การออกแบบระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลด้วยพลังงานแสงอาทิตย์: การคำนวณขนาดและการกำหนดค่าแผงโซลาร์เซลล์

ระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบที่ออกแบบมาสำหรับเกาะ ชายฝั่งห่างไกล หรือพื้นที่ที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ ล้วนเผชิญกับความท้าทายร่วมกันคือ: หน่วยเซลล์แสงอาทิตย์ควรมีขนาดใหญ่แค่ไหน? และควรจัดวางอย่างไร?

ระบบรีเวิร์สออสโมซิสต้องการแหล่งจ่ายไฟที่ต่อเนื่องและเสถียร ในขณะที่พลังงานแสงอาทิตย์มักเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่เสถียร หากไม่มีการออกแบบที่เหมาะสม มักจะนำไปสู่การลงทุนที่สูญเปล่าและการขาดแคลนน้ำ กล่าวโดยง่ายคือ การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์มากเกินไปจะทำให้งบประมาณบานปลาย ในขณะที่การติดตั้งน้อยเกินไปจะทำให้ปริมาณน้ำไม่เพียงพอ.

หลักการทำงานพื้นฐานของระบบคืออะไร?

ในการออกแบบระบบ RO พลังงานแสงอาทิตย์ คุณต้องเข้าใจหลักการทำงานพื้นฐานของมันก่อน ซึ่งมีบทบาทสำคัญเพียงสองอย่าง ได้แก่ โหลด RO และพลังงานแสงอาทิตย์ขาเข้า.

ย้ำอีกครั้งว่า RO เป็นโหลดต่อเนื่องทั่วไป เมื่อเริ่มแล้ว ระบบนี้ โรงงานแยกเกลือออกจากน้ำทะเล โดยทั่วไปแล้วจะต้องทำงานอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง นอกจากนี้ อัตราการไหลและความดันต้องคงที่ เนื่องจากไม่มีใครต้องการให้การเริ่มต้นและหยุดทำงานบ่อยครั้งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการผลิตน้ำ และไม่มีใครต้องการให้โมดูลเมมเบรนเสียหายและเพิ่มต้นทุนในการเปลี่ยนและบำรุงรักษา.

การรับพลังงานแสงอาทิตย์นั้นตรงกันข้ามอย่างสิ้นเชิง กำลังไฟฟ้าขาออกของแผงโซลาร์เซลล์เปลี่ยนแปลงแบบเรียลไทม์ตามความเข้มของแสงแดด หากมีเมฆลอยผ่าน กำลังไฟฟ้าขาออกอาจลดลงมากกว่า 301 กิโลจูลภายในไม่กี่วินาที การแก้ไขปัญหาความไม่สมดุลระหว่างอุปสงค์และอุปทานนี้เป็นหัวใจสำคัญของการคำนวณกำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์และการออกแบบระบบ.

วิธีคำนวณขนาดแผงโซลาร์เซลล์สำหรับระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล?

เราสามารถลดทอนการคำนวณให้ง่ายขึ้นโดยใช้แบบจำลองทีละขั้นตอนแบบง่ายๆ ได้.

ขั้นตอนที่ 1: คำนวณปริมาณการใช้น้ำต่อวัน (m³/d)

คำนวณว่าระบบของคุณต้องการผลิตน้ำจืดกี่ลูกบาศก์เมตรต่อวัน ตัวอย่างเช่น สมมติว่าโครงการบนเกาะแห่งหนึ่งต้องการผลิตน้ำ 10 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน.

ขั้นตอนที่ 2: คำนวณปริมาณการใช้ไฟฟ้าต่อวัน (กิโลวัตต์ชั่วโมง/วัน)

โดยทั่วไปแล้ว ระบบการทำน้ำร้อนแบบ SWRO ใช้พลังงานประมาณ 3-6 kWh/m³ ซึ่งได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น คุณภาพน้ำ อุณหภูมิ และอัตราการฟื้นตัว การกำหนดค่าประมาณอย่างระมัดระวังคือ 4.5 kWh/m³ สูตรคำนวณนั้นง่ายมาก: 

ปริมาณการใช้พลังงานต่อวัน (กิโลวัตต์ชั่วโมง/วัน) = ปริมาณการผลิตน้ำต่อวัน (ลูกบาศก์เมตร/วัน) x ปริมาณการใช้พลังงานต่อหน่วย (กิโลวัตต์ชั่วโมง/ลูกบาศก์เมตร)

โดยอิงตามสมมติฐานข้างต้น: 

10 m³/วัน x 4.5 kWh/m³ = 45 kWh/วัน

ค่า 45 kWh ที่คำนวณได้ คือปริมาณการใช้พลังงานรายวันของระบบ RO โดยไม่คำนึงถึงการสูญเสียในระบบ.

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณย้อนกลับหาความจุติดตั้งของแผงโซลาร์เซลล์ (kWp)

เนื่องจากแผงโซลาร์เซลล์ไม่ได้ทำงานที่กำลังไฟพิกัดเสมอไป เราจึงจำเป็นต้องนำพารามิเตอร์เข้ามาใช้ นั่นคือ ชั่วโมงพลังงานแสงอาทิตย์สูงสุด (PSH) PSH แตกต่างกันอย่างมากในแต่ละภูมิภาค ในพื้นที่ส่วนใหญ่ของเอเชียตะวันออกเฉียงใต้และแอฟริกา จะใช้เวลาประมาณ 4-5 ชั่วโมง ในขณะที่บางส่วนของยุโรปอาจใช้เวลาเพียง 3-3.5 ชั่วโมง สูตรการคำนวณคือ: 

กำลังการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ (kWp) = ปริมาณการใช้พลังงานรายวัน (kWh/d) / PSH / ประสิทธิภาพของระบบ

โดยทั่วไป ประสิทธิภาพของระบบจะอยู่ที่ 0.7-0.85 ซึ่งรวมถึงการสูญเสียในอินเวอร์เตอร์ การสูญเสียในสายส่ง และปัจจัยอื่นๆ แต่จะใช้ค่าที่อนุรักษ์นิยมที่ 0.75 จากสมมติฐานข้างต้น ข้อมูลที่ได้คือ: 

45kWh/วัน/4.5ชม./0.75 = 13.3kWp

กล่าวอีกนัยหนึ่ง โครงการที่ผลิตน้ำได้ 10 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน จะต้องใช้แผงโซลาร์เซลล์ประมาณ 13-14 กิโลวัตต์พี (kWp).

ฉันต้องใช้แบตเตอรี่เมื่อไหร่?

แบตเตอรี่มักเป็นส่วนประกอบที่แพงที่สุดและซับซ้อนที่สุดในโครงการผลิตน้ำจืดจากพลังงานแสงอาทิตย์ การพิจารณาว่าระบบของคุณจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสามประการ ได้แก่ โหลดของระบบรีเวอร์สออสโมซิส (RO), สัดส่วนพลังงานแสงอาทิตย์ และข้อกำหนดด้านความเสถียรของแหล่งน้ำ.

หากช่วงเวลาการใช้น้ำและการผลิตน้ำส่วนใหญ่ทับซ้อนกัน แบตเตอรี่ลิเธียมขนาดเล็กก็เพียงพอที่จะช่วยลดความผันผวนของกระแสไฟฟ้าและป้องกันปั๊ม RO จากการเริ่มและหยุดทำงานบ่อยครั้งเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแสงแดดอย่างฉับพลัน สถานการณ์ที่ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ ได้แก่ การใช้น้ำน้อยมาก ความต้องการใช้น้ำเฉพาะในเวลากลางวัน และมีแหล่งพลังงานสำรองอื่นๆ.

เมื่อโครงการใดต้องการการผลิตน้ำอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์ โดยไม่คำนึงถึงสภาพอากาศ จำเป็นต้องพิจารณาการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานอุตสาหกรรมหรือเชิงพาณิชย์ที่ต้องการการทำงานตลอดเวลา.

ตัวอย่างกรณีศึกษา

กรณีที่ 1: เกาะไคซาน ประเทศจีน – ระบบจ่ายน้ำฉุกเฉินแบบตู้คอนเทนเนอร์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์

• การวิเคราะห์ข้อมูลพื้นฐานและความต้องการ

เกาะไคซานเป็นเกาะแนวปะการังหินนอกชายฝั่งทั่วไปที่ไม่มีแหล่งน้ำจืด เนื่องจากไม่สามารถขุดบ่อน้ำบนเกาะที่เป็นหินแข็งได้ วิธีดั้งเดิมจึงต้องขนส่งน้ำทางเรือ ซึ่งมีค่าใช้จ่ายในการขนส่งสูงถึง 10 หยวนต่อตัน เพื่อตอบสนองความต้องการของผู้อยู่อาศัยบนเกาะ จึงจำเป็นต้องมีโครงการหนึ่งขึ้นมา โรงงานผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลพลังงานแสงอาทิตย์แบบบรรจุในตู้คอนเทนเนอร์ ได้รับการคัดเลือก โดยมีปริมาณการผลิตน้ำต่อวันอยู่ที่ 10 m³/d.

• การคำนวณการใช้พลังงานของระบบ

การใช้ประสิทธิภาพสูง เมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิส, การใช้พลังงานต่อหน่วยของน้ำที่ผลิตได้นั้นอยู่ที่ประมาณ 3.5–4.5 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ลูกบาศก์เมตร หากใช้ค่ากลางที่ 4 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ลูกบาศก์เมตร การใช้พลังงานต่อวันของระบบผลิตน้ำบริสุทธิ์จากน้ำทะเลจะเป็นดังนี้:

10m³×4kWh/m³=40kWh/d

เมื่อพิจารณาถึงความสึกหรอของเรดาร์ ที่พักอาศัย และระบบต่างๆ บนเกาะแล้ว ความต้องการใช้พลังงานโดยรวมนั้นสูงกว่าปริมาณพลังงานที่ใช้ในการผลิตน้ำจืดมาก ระบบนี้จึงติดตั้งแบตเตอรี่เก็บพลังงานความเร็วสูงขนาด 660 กิโลวัตต์ชั่วโมง.

หากมีการจ่ายน้ำจืดเพียงอย่างเดียว (40 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อวัน) ระบบกักเก็บพลังงานนี้สามารถรองรับปริมาณฝนตกหนักติดต่อกันได้นานกว่า 16 วันในทางทฤษฎี แม้จะพิจารณาปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั้งหมดของเกาะ (สมมติว่า 150 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อวัน) ก็ยังสามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอต่อการดำรงชีพประมาณ 4.4 วัน ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงจากการพึ่งพาสภาพอากาศในการจัดหาน้ำได้อย่างมาก.

• กำลังการผลิตติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์และอัตราส่วนกำลังการผลิต

ด้วยระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 110 กิโลวัตต์พี (kWp) ที่มีประสิทธิภาพโดยรวม 0.8 และอิงตามระยะเวลาแสงแดดสูงสุดเฉลี่ยในพื้นที่ที่ 3.5 ชั่วโมง:

110kW×3.5h×0.8≈308kWh/d

การผลิตพลังงานนี้มีปริมาณประมาณ 7.7 เท่าของการใช้พลังงานจริงในการผลิตน้ำจืด ช่วยให้สามารถเติมถังเก็บพลังงานได้อย่างรวดเร็วแม้ในช่วงฤดูที่มีแสงแดดน้อย และควบคุมโดยตัวควบคุมไมโครกริดเพื่อลดผลกระทบต่อโครงข่ายไฟฟ้าเมื่อ... ปั๊มแรงดันสูง เริ่มต้น.

กรณีที่ 2: หมู่เกาะกิลิ ประเทศอินโดนีเซีย – โครงการพลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ และระบบกักเก็บพลังงานแบบบูรณาการขนาดใหญ่

• การวิเคราะห์ข้อมูลพื้นฐานและความต้องการ

หมู่เกาะกิลิเป็นหมู่เกาะที่อยู่นอกระบบโครงข่ายไฟฟ้าหลัก ให้บริการประชากรประมาณ 3,000 คน รวมทั้งผู้อยู่อาศัยถาวรและนักท่องเที่ยว ตามมาตรฐานการท่องเที่ยวในหมู่เกาะเขตร้อน ปริมาณการใช้น้ำเฉลี่ยต่อวันต่อคนอยู่ที่ประมาณ 160 ลิตร ปริมาณการผลิตน้ำทั้งหมด: 

3000 คน × 0.16 ลบ.ม./คน = 480 ลบ.ม./วัน

ซึ่งสอดคล้องกับกำลังการผลิตน้ำจริงของโครงการอย่างใกล้เคียง.

• การคำนวณโครงสร้างพลังงานและสมดุล

ระบบผลิตไฟฟ้าแบบไฮบริดนอกระบบโครงข่ายไฟฟ้าแบบบูรณาการพลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ และระบบกักเก็บพลังงาน ขนาด 720 กิโลวัตต์พี (kWp) พร้อมอุปกรณ์ RO ระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ การใช้พลังงานทั้งหมดสำหรับการผลิตน้ำได้รับการปรับให้เหมาะสมที่ประมาณ 3.8 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร (kWh/m³) และภาระการผลิตน้ำจืดคือ:

480m³/d × 3.8kWh/m³ ≈ 1824kWh/d

อินโดนีเซียตั้งอยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร โดยมีระยะเวลาแสงแดดสูงสุดเฉลี่ยประมาณ 4.5–5 ชั่วโมง ปริมาณการผลิตไฟฟ้าต่อวันตามทฤษฎี:

720kWp×4.5h×0.85=2754kWh/d

มีปริมาณสำรองประมาณ 930 กิโลวัตต์ชั่วโมงระหว่างกำลังการผลิตไฟฟ้าและภาระการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล.

แทนที่จะขยายกำลังการผลิตแบตเตอรี่อย่างไม่เลือกวิธี โครงการนี้ได้นำกลยุทธ์ "ใช้น้ำแทนไฟฟ้า" มาใช้ โดยเดินระบบผลิตน้ำจืดให้เต็มกำลังในเวลากลางวันที่มีแสงแดดเพียงพอ และเก็บน้ำจืดไว้ในถังขนาดใหญ่ ในเวลากลางคืน จะมีการจ่ายน้ำในปริมาณพื้นฐานเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดการพึ่งพาแบตเตอรี่ลงได้ประมาณ 201,000-301,000 ตัน.

ข้อผิดพลาดมักเกิดขึ้นที่จุดใดมากที่สุด?

แม้จะมีความเข้าใจในวิธีการคำนวณขั้นพื้นฐานแล้วก็ตาม ข้อผิดพลาดในการออกแบบก็ยังคงเกิดขึ้นบ่อยครั้งในโครงการจริง.

ข้อผิดพลาดที่ 1: การเลือกขนาด PV ที่ใหญ่เกินไปเทียบกับการเลือกขนาดที่เล็กเกินไป

นี่เป็นปัญหาที่พบได้บ่อยที่สุด และยังเป็นปัญหาที่ยากที่สุดที่จะหาจุดสมดุลที่เหมาะสม การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กเกินไปจะทำให้ได้พลังงานไม่เพียงพอ ในขณะที่การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่เกินไปก็เป็นการสิ้นเปลืองเงินโดยเปล่าประโยชน์. 

ในกรณีนี้ ควรปรับเปลี่ยนตามประสิทธิภาพของระบบ PSHand ในพื้นที่นั้นๆ นอกจากนี้ หากพื้นที่โครงการมีฝนตกติดต่อกันบ่อยครั้ง ควรให้ความสำคัญกับการเพิ่มความจุของแบตเตอรี่.

ข้อผิดพลาดที่ 2: การละเลยภาระสูงสุด

กระแสไฟฟ้าขณะเกิดเหตุการณ์ของระบบ RO โดยทั่วไปจะสูงกว่ากระแสไฟฟ้าที่กำหนดไว้ 3-5 เท่า การไม่คำนึงถึงการทำงานในช่วงโหลดสูงสุดจะทำให้ตัวแปลงกระแสไฟฟ้าตัดการทำงานและระบบหยุดทำงาน นอกจากนี้ยังจะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างฉับพลัน ส่งผลต่อแรงดันใช้งานของเมมเบรนและทำให้ได้น้ำที่ไม่ได้มาตรฐาน. 

ในการออกแบบและเลือกใช้ระบบขับเคลื่อนตรงด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ ควรเผื่อระยะไว้ 3-5 เท่า หรืออาจพิจารณาเพิ่มตัวเก็บประจุบัฟเฟอร์ขนาดเล็กไว้ที่ด้านกระแสตรง.

ข้อผิดพลาดที่ 3: การสันนิษฐานเกี่ยวกับแบตเตอรี่ผิด

ไม่ใช่ทุกโครงการที่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ความจุสูง การระมัดระวังมากเกินไปจะยิ่งเพิ่มต้นทุนและภาระในการบำรุงรักษา และเราไม่ควรคิดว่าแสงแดดที่ดีหมายความว่าไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ การมองโลกในแง่ดีเกินไปจะมองข้ามความน่าเชื่อถือของระบบและพึ่งพาแต่สภาพอากาศเพียงอย่างเดียว. 

แนวทางที่สมเหตุสมผล ดังที่กล่าวมาข้างต้น คือการประเมินความต้องการแบตเตอรี่โดยพิจารณาจากสถานการณ์เฉพาะของโครงการ.

บทสรุป

หัวใจสำคัญของการออกแบบระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์นั้นอยู่ที่การคำนวณระบบ PV อย่างถูกต้องและการเลือกแบตเตอรี่ที่เหมาะสม โดยสามารถประเมินเบื้องต้นได้จากปริมาณน้ำไปจนถึงกำลังการผลิตสูงสุดเป็นกิโลวัตต์โดยใช้วิธีการสามขั้นตอนที่กล่าวถึงในบทความนี้.

NEWater คือผู้เชี่ยวชาญด้านระบบผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลที่คุณวางใจได้ หากคุณกำลังวางแผนโครงการบนเกาะห่างไกลหรือตามแนวชายฝั่ง และไม่แน่ใจเกี่ยวกับการกำหนดค่าระบบพลังงานแสงอาทิตย์ โปรดติดต่อเราพร้อมข้อมูลโครงการของคุณ เพื่อให้เราได้รับโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับคุณ.