Интегрированное гибридное решение для ветро-солнечной энергии на удаленных островах

Аннотация

Данное предложение представляет собой инновационное интегрированное энергетическое решение, которое глубоко объединяет ветровую энергию, фотоэлектрическую генерацию, накопление энергии с помощью насосно-аккумуляторных станций и технологии опреснения морской воды. Оно направлено на систематическое решение ключевых проблем, с которыми сталкиваются удаленные острова, включая сложности покрытия сетью, высокие затраты на генерацию электроэнергии дизельными генераторами, ограничения традиционных аккумуляторов и дефицит пресной воды. Решение обеспечивает синергию и самообеспечение в "электроснабжении - накоплении энергии - водоснабжении", предоставляя надежный, экономичный и экологически чистый технологический путь для устойчивого развития островов.

I. Техническая область и фоновые проблемы

1. Техническая область

Это решение является междисциплинарной, комплексной технологией, включающей в основном:

• Генерация возобновляемой энергии: ветровая и солнечная фотоэлектрическая генерация.
• Физическое накопление энергии крупного масштаба: технология насосно-аккумуляторных станций.
• Комплексное использование водных ресурсов: технология обратного осмоса для опреснения морской воды.
• Эффективное интеллектуальное управление: кооперативное управление многими видами энергии и управление энергией.
1. Фоновые проблемы
• Проблема энергоснабжения: Удаленные острова находятся далеко от материковых сетей и обычно зависят от дорогостоящих дизельных генераторов. Подверженные колебаниям мировых цен на нефть и трудностям транспортировки топлива, это приводит к высоким ценам на электроэнергию и нестабильному снабжению, что серьезно ограничивает местное экономическое развитие и качество жизни жителей.
• Ограничения традиционного хранения: Традиционные системы, сочетающие ветровую и солнечную энергию, полагаются исключительно на аккумуляторы, которые сталкиваются с четырьмя основными узкими местами: короткий срок службы (необходимость частой замены), высокая стоимость, потенциальные риски загрязнения окружающей среды и ограниченная емкость хранения. Эти ограничения делают трудным поддержание больших и долгосрочных стабильных потребностей в энергии островов.
• Противоречие в потребности ресурсов: Острова страдают от дефицита пресной воды. Ежедневное водоснабжение зависит от внешней транспортировки или малых, высокоэнергоемких установок опреснения, оба варианта крайне дороги. Существующие системы генерации электроэнергии и производства пресной воды работают изолированно, не достигая синергетического использования энергии и ресурсов.

II. Основное техническое решение и состав системы

Система состоит из трех основных модулей, органично координируемых через интеллектуальный контроллер.

III. Принципы работы системы (три основных процесса)

1. Интеллектуальное распределение мощности и логика управления (под руководством контроллера)

Ядром системы является интеллектуальный контроллер, который непрерывно сравнивает "общую генерацию ветро-солнечной энергии" с "общим спросом на нагрузку (потребление жителей + потребление установкой опреснения)":

• Сценарий 1: Генерация ≥ Спрос на нагрузку
• Приоритет отдается зарядке аккумуляторов малой емкости для восполнения их заряда.
• После полной зарядки аккумуляторов автоматически активируется насосно-аккумуляторная станция в насосном режиме, преобразуя избыточную электроэнергию в потенциальную энергию.
• Если избыток мощности остается, установка опреснения морской воды приоритетно работает на полную мощность, преобразуя электроэнергию в ценные пресные водные ресурсы.
• Сценарий 2: Генерация < Спрос на нагрузку
• Автоматически активируется насосно-аккумуляторная станция в турбинном режиме для гидрогенерации.
• Совместно с этим аккумуляторы разряжаются, чтобы справиться с мгновенными пиковыми нагрузками, работая вместе, чтобы покрыть недостаток генерации и обеспечить непрерывное электроснабжение.
1. Процесс работы насосно-аккумуляторной станции
• Фаза накопления энергии (низкая нагрузка / высокая генерация возобновляемой энергии): Используется дешевая или бесплатная избыточная ветро-солнечная энергия для перекачки морской воды из нижнего водоема (например, уровня моря) в верхний водоем. Это обеспечивает крупномасштабное, долгосрочное, безпотерьное хранение энергии.
• Фаза выброса энергии (пиковая нагрузка / отсутствие ветра или солнца): Используется разница высот для выпуска воды, которая течет вниз, вращая обратимую насос-турбину и генерируя электроэнергию. Этот процесс быстро запускается и реагирует, эффективно сглаживая случайность и интермитентность выхода возобновляемой энергии.
2. Синергетический процесс опреснения морской воды

Морская вода забирается и последовательно проходит через многослойный фильтр (удаление крупных частиц) и картриджный фильтр (тонкая фильтрация). Затем она под давлением через насос высокого давления направляется в модули обратноосмотических мембран для производства пресной воды, которая хранится в резервуаре готовой воды. Весь этот процесс приводится в действие электроэнергией системы. Действуя как прерываемая, регулируемая, качественная нагрузка, он идеально реализует синергетическую концепцию "производства воды с помощью электроэнергии, используя производство воды для скрытого хранения."

IV. Преимущества решения

• Максимальное использование ресурсов: Полностью используется обильные ветровые и солнечные ресурсы острова, полностью заменяя или значительно снижая зависимость от импорта дизельного топлива, снижая затраты на энергию на уровне источника и достигая энергетической самодостаточности.
• Революционная оптимизация решения по хранению: Гибридная модель хранения, "насосно-аккумуляторная станция как основная + аккумуляторы малой емкости как вспомогательные", фундаментально преодолевает четыре основных недостатка традиционных аккумуляторов. Она предлагает абсолютные преимущества: огромная емкость хранения, длительный срок службы (десятки лет), экологичность и низкую общую стоимость.
• Значительное повышение стабильности и надежности энергоснабжения системы: Насосно-аккумуляторная станция может быстро реагировать на изменения нагрузки, обеспечивая мощные возможности выравнивания пиков и регулирования частоты. В сочетании с аккумуляторами, которые справляются с мгновенными колебаниями, это обеспечивает стабильность сети и качество электроэнергии, сравнимые с традиционными сетями.
• Синергетическое удовлетворение множества потребностей, решение нескольких задач одновременно: Инновационно интегрирует опреснение морской воды как нагрузку системы, одновременно решая две ключевые проблемы выживания и развития "отсутствие электроэнергии" и "отсутствие воды" на островах. Это обеспечивает высокую степень интеграции в "производство электроэнергии - хранение энергии - производство пресной воды", принося значительные комплексные выгоды.
• Выдающиеся экологические и зеленые низкоуглеродные преимущества: Весь процесс основан на возобновляемой энергии, что приводит к нулевым выбросам углерода. Он значительно сокращает использование и загрязнение, связанное с свинцово-кислотными аккумуляторами. Предоставляет устойчивый зеленый путь развития для островных сообществ, предлагая существенные экологические преимущества.