Container sống bằng năng lượng mặt trời: Thiết kế mô-đun và năng lượng ngoài lưới

Quyền tự chủ về năng lượng này vượt ra ngoài lĩnh vực điện. Khái niệm thùng chứa sinh hoạt bằng năng lượng mặt trời bao gồm quản lý nhiệt—bộ thu nhiệt mặt trời hoặc tấm lai nhiệt điện có thể cung cấp nước nóng và sưởi ấm không gian—cũng như hệ thống nước thông minh thu hoạch, lọc và tái chế nước. Biến thể thùng chứa EB bổ sung thêm khả năng của dây chuyền lạnh, sử dụng năng lượng quang điện sẵn có để cung cấp năng lượng cho môi trường nhiệt độ thấp ổn định để bảo quản thực phẩm hoặc y tế. Kết quả là một thiết bị mô-đun, có thể vận chuyển có thể được triển khai nhanh chóng đến các địa điểm xa xôi, khu cứu trợ thiên tai hoặc các khu dân cư không có lưới điện và hoạt động hoàn toàn trong vòng vài giờ sau khi đến nơi mà không cần phải chờ kết nối lưới điện, cung cấp nhiên liệu hoặc cơ sở hạ tầng nước được thiết lập.

Tích hợp quang điện và năng lực sản xuất năng lượng

Khả năng tạo ra năng lượng của một container sống bằng năng lượng mặt trời được xác định bởi tổng công suất quang điện lắp đặt, hiệu suất của tấm pin và nguồn năng lượng mặt trời sẵn có tại địa điểm triển khai . Một container 20 feet tiêu chuẩn có diện tích mái xấp xỉ 14 đến 15 mét vuông , có thể chứa khoảng 2,5 đến 3,5 kWp của các tấm quang điện đơn tinh thể giả định hiệu suất của tấm pin trong phạm vi 21 đến 23% . Công suất cơ bản này được tăng cường nhờ các mảng gấp có thể triển khai—cấu trúc cánh được kích hoạt bằng thủy lực hoặc thủ công mở ra từ các cạnh của thùng chứa để lộ ra khu vực bảng điều khiển bổ sung. Khi được triển khai đầy đủ, một container 20 feet có thể đạt tổng công suất lắp đặt là 8 đến 12 kWp , tùy thuộc vào số lớp gấp và công nghệ tấm được chọn.

Sản lượng năng lượng hàng ngày phụ thuộc vào số giờ nắng cao nhất tại khu vực này. Ở một khu vực có trung bình 5 giờ nắng cao điểm mỗi ngày , một hệ thống 10 kWp sẽ tạo ra khoảng 40 đến 45 kWh mỗi ngày sau khi tính đến tổn thất hệ thống bao gồm hiệu suất biến tần, tổn thất dây dẫn và giảm nhiệt độ. Lượng điện này đủ để cung cấp năng lượng cho các tải bên trong của container—chiếu sáng, kiểm soát khí hậu, xử lý nước và làm lạnh—với lượng điện dư đáng kể dành cho việc sạc xe điện hoặc vận hành dụng cụ. Bảng dưới đây tóm tắt tiềm năng phát điện trên các cấu hình thùng chứa và mức tài nguyên năng lượng mặt trời khác nhau.

Các tấm quang điện trên thùng chứa năng lượng mặt trời phải được chọn để đảm bảo độ bền khi vận chuyển cũng như hiệu suất cố định. Các tấm được gắn trên mảng gấp trải qua chu kỳ cơ học lặp đi lặp lại và phải sử dụng khung gia cố và hộp nối linh hoạt có khả năng chống nứt do mỏi. Các kết nối bảng điều khiển sử dụng đầu nối MC4 chịu được thời tiết với các ống khóa để tránh tình trạng ngắt kết nối ngẫu nhiên khi có gió lớn. Đối với các container được triển khai trong môi trường ven biển hoặc biển, các khung bảng được quy định trong nhôm anodized với lớp oxit tối thiểu 15 micron để chống lại sự ăn mòn do phun muối và pin mặt trời được bọc bằng hai lớp ethylene-vinyl acetate và tấm nền fluoropolymer ngăn hơi ẩm xâm nhập ngay cả ở Độ ẩm tương đối 85% và 85°C , điều kiện thử nghiệm nhiệt ẩm tiêu chuẩn.

Kiến trúc lưu trữ năng lượng và thiết kế cabin pin

Cabin lưu trữ năng lượng là trung tâm của khả năng không nối lưới của container sống bằng năng lượng mặt trời và thiết kế của nó phải cân bằng giữa công suất, độ an toàn và quản lý nhiệt. Hóa học lithium sắt photphat là sự lựa chọn chủ yếu vì tính chất của nó Độ ổn định nhiệt vốn có và tuổi thọ chu kỳ vượt quá 4.000 đến 6.000 chu kỳ ở độ sâu xả 80% . Cấu hình container 20 feet điển hình bao gồm một bộ pin có công suất sử dụng là 20 đến 40 kWh , có kích thước để cung cấp ít nhất Tự chủ 24 đến 48 giờ không có năng lượng mặt trời đầu vào, bao gồm các khoảng thời gian có mây che phủ dày đặc hoặc tải vào ban đêm. Các mô-đun pin được gắn trong một ngăn chuyên dụng, chống cháy với hệ thống thông gió chủ động và hệ thống quản lý pin theo dõi điện áp, nhiệt độ và tình trạng sức khỏe của từng tế bào.

Cabin điều khiển thông minh thực hiện chức năng quan trọng của quản lý tải và điều phối thời gian thực . Nó xử lý dữ liệu từ bộ biến tần quang điện, hệ thống quản lý pin, cảm biến môi trường và các mạch tải riêng lẻ trong thùng chứa. Khi trạng thái sạc pin cao và năng lượng mặt trời tạo ra vượt quá tải trước mắt, bộ điều khiển sẽ chuyển năng lượng dư thừa sang các ưu tiên phụ: đun nóng nước, chạy máy nén của thùng chứa EB để làm mát trước khối nhiệt hoặc sạc các thiết bị bên ngoài. Trong thời gian định giá lưới cao điểm, nếu container được kết nối lưới để dự phòng, bộ điều khiển có thể chuyển sang sử dụng nguồn pin để tránh tiêu thụ điện đắt tiền, sau đó sạc lại trong giờ thấp điểm — một chiến lược được gọi là cắt giảm giờ cao điểm giúp giảm trực tiếp chi phí vận hành.

Quản lý nhiệt và chức năng chứa năng lượng mặt trời EB

Container năng lượng mặt trời EB đại diện cho một biến thể chuyên biệt của khái niệm container sống sử dụng năng lượng mặt trời, trong đó năng lượng quang điện có sẵn được hướng tới duy trì môi trường nhiệt độ thấp liên tục để kéo dài thời hạn sử dụng . Chức năng này rất quan trọng đối với chuỗi cung ứng dược phẩm ở vùng sâu vùng xa, bảo quản thực phẩm ở các cơ sở nông nghiệp không có lưới điện và các cơ sở nhà xác tạm thời để ứng phó với thảm họa. Hệ thống lạnh thường là một Máy nén DC tốc độ thay đổi được cấp nguồn trực tiếp từ bộ pin , bỏ qua giai đoạn biến tần để cải thiện hiệu suất hệ thống tổng thể bằng cách 10 đến 15% so với cách bố trí máy nén AC. Nhiệt độ bên trong thùng chứa EB có thể được duy trì ở mức 2 đến 8°C đối với bảo quản dược phẩm hoặc -20°C đối với hàng đông lạnh , với điểm cài đặt có thể điều chỉnh thông qua giao diện điều khiển thông minh.

Vỏ nhiệt của thùng chứa EB được thiết kế để tăng nhiệt tối thiểu. Tường, sàn và trần được cách nhiệt bằng Tấm cách nhiệt bằng bọt polyurethane hoặc chân không kín để đạt được giá trị R là R-30 đến R-40 , cao hơn đáng kể so với vỏ thép không cách nhiệt của container vận chuyển tiêu chuẩn. Lớp cách nhiệt này, kết hợp với máy nén chạy bằng quang điện, cho phép thùng chứa EB duy trì nhiệt độ bên trong ngay cả khi nhiệt độ môi trường bên ngoài vượt quá 45°C , một tình trạng phổ biến ở những vùng khô cằn nơi tài nguyên năng lượng mặt trời dồi dào nhất và cần có cơ sở hạ tầng dây chuyền lạnh nhất. Hệ thống điều khiển thông minh giám sát việc mở cửa và chủ động điều chỉnh tốc độ máy nén để phục hồi lượng khí lạnh bị mất trong quá trình tiếp cận, giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến sản phẩm được bảo quản.

Độc lập về nước và quản lý tài nguyên tổng hợp

Tuyên bố của container sống sử dụng năng lượng mặt trời về khả năng hoạt động ngoài khơi—có nghĩa là sự độc lập với nguồn tài nguyên đầu vào bên ngoài—phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống quản lý nước của nó. Thùng chứa tích hợp tạo nước trong khí quyển, thu nước mưa từ mái nhà và bề mặt bảng điều khiển được triển khai và lọc nhiều giai đoạn để sản xuất nước uống được mà không cần nối đường ống. Máy tạo nước trong khí quyển ngưng tụ hơi ẩm từ không khí bằng cách sử dụng cùng năng lượng quang điện cung cấp năng lượng cho phần còn lại của thùng chứa, với tốc độ sản xuất điển hình là 20 đến 50 lít mỗi ngày tùy thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ môi trường xung quanh. Nước mưa được thu từ diện tích bề mặt lớn của các tấm pin mặt trời đã triển khai sẽ được dẫn vào bể chứa thông qua bộ chuyển hướng xả lần đầu và bộ lọc trầm tích, sau đó được xử lý qua các giai đoạn khử trùng bằng than hoạt tính, siêu lọc và tia cực tím.

Nước xám từ bồn rửa và vòi hoa sen được tái chế thông qua mô-đun xử lý sinh học, điển hình là lò phản ứng sinh học màng và quay trở lại hệ thống nước không uống được để xả nhà vệ sinh và tưới tiêu cho bất kỳ mô-đun trồng thủy canh tích hợp nào. Phương pháp tiếp cận khép kín này làm giảm nhu cầu nước hàng ngày từ mức tiêu thụ nước điển hình của hộ gia đình là 150 đến 200 lít mỗi người đến đầu vào ròng của 30 đến 50 lít mỗi người , tất cả đều có thể được đáp ứng bởi hệ thống thu gom khí quyển và nước mưa. Cabin điều khiển thông minh giám sát mực nước trong bể, thông số chất lượng nước và trạng thái máy bơm, cảnh báo người cư trú về bất kỳ sự bất thường nào và tự động chuyển đổi giữa các nguồn nước dựa trên tính sẵn có và chất lượng.

Logic mở rộng mô-đun và triển khai nhanh chóng

Giá trị của container sống bằng năng lượng mặt trời như một nhà lắp ráp nhanh ngoài khơi xuất phát từ trình tự triển khai khép kín không yêu cầu thiết bị bên ngoài ngoài phương tiện xử lý container tiêu chuẩn . Khi đến địa điểm, thùng chứa được đặt trên bề mặt bằng phẳng đã được chuẩn bị sẵn—sỏi, tấm bê tông hoặc móng cọc vít. Các mảng quang điện gấp được triển khai thủ công hoặc thủy lực và hệ thống điện thực hiện tự kiểm tra tự động để xác minh đầu ra của bảng điều khiển, điện áp pin và đồng bộ hóa biến tần trước khi cấp điện cho các mạch bên trong. Từ khi đến khi sẵn sàng hoạt động đầy đủ, tiến trình triển khai thường là 2 đến 4 giờ cho một đội gồm hai người đã được đào tạo , không yêu cầu thợ điện, thợ ống nước hoặc người giao nhiên liệu.

Nhiều container có thể được kết nối với nhau để tạo thành một khu phức hợp sống hoặc làm việc lớn hơn. Hệ thống điều khiển thông minh trong mỗi container giao tiếp qua mạng lưới không dây, cho phép điều phối năng lượng trên toàn bộ cụm . Nếu bộ pin của một container đạt mức sạc đầy trong khi một bộ pin khác vẫn đang sử dụng điện, thì hệ thống điều khiển sẽ chuyển nguồn điện dư thừa sang bộ chứa còn thiếu, tối ưu hóa trạng thái sạc chung. Tính mô-đun này có nghĩa là việc lắp đặt container sống sử dụng năng lượng mặt trời có thể bắt đầu với quy mô nhỏ và mở rộng dần dần—một container duy nhất phục vụ như một phòng khám y tế, container thứ hai được bổ sung làm khu dành cho nhân viên, container thứ ba là đơn vị lưu trữ lạnh EB—mà không cần phát triển vượt quá cơ sở hạ tầng năng lượng, bởi vì mỗi container mới đều mang theo khả năng lưu trữ và tạo quang điện riêng.