سیستم فتوولتاییک (PV) جهت طراحی واحد نمک زدایی اسمز معکوس (RO) آب شور

علی رغم سیل های موسمی دو سالانه، آب تازه در مناطق روستایی مالزی کمیاب می باشد. مردمی که در این مناطق زندگی می کنند 5 برابر نسبت به همتایان خود در مناطق شهری از دسترسی به آب قابل حمل محروم می باشند  [1]UNICEF & WHO. فقدان آب قابل حمل منجر به بیماری و از دست رفتن حاصلخیزی آن مناطق می شود. در این میان، کودکان بسیار آسیب پذیر می باشند چراکه برای مقابله با اسهال، اسهال خونی و دیگر بیماری ها به اندازه ی کافی قوی نمی باشند.

مطالعه ای در ارتباط با کودکان مدرسه که در جوامع روستایی در مناطق لیپیس و راب پهنگ زندگی می کنند صورت گرفته است که نشان می دهد که بلاستوسیستیس (تک سلولی های روده ای) در میان کودکان روستایی شایع می باشد. منشأ این بیماری به آب آشامیدنی آنها بر می گردد [2] Abdulsalam et al.. بنابراین، نمک زدایی برای لذت ساکنین این منطقه از شرایط زندگی استاندارد، مورد نیاز می باشد. روش هایی که به طور گسترده برای نمک زدایی استفاده شده اند شامل فرایندهای حرارتی و غشایی می باشند.

اسمز معکوس (RO) یک تکنیک فرآیند غشائی می باشد که در مقایسه با تکنولوژی فرایند حرارتی مانند فلاشینگ چند مرحله ای (MSF) و تقطیر چند تأثیره (MED)، محبوب تر می باشد. یک از بزرگترین مزایای سیستم RO مصرف کم انرژی آن در مقایسه با دیگر سیستم های نمک زدا می باشد [3-5]. مصرف انرژی تا حد 45% کل هزینه ی یک سیستم RO را دربر می گیرد [6] Zhu etal. هزینه های سرمایه گذاری برای تامین انرژی سیستم های RO در مناطق روستایی تقریبا 60% از کل بودجه را در برمی گیرد Espino et al. [7].

مقادیر زیادی از انرژی در واحد RO برای ایجاد فشار اولیه ی آب خوراک استفاده می شود [8] Alghoul et al.. فشار اولیه برای آب شور در حدود 27 بار رخ می دهد، درحالیکه نمک زدایی آب دریا به فشار بیشتری معادل با 70 بار نیاز دارد [9] Alghoul et al.. سیستم های RO در چارچوب کمیت و کیفیت آب خوراک، محل سایت و راه انداز و خاموش کننده ی سیستم، انعطاف پذیر می باشند.

فاکتورهای اساسی برای برآورد اندازه ی واحد RO، مصرف سرانه ی روزانه، جمعیت کل و تعداد ساعات کارکرد واحد در هر روز می باشد [12] Tzen et al.. سیستم RO بهینه دارای یک نسبت بازیابی بالا (بیشترین انتشار جریان و کمترین انتشار شوری) در کمترین فشار خوراک و تعدادی منطقی از ماجول های غشاء می باشد. با یک فشار خوراک کم، مدت عمر غشاء می تواند افزایش یابد، هرچند، این امر در تئوری با نسبت بازیابی مخالفت می کند [13] Sarkar et al..

علی رغم این حقیقت که واحدهای نمک زدایی اسمز وارونه آب شور با ابعاد کوچک، سیستم های نمک زدای ساده ای با شرایط نگهداری حداقل می باشند، به هیچ گونه موفقیت تجاری قابل توجهی در مقایسه با  سیستم های نمک زدای با ابعاد بزرگ نرسیده اند [14] Ayoub and Alward. بنابراین، افزایش بکارگیری سیستم های نمک زدای BWRO کوچک هنوز در اولویت می باشند. این حقیقت که سیستم های RO با استفاده از یک روش ماژولار ساخته می شوند به آنها اجازه ی تطبیق با یک منبع انرژی تجدید پذیر را می دهد [10] Lindemann.

بنابراین، ادغام سیستم توان تجدیدپذیر با یک سیستم RO کوچک انتشار تجاری آنها را بهبود می بخشد. سیستم های PV-BWRO می توانند به عنوان یک انتخاب نمک زدایی امید دهنده ای در مناطق دور افتاده در نظر گرفته شوند. در ادبیات، بسیاری از موارد مطالعه ای از واحدهای نمک زدایی PV-BWRO کوچک در مناطق مختلفی از جهان وجود دارد، مانند مصر، طراحی شده با سیستم 19.84 kWp PV ، اسپانیا (23.5 kWp) Peral et al. [19]، الجزایر(2.7 kWp) Kehal [20]، برزیل (1.1 kWp) de Carvalho [21]، پرتغال(0.5 kWp) Joyce et al. [15]، عمان (3.25 kWp) Loureiro D et al. [22] و عراق (5 kWp) Al Suleimani and Nair [23].. طبق Garcia Rodriguez [24]، انرژی فتوولتائیک برای راه اندازی سیستم های نمک زدایی BWRO کوچک استفاده می شود که منتج به تولید آب تا اندازه ی 60 مترمکعب در روز می شود. نشان داد که یک سیستم PVRO کوچک که به میزان 1 متر مکعب آب در روز در مناطق دور افتاده ای که دچار فقدان شبکه برق هستند تولید می کند، مصرف انرژی بسیار بالایی در مقایسه با واحدهای بزرگ و یا متوسط دارد اما هزینه ی اولیه ی آن هنوز نسبت به سیستم های نمک زدایی دیگر کمتر می باشد. [26]Gocht et al. امکان پذیری فنی و مزایای هزینه ای یک کارخانه ی نمک زدایی کوچک آب شور راه اندازی شده با PV را در یک منطقه ی روستایی بررسی نمود. آنها امکان پذیری اجتماعی – اقتصادی نمک زدایی که توسط یک سیستم RP کوپل شده با PV راه اندازی شده ی ناپیوسته و گذرا، تصدیق نمودند. عموما، راه اندازی پیوسته به صورت یک راه اندازی روزانه تعریف می شود در حالیکه راه اندازی ناپیوسته به 5 تا 10 ساعت در روز بسته به محل و نیاز برای ساعات راه اندازی بهینه، محدود می شود. سیستم های راه اندازی پیوسته به بانک های باتری بزرگی برای فراهم کردن توان در شب یا در حین زمان های ابری نیاز دارند. با این حال، این شرط مورد نیاز کل هزینه را افزایش می دهد. انتخاب دیگر ذخیره سازی آب در یک تانک ذخیره برای کاهش هزینه و تعداد باتری های مورد نیاز می باشد [27].

ترکیب منابع انرژی تجدیدپذیر و سیستم های نمک زدای آب به حل کردن چالش هایی در راه اندازی یک سیستم یکپارچه، بخصوص، مسأله ی نوسانات ناخواسته در تولید انرژی یک سیستم تولید انرژی خورشیدی که نیازمند یک واحد شروع سریع برای پوشش کمبودها یا جذب تولید انرژی برنامه ریزی نشده است، نیازمند می باشد [29]. یک راه برای سروکار داشتن با این مسائل از طریق استفاده از سیستم های تولید انرژی یکپارچه با استفاده از انرژی خورشیدی با دیگر انتخاب های انرژی تجدیدپذیر می باشد.

در سال های اخیر، محققین بسیار زیادی روی شبکه های الکتریکی هوشمند کار کرده اند که این شبکه ها، تعمیمی از شبکه الکتریکی سنتی ما، با سیستم ها و تکنولوژی های دیجیتال توزیعی تولید انرژی مبتنی بر منابع تجدیدپذیر با ابعاد متوسط برای ارضای افزایش تقاضای انرژی و اصلاحات محیطی می باشند [28]. یک کنترل پیش بین مبتنی بر مدل نظارتی (MPC) توسط Wei Qi et al. [29]  برای راه اندازی بهینه ی یک سیستم خورشیدی RO یکپارچه طراحی شد و شبکه الکتریکی هوشمند قادر به هماهنگ کردن زیر سیستم های خورشیدی و باتری به منظور فراهم کردن انرژی کافی برای زیر سیستم RO برای ارضای تقاضاهای تولید آب می باشد.

هدف اصلی این مطالعه، یادگیری و دستیابی به دیدی مناسبی در تأثیر شرایط آب و هوایی، طراحی و راه اندازی روی عملکرد و دوام سیستم های PV و BWRO می باشد. بنابراین، یک واحد BWRO کوچک راه اندازی شده توسط یک سیستم 2kWp PV طراحی، ساخته و آزمایش شد. واحد RO برای رسیدگی به یک شوری تا حد 5000 mg/l در مقادیر انتشار شوری کمتر از 50 mg/l طراحی گردید. کارهای تجربی مربوط به این پروژه در منطقه ی خورشیدی دانشگاه بین المللی مالزی (UKM)، Bangi، مالزی انجام شده که این منطقه در 2_ 560 N, 105_ 470 E متناظر با GMT þ08:00 می باشد. عملکرد بیرونی تجربی سیستم PV-BWRO برای چندین مود عملکردی تعیین خواهد شد. هزینه ی یک سیستم نمک زدایی PV-BWRO، در چارچوب اهداف تحقیقی به طور جزئی بررسی خواهد شد. تصویرهای مربوط به واحد های آزمایش PV و RO در شکل 1 نشان داده شده اند.