การออกแบบระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบผสมผสานพลังงานลมและแสงอาทิตย์ สำหรับการจัดหาน้ำนอกระบบสายส่ง

ไม่มีไฟฟ้าจากโครงข่าย? น้ำมันดีเซลแพงเกินไปหรือเปล่า? กังวลเกี่ยวกับการใช้งานในเวลากลางคืนและในวันที่ฟ้าครึ้มหรือไม่? บทความนี้จะช่วยคุณพิจารณาหาทางออกที่เหมาะสมที่สุด รวมถึงหลักการออกแบบระบบ ต้นทุน และระยะเวลาคืนทุน.

เหตุใดจึงควรใช้ระบบไฮบริดพลังงานลม-แสงอาทิตย์ในการผลิตน้ำจืด?

สำหรับโครงการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบไม่พึ่งพาโครงข่ายไฟฟ้าหลัก ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดไม่ได้อยู่ที่กระบวนการผลิตน้ำจืดเอง แต่เป็นเรื่องการหาแหล่งไฟฟ้ามาใช้ต่างหาก.

วิธีแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมคือการใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล แต่ค่าขนส่งดีเซลสูง และราคาก็ผันผวนมากในพื้นที่ห่างไกล ดังนั้นหลายคนจึงหันมาพิจารณาใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) นั้นพัฒนาแล้ว และราคาก็ลดลงทุกปี ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีมาก แต่ถ้าหากไม่มีแสงแดดในเวลากลางคืนหรือในวันที่เมฆมากล่ะ?

ด้วยเหตุนี้ ระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบไฮบริดที่ใช้พลังงานลมและแสงอาทิตย์จึงมีความจำเป็น ระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบไฮบริดทั่วไปจะผสานรวมการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเข้าด้วยกัน เมื่อรวมกับการจัดเก็บพลังงานแล้ว จะสามารถจัดหาน้ำประปาได้ตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์ แม้ในกรณีที่ไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าหลัก.

สำหรับเกาะ พื้นที่ชายฝั่ง และชุมชนห่างไกล ซึ่งเป็นภูมิภาคที่ไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าหรือมีโครงข่ายไฟฟ้าที่ไม่น่าเชื่อถือ ระบบผลิตไฟฟ้าแบบผสมผสานระหว่างลมและแสงอาทิตย์เป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลในปัจจุบัน.

ควรผสมผสานพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เมื่อใด?

ไม่ใช่ทุกโครงการที่จำเป็นต้องใช้พลังงานไฮบริดระหว่างลมและแสงอาทิตย์ บางครั้งพลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวก็เพียงพอ ในขณะที่บางครั้งพลังงานลมอาจคุ้มค่ากว่า ทางเลือกที่สำคัญขึ้นอยู่กับสถานการณ์เฉพาะของโครงการของคุณ.

เมื่อเงื่อนไขต่างๆ เช่น แสงแดดดี ความเร็วลมต่ำ การใช้น้ำส่วนใหญ่ในเวลากลางวัน ขนาดที่เหมาะสม และงบประมาณการลงทุนเริ่มต้นที่จำกัด ครบถ้วนสมบูรณ์ พลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวอาจเพียงพอ. 

เมื่อเงื่อนไขต่างๆ เช่น แสงแดดน้อย ความเร็วลมสูง พื้นที่จำกัด และความสามารถในการบำรุงรักษาเครื่องกังหันลมที่พร้อมใช้งานครบถ้วน พลังงานลมเพียงอย่างเดียวอาจเพียงพอ.

ระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นระบบที่แนะนำอย่างยิ่งหากมีเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่งต่อไปนี้:

• ต้องใช้งานในเวลากลางคืน
• ราคาน้ำมันดีเซลสูง
• การพึ่งพาแหล่งทรัพยากรเพียงแหล่งเดียวอย่างไม่มั่นคง.

หลักการออกแบบระบบไฮบริดพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์

หัวใจสำคัญของการออกแบบระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบผสมผสานที่ใช้พลังงานหมุนเวียน คือ การแปลงความต้องการน้ำให้เป็นความต้องการไฟฟ้า แล้วจึงกระจายความต้องการไฟฟ้าไปยังพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม แนวทางโดยรวมประกอบด้วยห้าขั้นตอน.

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดความต้องการพลังงานรายวัน

ขั้นตอนแรกในการออกแบบคือการกำหนดปริมาณน้ำจืดที่โครงการต้องการผลิตในแต่ละวัน ซึ่งจะเป็นพื้นฐานสำหรับการคำนวณในขั้นตอนต่อไป.

ขั้นตอนที่ 2: คำนวณความต้องการพลังงานทั้งหมด

ปัจจุบัน เทคโนโลยีการกลั่นน้ำทะเลแบบรีเวิร์สออสโมซิสมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงที่สุด โดยใช้พลังงานประมาณ 2.9 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร เมื่อพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ปริมาณน้ำที่ใช้ การบำบัดเบื้องต้น และ... ปั๊มแรงดันสูง, โดยทั่วไปแล้ว ช่วงค่าประมาณในการออกแบบทางวิศวกรรมจะอยู่ที่ 3-5 kWh/m³.

ขั้นตอนที่ 3: การคำนวณส่วนประกอบพลังงานแสงอาทิตย์

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับกำลังการผลิตของแผงโซลาร์เซลล์และจำนวนชั่วโมงแสงแดดสูงสุด สูตรการคำนวณคือ: การผลิตไฟฟ้าต่อวัน = กำลังการผลิตที่ติดตั้ง x จำนวนชั่วโมงแสงแดดสูงสุด x ประสิทธิภาพของระบบ โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพของระบบจะอยู่ที่ 0.75-0.85 เพื่อชดเชยการสูญเสีย.

ขั้นตอนที่ 4: การคำนวณส่วนประกอบของพลังงานลม

การประมาณกำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมนั้นค่อนข้างซับซ้อน เนื่องจากความเร็วลมและการผลิตพลังงานมีความสัมพันธ์แบบกำลังสาม กล่าวคือ การเพิ่มความเร็วลมเป็นสองเท่าจะทำให้การผลิตพลังงานเพิ่มขึ้นแปดเท่า โดยประมาณอย่างคร่าวๆ คือ ภายใต้ความเร็วลมเฉลี่ยต่อปีที่ 6 เมตร/วินาที กังหันลมขนาด 20 กิโลวัตต์จะผลิตพลังงานได้ประมาณ 35,000-45,000 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อปี. 

ในโครงการทางวิศวกรรมจริง การเลือกกังหันลมต้องพิจารณาจากการคำนวณโดยใช้เส้นโค้งการกระจายความเร็วลม (การกระจายแบบไวบูล) ของพื้นที่โครงการ.

ขั้นตอนที่ 5: การคำนวณอัตราส่วนพลังงานไฮบริด

อัตราส่วนพลังงานลมต่อพลังงานแสงอาทิตย์เป็นหัวใจสำคัญของหลักการออกแบบระบบทั้งหมด โดยได้รับการปรับให้เหมาะสมตามตัวแปรต่อไปนี้:

• แหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ในท้องถิ่น: สภาพแสงแดดที่ดีขึ้นช่วยให้สามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้ในสัดส่วนที่สูงขึ้น.
• ทรัพยากรลมในท้องถิ่น: ความเร็วลมที่สูงขึ้นและคงที่มากขึ้นจะช่วยให้สามารถใช้พลังงานลมได้ในสัดส่วนที่สูงขึ้น.
• ต้นทุนการจัดเก็บพลังงาน: แบตเตอรี่ราคาแพงทำให้จำเป็นต้องบูรณาการแหล่งกำเนิดพลังงานหลายแหล่งเพื่อลดความจำเป็นในการจัดเก็บพลังงาน.
• ข้อจำกัดในการใช้ที่ดิน: ในกรณีที่มีพื้นที่จำกัด พลังงานลมจะมีข้อได้เปรียบมากกว่า.
• การใช้น้ำในเวลากลางคืน: การใช้น้ำในเวลากลางคืนที่สูงขึ้น จำเป็นต้องใช้พลังงานลมหรือระบบกักเก็บพลังงานเพิ่มเติม.

จุดเริ่มต้นการออกแบบทั่วไปคือพลังงานแสงอาทิตย์ 601 ตัน³T และพลังงานลม 401 ตัน³T จากนั้นจึงปรับเปลี่ยนตามตัวแปรที่กล่าวมาข้างต้น ในพื้นที่ที่มีความเร็วลมสูง สัดส่วนของพลังงานลมสามารถเพิ่มขึ้นเป็น 50-701 ตัน³T ในทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ สามารถใช้การปรับอัลกอริทึมเพื่อหาอัตราส่วนพลังงานลมต่อพลังงานแสงอาทิตย์ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งมีต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่ำที่สุด (LCOE) ในขณะที่ยังคงตอบสนองความต้องการด้านโหลด และคำนวณจำนวนแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมที่จำเป็นได้.

การกำหนดค่าระบบสำหรับการใช้งานด้านการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล

ระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์แบบครบวงจร ประกอบด้วยหน่วยผลิตไฟฟ้า หน่วยกักเก็บพลังงาน หน่วยควบคุม และหน่วยผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล.

หน่วยผลิตไฟฟ้า

อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำของแผงโซลาร์เซลล์จะถูกกระตุ้นด้วยแสงแดด อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าและเกิดกระแสไฟฟ้า นี่คือวิธีการที่แผงโซลาร์เซลล์แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นกระแสตรง การจัดวางแผงโซลาร์เซลล์นั้นขึ้นอยู่กับสภาพแสงแดดในพื้นที่และปริมาณการใช้น้ำ.

ระบบกังหันลมใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในการแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานกล แล้วจึงแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า การเลือกใช้กังหันลมที่เหมาะสมนั้นต้องพิจารณาจากกราฟแสดงการกระจายความเร็วลมของพื้นที่โครงการเป็นหลัก.

หน่วยเก็บพลังงาน

ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบจะได้รับพลังงานอย่างเสถียรแม้ในสภาวะที่ไม่มีลมและแสงแดด ความจำเป็นในการกักเก็บพลังงานขึ้นอยู่กับสัดส่วนการใช้น้ำในเวลากลางคืนของโครงการและความสมดุลของทรัพยากรลมและแสงอาทิตย์ สำหรับโครงการที่ต้องการการทำงานต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ติดตั้งระบบกักเก็บพลังงาน.

หน่วยควบคุม

ตัวควบคุมไฮบริดทำหน้าที่จัดการการป้อนพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม ป้องกันการชาร์จเกินและการคายประจุมากเกินไปของแบตเตอรี่ ทำหน้าที่เป็นหน่วยควบคุมส่วนกลางสำหรับระบบผลิตพลังงานทั้งหมด.

ระบบจัดการพลังงาน (EMS) จะสลับโหมดการทำงานของระบบอย่างชาญฉลาดโดยพิจารณาจากสภาพอากาศ ความต้องการใช้พลังงาน และสถานะการจัดเก็บพลังงาน เพื่อให้มั่นใจได้ว่าระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลทำงานได้อย่างเสถียร.

หน่วยแยกเกลือออกจากน้ำ

ส่วนประกอบหลักของเครื่องกรองน้ำแบบรีเวิร์สออสโมซิส (RO) ประกอบด้วย ระบบปรับสภาพเบื้องต้น ปั๊มแรงดันสูง และ... เมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิส โมดูล และระบบบำบัดขั้นสุดท้าย ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการแยกน้ำเค็มและน้ำจืดออกจากกัน.

การ อุปกรณ์กู้คืนพลังงาน (ERD) เป็นอุปกรณ์สำคัญในการลดต้นทุนการดำเนินงานการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล ลดการใช้พลังงานของระบบลง 30-501 ตัน/3 ตัน.

โครงสร้างต้นทุนและการวิเคราะห์การลงทุน

การลงทุน (CAPEX)

ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน

การเปรียบเทียบต้นทุนการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

ในพื้นที่ห่างไกลส่วนใหญ่ การผลิตไฟฟ้าแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์มีค่าใช้จ่ายในการลงทุนสูง แต่ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานต่ำมาก ในพื้นที่ที่มีค่าใช้จ่ายในการขนส่งด้วยดีเซลสูง ระยะเวลาคืนทุนจะเร็วขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ตลอดอายุการใช้งาน 20 ปี ต้นทุนรวมของระบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์จะต่ำกว่าระบบดีเซล. 

ตารางด้านล่างนี้เปรียบเทียบต้นทุนของระบบพลังงานไฮบริดลม-แสงอาทิตย์ และระบบพลังงานดีเซล:

ผลตอบแทนจากการลงทุนและระยะเวลาคืนทุน

เมื่อได้ชี้แจงโครงสร้างต้นทุนแล้ว คำถามสำคัญต่อไปคือ ระบบนี้จะใช้เวลานานแค่ไหนในการคืนทุน?

จากผลการศึกษาทางวิชาการและกรณีศึกษาทางวิศวกรรมหลายชิ้น พบว่าระยะเวลาคืนทุนโดยทั่วไปของระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์อยู่ระหว่าง 3 ถึง 7 ปี ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการวิเคราะห์ผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) มีดังนี้:

• ยิ่งราคาน้ำมันดีเซลในภูมิภาคสูงขึ้นเท่าไร ผลประโยชน์จากการเปลี่ยนมาใช้เชื้อเพลิงอื่นก็จะยิ่งมากขึ้น และผลตอบแทนจากการลงทุนก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น.
• ยิ่งปริมาณความต้องการใช้น้ำมากเท่าไร ต้นทุนต่อหน่วยก็จะยิ่งต่ำลง และผลตอบแทนจากการลงทุนก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น.
• ยิ่งอัตราการใช้ระบบสูงเท่าไร ก็ยิ่งทำให้ได้รับผลตอบแทนจากการลงทุนเร็วขึ้นเท่านั้น เมื่อเทียบกับการใช้งานแบบไม่ต่อเนื่อง.
• ยิ่งมีทรัพยากรลม/แสงอาทิตย์มากเท่าไหร่ ก็ยิ่งต้องการอุปกรณ์น้อยลง ต้นทุนการลงทุนต่ำลง และผลตอบแทนจากการลงทุนก็เร็วขึ้นเท่านั้น.

การใช้งานที่ดีที่สุดสำหรับระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลด้วยพลังงานลมและแสงอาทิตย์

บนเกาะตริเนเฟ ซึ่งเป็นเกาะที่ใหญ่ที่สุดในหมู่เกาะคานารีของสเปน การจัดหาน้ำจืดสำหรับนักท่องเที่ยวและผู้อยู่อาศัยกลายเป็นปัญหา ปัญหาหลักคือการใช้พลังงานสูง การพึ่งพาเชื้อเพลิงนำเข้า และระบบไฟฟ้าที่ไม่เชื่อมต่อกับส่วนอื่นๆ. 

อย่างไรก็ตาม ภูมิภาคนี้มีทรัพยากรพลังงานลมที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในหมู่เกาะ และได้มีการนำระบบไฮบริดพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมมาใช้ ทำให้สามารถสร้างโรงผลิตน้ำจืดที่มีกำลังการผลิตสูงสุด 20,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวันได้.

ชาวบ้านบนเกาะแห่งหนึ่งในอินโดนีเซียเผชิญกับปัญหาการขาดแคลนน้ำจืดและไฟฟ้ามานานแล้ว การขนส่งด้วยน้ำมันดีเซลมีราคาแพง และการจัดหาก็ไม่แน่นอน. 

ในที่สุด เกาะแห่งนี้เลือกที่จะสร้างระบบผลิตไฟฟ้าแบบพึ่งพาตนเองที่ผสานพลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ และระบบกักเก็บพลังงาน ขนาด 720 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถผลิตน้ำบริสุทธิ์ได้ 175,000 ตันต่อปี และผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า 1 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อปี.

เพื่อแก้ไขปัญหาการขาดแคลนน้ำที่ทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ โมร็อกโกกำลังส่งเสริมการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลอย่างจริงจัง และกำหนดให้โครงการก่อสร้างใหม่ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดดังกล่าว โรงงานแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ใช้พลังงานสะอาด. 

โครงการอากาดีร์เป็นโครงการต้นแบบในด้านนี้ และเป็นโครงการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแห่งแรกของแอฟริกาที่ใช้พลังงานลมและแสงอาทิตย์โดยตรง หลังจากขยายกำลังการผลิตแล้ว กำลังการผลิตรวมจะสูงถึง 400,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน และแหล่งพลังงานสะอาดจะช่วยลดต้นทุนการผลิตน้ำจืดได้ 15-251 ตัน.

บทสรุป

เมื่อพิจารณาตามหลักการเลือกเทคโนโลยีที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว เราจึงเข้าใจได้ว่าระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นหนึ่งในวิธีการแก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับการจัดหาน้ำจืดให้กับพื้นที่ที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเป็นพลังงานที่เสริมกันโดยธรรมชาติ และเมื่อรวมกับระบบจัดเก็บพลังงานและระบบกำจัดมลพิษทางไฟฟ้าที่เหมาะสม จะสามารถจัดหาน้ำได้ตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์อย่างเสถียร. 

นอกจากนี้ ต้นทุนโดยรวมยังต่ำกว่าน้ำมันดีเซลอย่างมาก ทำให้เป็นทางเลือกที่ยั่งยืน ควบคุมได้ และปล่อยคาร์บอนต่ำในระยะยาว.