Msingi wa uchaguzi wa vifaa vya kuvunjika kwa miradi ya nishati ya kuzalishwa upya ni nini?

Mahitaji ya Voltage, Kupakana, na Utendaji wa Makosa kwa Vifaa vya Kugeuza Umeme kutoka kwa Malengo ya Nishati ya Kupatikana

Kufanana na Daraja la Voltage la MV/HV na Mapinduzi ya Mfumo wa Umeme na Ukubwa wa Mradi

Kuchagua kati ya uwiano wa wastani (MV: karibu na 1 kV hadi 52 kV) na uwiano wa juu (HV: yoyote zaidi ya 52 kV) unategemea kwa kweli mahitaji ya mtandao na ukubwa wa mradi. Miradi mikubwa ya nishati ya jua mara nyingi huunganishwa kwa uwiano wa takriban 34.5 kV, lakini miradi ndogo ya nishati ya upepo katika jamii mara nyingi hufanya kazi vizuri na uwiano kati ya 12 na 15 kV. Kufanya hivi siyo sahihi kunaweza kusababisha matatizo kama vile uvunjikaji wa uburudishaji au upotezaji wa uwezo wa vifaa. Kwa mfano, shamba kubwa la nishati ya jua lenye nguvu ya 100 MW linalounganisha na mistari ya usambazaji mkuu litahitaji vifaa vya kugeuza uwiano wa juu vilivyopimwa kwa angalau 36 kV. Kwa upande mwingine, paneli ndogo za nishati ya jua kwenye paa zinatumia kwa ufanisi vifaa vya uwiano wa wastani hadi 15 kV. Wenginee wengi wanatumia kichwa cha kisasa cha IEEE C37.20.2 wakipanga matatizo haya ya uсовместимости katika mifumo mbalimbali ya nishati inayorejewa.

Kuamua Ukubwa wa Vipimo vya Sasa na Uwezo wa Kukabiliana na Shida kwa Uzalishaji wa Muda Mrefu na Usio Sawasawa

Uzalishaji wa mafuta ya kudumu unahakikisha mchakato wa kusukuma kwa mtiririko tofauti na mikondo ya kushindwa ambayo ni tofauti, hivyo inahitaji kufanya upungufu wa uwezo kwa makini na uwezo mzuri wa kushinda kushindwa. Vifaa vya kuzima vinatakiwa kubaki:

• Mikondo ya kuendelea : 125% ya kutoka kwa kipindi cha juu cha inverter kwa jua; 130% ya kutoka kikubwa cha turba kwa upepo
• Uwezo wa Kusimama Dhidi ya Short-Circuit : Chini ya 40 kA kwa sekunde 3 ili kudumisha mchakato wa kusukuma wakati wa migawanyo ya mtandao

Miongozo ya mtandao inawakilisha mahitaji haya: IEEE 1547 inahitaji uwezo wa kupita kiasi cha wakati mfupi kwa 150% kwa mfumo wa PV, wakati maombi ya upepo yanahitaji uwezo wa kubeba mzigo wa mzunguko kwa 200% ili kujumuisha uwiano wa turabini na mabadiliko ya torki kutokana na uvimbe.

Aina za Vifaa vya Kuvunjika vya Kufaa kwa Matumizi ya Jua, Upepo, na Uhifadhi

Vifaa vya Kuvunjika vya Nishati ya Wahidhi (MV) vilivyopakwa kwa chuma, GIS, na bila SF6 kwa mashamba ya PV na vituo vya upepo

Miradi ya nishati ya kudumu kwa ukubwa mkubwa inahitaji vifaa vya kuvunjika vya mtandao wa kati ya voltage ambavyo vinaweza kutengenezwa kwa urahisi, huchukua nafasi ndogo, na huendelea kuwa salama katika mazingira tofauti. Zaidi ya mara nyingi, mashamba ya jua yanachagua muundo wa metal clad kwa sababu ni ya kujumuisha sehemu mbalimbali. Vifaa vya kuvunjika vinavyoweza kufupishwa vinamaanisha kwamba wataalamu wanaweza kurekebisha mambo bila kuzima substation nzima, ambalo hukokoa wakati na pesa. Kwa uwekaji wa uvuvi wa baharini au mahali ambapo kuna nafasi kidogo tu, vifaa vya kuvunjika vilivyopakwa kwa gesi (GIS) huwa chaguo lililopendwa zaidi. Mifumo hii inapunguza mahitaji ya nafasi ya kimwili kwa takriban thuluthi mbili kulingana na chaguo za kawaida, pia inakabiliana kwa kiasi kikubwa na uvimbe kutokana na uwepo wa maji ya chumvi. Kama sheria kuhusu mapato ya gesi zinazosababisha uvimbe zinazidi kuwa ngumu kote, tunajiona matumizi ya chaguo lisilo na SF6 inavyozidi kuongezeka sasa hivi. Kampuni zinazobadilisha kwa teknolojia ya kuvunjika kwa vacuum pamoja na vitu vya kuvunja kwa umeme vya kisolidi badala ya vitu vya kale vya SF6. Vifaa vipya vinafanya kazi sawa na vilivyokuwa kabla yake lakini vinatondoa wasiwasi wote wa gesi za kibuyu ambazo zilikuwa zinavamiza sekta hiyo.

Vifaa vya Kugeuza DC na AC/DC ya Mchanganyiko kwa Matumizi ya Hifadhi ya Betri na Mikrogrid

Mifumo ya Kuhifadhi Nishati ya Betri, au BESS kwa mfupi, yanahitaji vifaa vya kuvunja umeme wa moja kwa moja (DC) vilivyoundwa kwa maana maalum kwa sababu yanakabiliana na matatizo ya kipekee sana. Toa kwa mfano, tofauti na mifumo ya umeme wa mbegu (AC), hakuna wakati wa asili ambapo sasa inapungua hadi sifuri, pamoja na mafuriko ya haraka ya umeme wa moja kwa moja yanayoweza kuharibisha vifaa. Hivyo ndipo vifaa vya kuvunja umeme vya kisasa vinajumuisha vitu kama vile mizani ya uvunaji wa upepo wa magnetic na vichukuzi vya kuvunja umeme vya nguvu zaidi ambavyo yanaweza kuzuia mafuriko ya umeme wa moja kwa moja karibu kwa haraka sana, kawaida katika milisekunde chache. Unapochunguza suluhisho za vifaa vya kuvunja umeme vya AC/DC ya jumla, kitu kinachowavutia ni uwezo wao wa kulinda vifaa vyote wakati wa kubadilisha kati ya chanzo cha umeme tofauti katika mtangazo wa microgrid. Fikiria mfumo unaounganisha paneli za jua, betri, na majenereta ya msingi ya kawaida - aina hii ya vifaa inashughulikia yote kwa urahisi. Kufanya kazi kwa kutumia mbinu ya DC coupling kwa kawaida inapunguza upotezi wa nishati wakati wa ubadilishaji na inaruhusu mfumo kufanya kazi kwa kujitegemea unapokuwa mtandaoni kuu imekwama. Uwezo huu haufanya tu kazi nzuri, bali unajitokeza kuwa muhimu sana kwa kufikia masharti ya sheria kama vile UL 1741 SA na IEEE 1547-2018, ambayo yanakuwa muhimu zaidi kila siku kama zaidi ya mahitaji ya viwanja vya kujitegemea nishati.

Uwezo wa Kudumu katika Mazingira na Uundaji wa Kutoa Utekelezaji Kutoka Mbali kwa Mahali ya Nishati ya Kupatikana

Uwezo wa Kuzuia Uharibika, Viwanda vya IP65+, na Usimamizi wa Jimbo la Joto Lenye Uwezo wa Kubadilika katika Tabia za Kali

Vifaa vya kugeuza umeme katika eneo la nishati ya kisasa vinakabiliana na changamoto kubwa kutokana na hali mbaya. Miradi ya nguvu ya upepo kwenye pwani inakabiliana na ukatilifu wa mafuta ya chumvi, wakati miradi ya nishati ya jua katika jangwa inashindana na uvurugu wa mchanga na unyevu ambayo mara nyingi huwa zaidi ya 90%. Kwa mujibu wa utafiti wa AMPP kutoka mwaka 2023, takriban robo ya kwanza ya mapungufu ya umeme yote yanatokea kwa sababu ya ukatilifu katika mazingira haya magumu. Ili kupambana na hili, vituo vya kufunga vilivyofungwa kwa njia ya tatu na yenye kiwango cha IP66 vinazima mchanga na maji ya kuingia ndani wakati wa matukio ya hali ya hewa kali kama vile mvua ya msimu au uvurugu wa mchanga. Katika hali za kushindana zaidi, watazamaji wanatumia staleni ya chuma ya kisasa ya aina ya 316L au visababishi vya nikeli ambavyo vimeidhinishwa kwa kifupi cha ISO 12944 C5-M kwa eneo linaloathiriwa na kemikali zenye nguvu au uwezekano wa kuathirika na bahari. Mifumo ya usimamizi wa joto pia hushiriki muhimu hapa. Yanatumia mafua ya PTC na mafua ya kasi ya kubadilika ili kuhakikisha kwamba vifaa vinavyotumika vinavyofanya kazi vizuri kupitia vikomo vya joto vya juu sana kutoka kwa minus 40 digrii Silosiashi hadi kwa plus 55. Mifumo hii husaidia kuzuia mapungufu ya hatari ya kuvuruga kwa sababu ya uchafuzi unapoanza kujaa wakati wa mabadiliko makubwa ya joto usiku, jambo linalolipatikana na kurekodiwa katika viashiria vya IEC TR 63397:2022.

Uzalishaji wa Digital: Vifaa vya Kuvunjika vya Akili kwa Kufuatilia, Kutoa Uwajibikaji wa Kiotomatiki, na Kufuata Sheria za Mtandao

Uingizwaji wa IEC 61850, Miongozo ya SCADA (Modbus/DNP3), na Uchunguzi wa Kipekee kwenye Kipengele cha Njia

Vifaa vya kubadilisha umeme (Switchgear) hushirikia mchanga katika mfumo ya kisasa ya nishati ya kuzalishwa tena, kufanya zaidi kuliko kufungua tu uhakika wa umeme. Unapowekwa kwenye vifaa vyenye kusaidia kwa kina viwango vya IEC 61850, hivyo inaruhusu vifaa vya tofauti vya kuvunja umeme (protection relays), vya kisensori, na vya kuagiza kushirikiana bila shida. Hii inafanya uwekaji wa mfumo kuwa rahisi zaidi na kusonga haraka mchakato wa kuthibitisha masharti ya mtandao wa umeme (grid codes). Leo pia, mfumo zaidi ya wakati huu hujumuisha vituo vya kudhibiti (SCADA) kupitia mbinu kama Modbus TCP na DNP3. Ujumbe huu unaruhusu wafanyikazi kudhibiti na kusimamia yote kutoka mbali wakijihifadhi usalama wa data kote katika mtandao. Vipengele vya kisasa vya kusimamia (smart processors) vilivyopangwa moja kwa moja ndani ya vifaa hivi vinaweza kuchunguza viwango vya sasa, ukubwa wa tukio la umeme (voltage readings), mabadiliko ya joto, na hata kugundua kutoa umeme kwa sehemu (partial discharges) kwenye eneo hilo. Vinajikuta matatizo chini ya milisekunde 20, ambayo ni muhimu sana wakati wa kujibu haraka matukio ya kujitenga kwa sehemu ya mtandao (islanding events). Zana za kuvunja matatizo kabla ya kutokea (predictive maintenance tools) zinachunguza jinsi ya utendaji wa vipengele kwa muda mrefu ili kuvunja wakati ambapo sehemu zinaweza kuharibika. Kulingana na taarifa za Energy Grid Insights kutoka mwaka wa 2023, mtazamo huu unapunguza muda wa kusitishwa kwa matukio ya bahati mbaya karibu nusu. Na pia kuna zaidi: mantiki ya kuvunja matatizo yanayobadilika kwa kiasi cha kisasa (adaptive protection logic) inahakikisha ustawi kwa kubadilisha mipangilio kwa kiotomatiki unapobadilika kiasi cha nishati ya kuzalishwa tena. Hii inasaidia kudumisha utii wa masharti ya kushinda upungufu wa umeme (low voltage ride through) na mipaka ya uharibifu wa umeme (harmonic distortion limits) bila hitaji la mshirika wa binadamu.

Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara

Mashakili ya voltage ambayo ni ya kawaida kwa vifaa vya kudhibiti umeme kutoka kwa mawasiliano ya nishati ya kisasa?

Voltage ya wastani (MV) huweza kufikia kati ya 1 kV na 52 kV na mara nyingi hutumika kwa mfumo mdogo, wakati voltage ya juu (HV) iko juu ya 52 kV na mara nyingi inahitajika kwa mafumbo makubwa ya uwekaji.

Vifaa vya kudhibiti umeme vinavyotumika vinavyosaidia mfumo wa uhifadhi wa nishati ya betri kwa namna gani?

Vifaa vya kudhibiti umeme wa DC vinavyotumika katika mfumo wa uhifadhi wa nishati ya betri hushughulikia changamoto maalum kama vile mafuriko ya haraka ya umeme kwa kujumuisha vipengele kama vile mizunguko ya uvutio wa magnetic na vifaa vya kudhibiti mafuriko ili kushughulikia matatizo haraka.

Nini ni badiliko la SF6 bila kuvuruga katika vifaa vya kudhibiti umeme?

Mipaka ya hivi karibuni yameanza kuelekea teknolojia ya kuvuruga kwa vacuum pamoja na vitu vya kuvuruga vya kisolidi, ikivuruga hitaji la gesi ya greenhouse ya SF6 wakati huo hupanga utendaji sawa.

Hali za mazingira zinavyoathiri vifaa vya kudhibiti umeme katika mahali pa mawasiliano ya nishati ya kisasa?

Vifaa vya kugeuza umeme katika vituo vya nishati ya kisasa vinaweza kukabiliana na matatizo kutokana na ukorofu wa chumvi, uvururu wa mchanga, na mizizi ya joto na baridi. Suluhisho linajumuisha kutumia makabati ya nguvu na mfumo wa usimamizi wa joto unaofanya kazi kwa njia ya kuboresha ili kuhakikisha uwezo wa kudumu.