עיצוב מערכות מיקרוגרידיות עצמאיות לקהילות מרוחקות

הקדמה: The Urgent Need for Reliable Power in Remote Areas

קהילות מרוחקות ברחבי העולם ניצבות בפני אתגר מתמשך: גישה לחשמל אמין, סביר להניח.הרחבת רשתות החשמל הממוקדות למיקומים אלה היא לעתים קרובות יקר או בלתי מעשית מבחינה טכנית בשל שטח מחוספס, צפיפות נמוכה ומרחקים ארוכים ממקורות דור. כתוצאה מכך, כפרים מרוחקים רבים מסתמכים על גנרטורים יקרים וממזהמים, אשר נוטים לדלק שיבושים ותחזוקה של אנרגיה זו, ומגבלות כלכליות, כדי להפחית את איכות חיים ומגבלות בריאות, וצמצום.

פתרון מוכח לדיגמה זו הוא פריסת מערכות מיקרוגררידיות גמישות. A microgrid היא רשת אנרגיה מקומית המיוצרת שיכולה לפעול באופן עצמאי (מצב ארץ) או בשיתוף עם רשת גדולה יותר.כאשר מיועדת לחוסנות, מיקרוגריד יכול לעמוד באסונות טבע, תקלות בציוד, ועידוד קיימות תוך אספקת עומסים קריטיים.

הבנת מערכות מיקרוגרריד: עמוק

לפני חקר עמידות, חיוני להבין את רכיבי הליבה ואת מצבי התפעולי של מיקרוגריד. מיקרוגרידי טיפוסי משלב כמה אלמנטים מרכזיים:

• מקורות:0 מקורות גלנרציה: FLT:1 כוללים מקורות מתחדשים כגון פאנלים פוטו-וולטאיים סולאריים (PV), טורבינות רוח, הידרו-סול בקנה מידה קטן, וביומסה, כמו גם גנרטורים קונבנציונליים באמצעות דיזל, גז טבעי או propane.תערובת תלויה בזמינות משאבים מקומית.
• (FLT:0)Energy Storage Systems (ESS): ההרחבה 1 (Lithium-ion, זרימה, או מוביל-acid) הם הנפוצים ביותר, אך מוחזרים הידרו, אוויר דחוס או גלגלי זבוב משמשים גם.
• (FLT:0Microgrid Controller: FLT:1 מערכת בקרה מתוחכמת מנהלת זרימת חשמל, מתגים בין מצבי רשת המחוברים לאי, שולח דור, ומבטיח יציבות.
• (ב) ,0) ,0.D.stribution Networkir: 1FLT:1 קווי הכוח המקומיים, ההופכים וציוד הגנה המספק חשמל למשתמשי הקצה.
• (ב) [ה]: [ה]: [ה]: [הבית], בתי הספר, בתי הספר, המרפאות והבריאות, ומתקני הקהילה שצורכים כוח.

מיקרוגורים יכולים להיות AC, DC, או היברידית. AC מיקרוגרידים קלים יותר להתחבר לרשתות קיימות, בעוד מערכות DC פשוטות יותר לשילוב סוללות ו- PV סולארי. מיקרוגרואידים מרוחקים רבים משתמשים בארכיטקטורה היברידית AC/DC ליעילות.היכולת לאי במכוון מהרשת הראשית היא תכונה מוגדרת: כאשר הרשת נכשלת, הניתוקים המיקרוגרפיים בצורה חלקה וממשיך לספק כוח מקומי.

אתגרים האנרגיה הייחודיים של קהילות מרוחקות

תכנון מיקרוגריד נוח עבור מיקום מרוחק דורש התייחסות לאתגרים שונים באופן משמעותי מפרויקטים עירוניים או פרברים.

• (FLT:0) קשיים לוגיסטיים: FLT:1 ציוד תחבורה, סוללות, דלק לאזורים מרוחקים (איסלנד, אזורים הרריים, כפריים הארקטיים) יקר וזמניים.
• (FLT:0) תנאי הסביבה הארוכים: 1FLT:1 הצטננות, חום, לחות, תרסיס מלח ורוח גבוהה יכולים לפגום בציוד.מערכות חייבות להיות מחוספסות, ואת המתחם חייב להיות עמיד בפני מזג אוויר.
• קהילות מרוחקות (FLT:0) ,ליבריות טכניות מורשות: 1.10.000 קהילות מרוחקות לעיתים קרובות חסרות טכנאים מיומנים לתחזוקה.עיצובים חייבים לאשר פשטות, ניטור מרחוק, ויכולת לתקן על ידי אנשי סגל מקומיים עם הכשרה מינימלית.
• (FLT:0) משאבים מתחדשים: FLT:1 השמש והרוח הם משתנים; בקווי הרוח גבוהים, פלט סולארי עשוי להיות מינימלי בחורף. Sizing אחסון ודור גיבוי דורש ניתוח זהיר של תבניות משאבים וביקוש.
• (FLT:0) Capital Costssure: 1FLT למרות מחירי הרכיב נופלים, ההשקעה העליונה עבור מיקרו-צמחים נותרה משמעותית.מימון לעתים קרובות דורש מענקים, שותפויות ציבוריות, או שיתופי פעולה קהילתיים.

עיצוב גמיש חייב לצפות ולצמצם את כל הגורמים הללו, על מנת להבטיח שהמערכת תישאר מבצעית גם תחת עמידות.

עקרונות ליבה של חוסן במיקרוגרואידים

המאמר המקורי פרסם ארבעה עקרונות: כאן אנו מרחיבים כל אחד עם שיקולים מעשיים.

Redundancy

Redundancy פירושה שיש מספר מקורות דור ונתיבים לאספקת חשמל.לדוגמה, מיקרוגיל עשוי לשלב PV סולארית, טורבינות רוח קטנה, ו גנרטור דיזל גיבוי.אם מקור אחד אינו זמין עקב מזג אוויר או תחזוקה, אחרים יכולים לפצות. Redundancy חל גם על רכיבים קריטיים כגון מופנים ובקרים - באמצעות תצורה N+1 מבטיח כי אין כשל אחד מוריד את המערכת, עם זאת, עלייה מוגזמת של עלויות; המטרה היא להשיג את המחיר הדרושה.

גמישות

המיקרוגרריד חייב להתאים לשינויים תנאים: שינויים בעומס (למשל, עלייה עונתית, אירועים מיוחדים), זמינות דלק או פלט מתחדשים. מערכות גמישות מאפשרות הרחבה קלה, שינוי מחדש ושילוב של טכנולוגיות חדשות.עיצוב מודולרי, ממשקים סטנדרטיים, ובקרים הניתנים להגדרה תוכנה לקדם גמישות.

מערכות בקרה Robust control

בקר מיקרוגרין חוזר עוקב ברציפות מתח, תדירות וזרימת חשמל.זה יכול באופן אוטומטי אי וסינכרון, עדיפות עומסים קריטיים במהלך מחסור, ולנהל תגובה הביקוש. בקרים מתקדמים משתמשים בלמידה של מכונות לדור החיזוי והצריכה, אופטימיזציה של סוללות טעינה ופירוק.מערכות תקשורת חייב להיות אמין גם כאשר האינטרנט ירד; SCADA או קישורים מבוססי רדיו משמשים לעתים קרובות.

אחסון אנרגיה

אחסון חד-משמעי הוא עמוד השדרה של חוסן microgrid. Batteries לספק תגובה מיידית לטעון שינויים, למלא את הפערים כאשר מתחדשים dip, וספק כוח במהלך הפסקות מורחבות. אחסון Sizing דורש ניתוח תנודות קצרות טווח (שניים עד דקות) ותקופות ארוכות יותר של ייצור מתחדשים נמוך (ימי) עבור מערכות מרוחקות, ליומיום-יון הם נפוצים בגלל סוללות גבוהות ולהגדיל את תוחלת החיים או לחץ דם ארוך.

אסטרטגיות עיצוב עבור מיקרוגרפיים

יישום העקרונות לעיל דורש גישה עיצוב שיטתית, ספציפית באתר.אסטרטגיות הבאות הן קריטיות.

הערכה והתאמה

התחל עם סקר מפורט של קרינת השמש, מהירויות רוח (גובה מרכז), הידרולוגיה (עבור הידרו), ופוטנציאל הביומסה. לאסוף לפחות שנה אחת של נתונים אם אפשר.בנוסף לאפיין את פרופיל העומס - שעה, יומי, ושיאים עונתיים. נתונים אלה מניעים החלטות על הדור וגודל האחסון. לדוגמה, קהילה בצפון-מערב האוקיינוס השקט עשויה להעדיף הידרוליזציה ושמש, בעוד שכפר הארקטי יתמקד בגיבוי רוחי.

הדור של מיקסום

שום מקור יחיד אינו אופטימלי עבור עמידות. תערובת של מתחדשים מפחיתה את התלות על כל משאב אחד.עבור מערכות מרוחקות, יחס משותף הוא 50-70% חדירה מתחדשת, עם השאר מ גנרטורים הניתנים למסירה (לעיתים רחוקות או propane) חדירה מתחדשת גבוהה (70%+) אפשרי עם מספיק אחסון וניהול הביקוש, אבל זה מגביר את העלות של ההון.

אחסון Sizing וניהול

אחסון הוא בגודל באמצעות כלי סימולציה (למשל, בית, DER-CAM) כי ביצועי מערכת מודל לאורך שנה. פרמטרים מרכזיים: יכולת אנרגיה (kWh), דירוג חשמל (kW), יעילות עגולה ועומק של פריקה. עבור חוסן, המערכת צריכה לכסות את קצב הזיכי הארוך ביותר בתוספת שולי בטיחות.

אדריכלות מודולרית ו Scalable Architecture

רכיבים מודולריים (למשל, יחידות סוללות מקוטבות, מערך סולארי Plug-and-play) מפשטים את ההתקנה באזורים מרוחקים שבהם ציוד כבד עשוי להיות לא זמין.מודולים ניתן להוסיף באופן מצטבר כביקוש גדל או תקציבים לאפשר. Scalability גם אומר כי מערכת הבקרה יכולה להתמודד עם דור מוגבר אחסון ללא עיצוב מחדש מלא. גישה זו מפחיתה סיכון ראשוני ומקלת שדרוגים עתידיים.

הדור האחורי לאירועים קיצוניים

גם עם חדירה גבוהה אחסון ואחסון, גנרטור גיבוי הוא לעתים קרובות חיוני עבור חוסן.הגנרטור צריך להיות בגודל כדי לכסות עומסים קריטיים שיא, להיות מסוגל להתחיל אוטומטית כאשר כוח רשת אבוד. Biodiesel או גנרטורים propane הם חלופות נקיות דיזל. כמה מיקרוגרואידים להשתמש תאי דלק פועל על propane או גז טבעי, הדורשים פחות תחזוקה ויש להם פליטות נמוכות יותר.

בקרה מתקדמת

מערכות בקרה הן המוח.בקר מודרני מספק:

• אי-אי אוטומטי והסינכרון בתוך מילימטרים.
• עומס על מעגלים לא קריטיים כאשר האספקה אינה מספיקה.
• אופטימיזציה של זמן ותזמון של שימוש כדי להפחית את צריכת הדלק.
• ניטור מרחוק באמצעות קישור סלולרי או לוויין, עם התראות לבעיות תחזוקה.
• שילוב עם ניהול אנרגיה קהילתית (למשל, תרמוסטטים חכמים, מטען רכב חשמלי).

בקר צריך להיות מתוכנן להתאים לכללים ספציפיים לקהילה, כגון עדיפות מרפאת בריאות או תחנת משאבת מים במהלך בחוץ.

מחקרים: דוגמאות אמיתיות בעולם למיקרוגרידים בקהילות מרוחקות

Kotzebue, אלסקה: Wind-Diesel-Battery Success

באזור הארקטי, קהילת Kotzebue עיצבה מיקרוגרי המשלב טורבינות רוח, צמח דיזל קיים, מערכת סוללות ליתיום-יון.הסוללה סופגת תנודות רוח ומאפשרת דיזל לפעול ביעילות רבה יותר, צמצום צריכת הדלק על ידי יותר מ -50%.המיקרוגריד שיפר את האמינות בהצטננות קיצונית והפך למודל עבור כפרים אחרים אלסקה.

האי טא'ו, סמואה האמריקנית: סולרי-ברומי מיקרוגריריד

האי טא'ו, ביתם של כ-600 תושבים, שהוסמך בעבר על גנרטורים דיזל, שדרשו 300,000 גלונים של דלק מדי שנה.אוויר-עוד-אוויר-בקטריקס מחשמל כיום כמעט 100% מצרכי החשמל של האי.המערכת כוללת 1.4MW של PV ו-6 מגה-וואט של אחסון סוללות, המסוגל לספק שלושה ימים של אוטונומיה ללא השמש.

האי Molokai של הוואי: קהילה-Controlled Microgrid

Molokai מפתחת מיקרוגרידי בבעלות קהילתית כדי לטפל בעלויות חשמל גבוהות ורשת ללא אחריות.העיצוב משלב השמש, אחסון סוללות, וגנרטור ביו-מדיזל גיבוי.הפרויקט מדגיש מעורבות קהילתית ושליטה מקומית, ומבטיח כי מערכת האנרגיה משרתת את צרכי התושבים.המיקרוגרריד תפעל הן באי והן בצורות המחוברות לרשת, עם היכולת לחלוק אנרגיה עודף עם הזרם המרכזי כאשר התנאים מאפשרים.

דוגמאות אלה מדגישות כי פרויקטים מוצלחים דורשים תכנון זהיר, בחירת טכנולוגיה מתאימה ומעורבות קהילתית חזקה, ניתן לקרוא עוד על פרויקטים מיקרוגריים נתמך על ידי DOE:0at the DOE Microgrid ProgramFLT:1 או לחקור הנחיות טכניות של המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) FLT:2hereFLT 3:2hereF3LT 3.

אתגרים: עלויות, תחזוקה ומדיניות

למרות היתרונות, תכנון מיקרו-צמחים גמישים לקהילות מרוחקות ניצב בפני מחסומים בעולם האמיתי.עלויות ההון גבוהות; מיקרוגרריד סולרי שלם של השמש יכול לעלות 5–10 דולר לוואט מותקנת, למעט שדרוגים. גרנטים וסובסידיות מממשלות לאומיות או סוכנויות פיתוח בינלאומיות נדרשים לעתים קרובות.

תחזוקה היא בעיה קריטית נוספת.בטריות דורשות תחליף תקופתי (7-15 שנים בהתאם לכימיה), ומניעים עלולים להיכשל מהר יותר באקלים קשים. ניטור מרחוק ותחזוקה חיזויית יכולים להפחית את הכישלונות, אבל טכנאי מקומי עם כישורים בסיסיים הוא חיוני.

מדיניות ומכשולים רגולטוריים: שטחים מרוחקים רבים חסרים כללים ברורים לבעלות מיקרוגרית, חיבור ומבנים מכסים.מונופוליסים של שימוש עשויים לעמוד במערכות עצמאיות. קובעי מדיניות צריכים ליצור מסגרות המאפשרות מיקרו-צמחונים לפעול באופן חוקי, למכור עודף כוח בחזרה לרשת ולקבל פיצוי הוגן עבור שירותי חוסן.

הדרך Ahead: חידושים ומגמות

העתיד של מיקרו-צמחים גמישים לקהילות מרוחקות הוא בהיר, עם כמה מגמות שיפור נהיגה:

• (FLT:0) צ'אפר ו- Better Batteries:BuildFLT:1 , Sodium-ion, מצב מוצק וסוללות EV חיים שני חיים יהיו נמוכות יותר עלויות וירחיבו את תוחלת החיים (למשל, וניל אדוםוקס) צוברים מתח עבור אחסון לטווח ארוך.
• (FLT:0) מופנים חכמים: 1FLT:1 חומרים מתקדמים יכולים לספק יכולות ליצור רשת (אינרטיה סינתטית, רגולציה מתח) אשר משפרים את יציבות מיקרוגרידית ללא גנרטורים דיזל.
• (FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית: FLT:1 תחזיות מבוססות בינה מלאכותית אופטימיזציה של הדור והעומס, צמצום צריכת הדלק ושיפור חדירת מתחדשים.
• (FLT:0Blockchain for Energy Trading Tradingization: 1 בקהילות מרוחקות גדולות יותר, פלטפורמות מסחר באנרגיה עמיתים לpeer מאפשרות למשקי בית עם השמש למכור עודף חשמל לשכנים, להגדיל את החוסן הכולל.
• (FLT:0) פתרונות מתוחזקים:FLT:1Prefabricated microgrids נמסר במיכלי משלוח להאיץ את הפריסה ולהקטין את עבודת האתר.

חידושים אלה יהפכו מיקרוגרואידים זולים יותר, אמינים וקלים יותר לשמור על הסביבה המאתגרת ביותר.

מסקנה: בניית עמידות אנרגיה מהקרקע

מערכות מיקרוגרידיות חיוניות אינן מותרות לקהילות מרוחקות - הן הכרחיות לרווחתן, הזדמנות כלכלית ובטיחות. על ידי חתירה לעקרונות הליבה של undancy, גמישות, שליטה חזקה, אחסון נאות, ועל ידי יישום אסטרטגיות עיצוב מתחשבות המותאמות לתנאים המקומיים, ניתן ליצור מיקרו-צמחים המספקים כוח אמין לאורך כל השנה.