تکنولوژی چند رشته‌ای و جامع است که عمدتاً شامل موارد زیر است:
- تولید انرژی تجدیدپذیر: توان بادی و تولید برق فتوولتائیک.
- ذخیره‌سازی انرژی فیزیکی در مقیاس بزرگ: تکنولوژی ذخیره‌سازی هیدرو پمپ.
- استفاده جامع از منابع آب: تکنولوژی تصفیه آب دریا با روش روبازی.
- کنترل هوشمندانه و مؤثر: کنترل همکاری چند انرژی و مدیریت انرژی.
- چالش‌های پس‌زمینه
- دیلم تأمین انرژی: جزایر دورافتاده از شبکه‌های اصلی برق فاصله دارند و معمولاً به ژنراتورهای گازروی با هزینه بالا متکی هستند. این وابستگی به نوسانات قیمت نفت بین‌المللی و دشواری‌های حمل سوخت منجر به قیمت‌های برق بالا و تأمین ناپایدار می‌شود که به طور جدی توسعه اقتصادی محلی و کیفیت زندگی ساکنان را محدود می‌کند.
- محدودیت‌های ذخیره‌سازی سنتی: سیستم‌های تکمیلی باد-فتوولتائیک سنتی فقط روی ذخیره‌سازی با باتری تکیه دارند که با چهار محدودیت اصلی مواجه است: عمر کوتاه (نیاز به جایگزینی مکرر)، هزینه بالا، خطر آلودگی محیط زیست و ظرفیت ذخیره‌سازی محدود. این محدودیت‌ها تأمین انرژی در مقیاس بزرگ و پایدار برای جزایر را دشوار می‌کنند.
- تناقض تقاضای منابع: جزایر با کمبود منابع آب شیرین مواجه هستند. تأمین آب روزانه به حمل و نقل خارجی یا واحدهای تصفیه آب دریا با مصرف انرژی بالا واقعی است که هر دو به شدت هزینه‌بر هستند. سیستم‌های تولید برق موجود و تأسیسات تولید آب شیرین به طور جداگانه عمل می‌کنند و نمی‌توانند از همکاری انرژی و منابع بهره‌مند شوند.
۲. راه‌حل فنی اصلی و ترکیب سیستم
این سیستم از سه ماژول اصلی تشکیل شده است که از طریق یک کنترلر هوشمند به صورت هماهنگ تنظیم می‌شوند.
|
ماژول سیستم |
اجزاء |
عملکرد اصلی |
|
ماژول تکمیلی باد-فتوولتائیک پایه |
توربین‌های بادی، آرایه‌های فتوولتائیک، کنترلر، باتری‌های کوچک ظرفیت |
۱. تبدیل انرژی: تبدیل انرژی باد و خورشیدی به برق. |
|
واحد تولید برق ذخیره‌سازی هیدرو پمپ |
مخزن پایین (می‌تواند از دریا استفاده کند)، مخزن بالا (ساخته شده)، لوله‌های اتصال، پمپ-توربین قابل معکوس |
۱. هسته دو حالت: |
|
واحد تصفیه آب دریا |
مخزن ورودی، پمپ تغذیه، فیلتر چند رسانه‌ای، فیلتر کارتریج، پمپ فشار بالا، ماژول‌های غشاء روبازی، مخزن آب محصول |
۱. پاکسازی عمیق: فیلترهای چند مرحله‌ای ذرات معلق و آلاینده‌های آب دریا را حذف می‌کنند. |
۳. اصول عملکرد سیستم (سه فرآیند اصلی)
- منطق توزیع و کنترل هوشمند برق (کنترل شده توسط کنترلر)
هسته سیستم کنترلر هوشمند است که به طور مداوم "تولید کل برق باد-فتوولتائیک" را با "تقاضای کل بار (مصرف ساکنان + مصرف واحد تصفیه آب دریا)" مقایسه می‌کند:
- سناریو ۱: تولید ≥ تقاضای بار
- اولویت به شارژ کردن باتری‌های کوچک ظرفیت داده می‌شود تا شارژ آن‌ها تکمیل شود.
- پس از اتمام شارژ باتری‌ها، واحد ذخیره‌سازی هیدرو پمپ به طور خودکار در حالت پمپ فعال می‌شود و برق اضافی را به انرژی پتانسیل تبدیل می‌کند.
- اگر برق اضافی باقی مانده باشد، واحد تصفیه آب دریا با اولویت کامل عمل می‌کند و برق اضافی را به منابع آب شیرین با ارزش تبدیل می‌کند.
- سناریو ۲: تولید < تقاضای بار
- واحد ذخیره‌سازی هیدرو پمپ به طور خودکار در حالت توربین فعال می‌شود و برق هیدرویی تولید می‌کند.
- در همان زمان، باتری‌ها برای مدیریت نوسانات لحظه‌ای بار تخلیه می‌شوند و با همکاری با هم کمبود تولید برق را پوشش می‌دهند و تأمین برق مداوم را تضمین می‌کنند.
- فرآیند عملکرد ذخیره‌سازی هیدرو پمپ
- مرحله ذخیره‌سازی انرژی (بار کم / تولید تجدیدپذیر بالا): از انرژی باد/فتوولتائیک اضافی با هزینه کم یا بدون هزینه برای پمپ کردن آب دریا از مخزن پایین (مثلاً سطح دریا) به مخزن بالا استفاده می‌کند. این عملکرد به ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ و طولانی‌مدت بدون اتلاف منجر می‌شود.
- مرحله آزادسازی انرژی (بار اوج / بدون باد یا خورشید): از تفاوت ارتفاع برای آزادسازی آب استفاده می‌کند که به پایین می‌رود و پمپ-توربین قابل معکوس را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. این فرآیند سریعاً شروع می‌شود و پاسخ سریعی دارد و به طور موثر تصادفی بودن و عدم پیوستگی تولید انرژی تجدیدپذیر را هموار می‌کند.
- فرآیند هماهنگ تصفیه آب دریا
آب دریا وارد می‌شود و به ترتیب از طریق فیلتر چند رسانه‌ای (حذف ذرات بزرگ) و فیلتر کارتریج (فیلتری دقیق) عبور می‌کند. سپس توسط پمپ فشار بالا تحت فشار قرار گرفته و به ماژول‌های غشاء روبازی فرستاده می‌شود تا آب شیرین تولید شود که در مخزن آب محصول ذخیره می‌شود. این فرآیند کامل توسط برق سیستم محرک می‌شود. به عنوان یک بار قابل قطع، قابل تنظیم و با کیفیت بالا، این واحد به طور کامل مفهوم هماهنگ "تولید آب با برق، استفاده از تولید آب برای ذخیره‌سازی ضمنی" را محقق می‌کند.
۴. مزایای راه‌حل
- به حداکثر رساندن استفاده از منابع: به طور کامل از منابع باد و خورشیدی فراوان جزیره استفاده می‌کند و به طور کامل یا به طور قابل توجهی وابستگی به گازروی وارداتی را کاهش می‌دهد، هزینه‌های انرژی را در منبع کاهش می‌دهد و خودکفایی انرژی را محقق می‌کند.
- بهینه‌سازی انقلابی راه‌حل ذخیره‌سازی: مدل ذخیره‌سازی ترکیبی "ذخیره‌سازی هیدرو پمپ به عنوان اصلی + باتری‌های کوچک ظرفیت به عنوان کمکی" به طور اساسی چهار محدودیت اصلی باتری‌های سنتی را غلبه می‌کند. این مدل مزایای مطلقی از جمله ظرفیت ذخیره‌سازی عظیم، عمر طولانی (دهه‌ها)، دوستدار محیط زیست و هزینه کلی کم را ارائه می‌دهد.
- افزایش قابل توجه پایداری و قابلیت اطمینان تأمین برق سیستم: ذخیره‌سازی هیدرو پمپ می‌تواند به تغییرات بار سریعاً پاسخ دهد و توانایی‌های قوی حذف اوج و تنظیم فرکانس را ارائه می‌دهد. با ترکیب با باتری‌هایی که نوسانات لحظه‌ای را مدیریت می‌کنند، این سیستم به شبکه جزیره پایداری و کیفیت برق مشابه شبکه‌های سنتی می‌دهد.
- همزمان حل چندین نیاز و کشتن چند پرنده با یک تیر: به طور نوآورانه واحد تصفیه آب دریا را به عنوان بار سیستم تلفیق می‌کند و به طور همزمان دو چالش اصلی بقا و توسعه "کمبود برق" و "کمبود آب" را در جزایر حل می‌کند. این راه‌حل یک درجه بالا از یکپارچگی در "تولید برق - ذخیره‌سازی انرژی - تولید آب شیرین" را ارائه می‌دهد و مزایای جامع قابل توجهی را به ارمغان می‌آورد.
- مزایای برجسته محیطی و سبز کم‌کربن: کل فرآیند بر اساس انرژی‌های تجدیدپذیر است و به صورت کربنی صفر است. این راه‌حل به طور قابل توجهی استفاده از باتری‌های سربی و آلودگی مرتبط با آن‌ها را کاهش می‌دهد. این راه‌حل مسیر توسعه سبز پایداری برای جوامع جزیره ارائه می‌دهد و مزایای اکولوژیکی قابل توجهی را به ارمغان می‌آورد.
