نظام هجين فعال لتحسين الطاقة الكهربائية من الرياح والطاقة الشمسية مع التخزين
1. تحليل خصائص توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية
تحليل خصائص توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) هو أساس تصميم نظام هجين متكامل. يكشف التحليل الإحصائي لبيانات سرعة الرياح والإشعاع الشمسي السنوية لموقع معين أن موارد الرياح تظهر تغيرًا موسميًا، حيث تكون سرع الرياح أعلى في فصل الشتاء والربيع وأقل في الصيف والخريف. يعتبر إنتاج الطاقة من الرياح متناسبًا مع مكعب سرعة الرياح، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في الإنتاج.
من ناحية أخرى، تظهر موارد الطاقة الشمسية نماذج يومية وموسمية واضحة - ساعات النهار أطول وإشعاع أقوى في الصيف، وظروف أضعف في الشتاء. يؤثر ارتفاع درجة الحرارة سلبًا على كفاءة الألواح الكهروضوئية. من خلال مقارنة التوزيع الزمني للطاقة من الرياح والطاقة الشمسية، يتضح أنهما يظهران سلوكًا متكاملًا على دورة يومية وسنوية. هذا التكامل يتيح تصميم أنظمة طاقة فعالة واستقرارية، حيث يمكن تكوين نسبة قدرة مثلى للمصدرين لتوفير إنتاج طاقة مستقر بشكل عام.
2. نمذجة أنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والطاقة الشمسية
2.1 نموذج النظام الفرعي لتوليد الطاقة من الرياح
يتم بناء نموذج النظام الفرعي لتوليد الطاقة من الرياح على بيانات سرعة الرياح وخصائص التوربينات. يتم استخدام توزيع ويبل لتناسب توزيع احتمال سرعة الرياح، مما يصف سلوكه الإحصائي بدقة. يتم تمثيل العلاقة بين قوة الخرج من التوربين وسرعة الرياح بواسطة دالة جزئية تشمل معلمات رئيسية مثل سرعة الرياح المدخلة، سرعة الرياح المعينة، وسرعة الرياح القصوى.
يتم تطبيق طريقة المربعات الصغرى لتناسب منحنى قوة التوربين، مما ينتج عنه تعبير رياضي عن قوة الخرج مقابل سرعة الرياح. لاعتبار العشوائية في سرعة الرياح، يتم تقديم طريقة محاكاة مونت كارلو لتقدير إنتاج محطة الرياح. يعكس النموذج خصائص الديناميكية لأنظمة الطاقة من الرياح ويقدم أساسًا لتحسين النظام. كما يشمل أيضًا تأثير تغييرات اتجاه الرياح على كفاءة الإنتاج من خلال تقديم عامل تصحيح لاتجاه الرياح، مما يحسن دقة التنبؤ.
2.2 نموذج النظام الفرعي لتوليد الطاقة الكهروضوئية
يأخذ نموذج النظام الفرعي الكهروضوئي بعين الاعتبار الإشعاع الشمسي، درجة الحرارة المحيطة، وخصائص الوحدات الكهروضوئية. يتم إنشاء نموذج إحصائي لإشعاع الشمس لوصف تغيراته الزمنية. يتم تمثيل خصائص الخرج من الوحدات الكهروضوئية بواسطة منحنيات I-V. يتم نمذجة تأثير درجة الحرارة على الكفاءة باستخدام دائرة مكافئة ذات ماسح واحد، مع حساب قوة الخرج عن طريق حل نظام من المعادلات غير الخطية.
يشمل النموذج أيضًا عوامل مثل الظل والتراكم الغبار، ويقدم معاملات تصحيح لتعزيز دقة التنبؤ. كما يأخذ في الاعتبار تقادم الوحدات الكهروضوئية من خلال دمج معدل تدهور سنوي لتقدير تغيرات إنتاج الطاقة على المدى الطويل. يعكس هذا النموذج أداء نظام PV تحت ظروف بيئية مختلفة بدقة.
2.3 نموذج نظام تخزين الطاقة
يتم بناء نموذج نظام تخزين الطاقة بشكل أساسي على خصائص بطاريات أيون الليثيوم. يتم تطوير نموذج ديناميكي لحالة شحن البطارية (SOC) لوصف عمليات الشحن والتفريغ. يتم الأخذ في الاعتبار خصائص التفريغ الذاتي وكفاءة الشحن/التفريغ، مع تقديم عامل تصحيح لدرجة الحرارة ليعكس التأثيرات البيئية. يتم نمذجة عمر البطارية باستخدام مزيج من عدد الدورات وعمق التفريغ (DOD) لتقدير تدهور السعة.
يعكس النموذج أداء البطارية تحت ظروف تشغيل مختلفة، مما يدعم الحجم الأمثل والاستراتيجيات المثلى للتوزيع. كما يأخذ في الاعتبار تغير المقاومة الداخلية من خلال إنشاء علاقات وظيفية بين المقاومة وعد الدورات ودرجة الحرارة، مما يسمح بمحاكاة أكثر دقة للسلوك الديناميكي. تشمل المخرجات الرئيسية حالة الشحن في الوقت الحقيقي، السعة المتاحة، قوة الشحن/التفريغ، والمدة المتوقعة للحياة - مما يوفر دعمًا شاملًا للتشغيل والصيانة الأمثل.
2.4 نموذج التكامل النظامي
يجمع نموذج النظام المتكامل بين أنظمة الفروع الفرعية للرياح والطاقة الشمسية والتخزين في إطار موحد. يتم استخدام طريقة الحمل المكافئ لمعالجة التقلبات في الحمل، وتتم إنشاء معادلة توازن الطاقة لنظام. يتم تقديم مؤشرات الموثوقية مثل احتمالية فقدان الحمل (LOLP) والطاقة المتوقعة غير المقدمة (EENS) لتقييم أداء النظام. يتم استخدام المحاكاة الزمنية التسلسلية لحساب حالات التشغيل للنظام على نطاقات زمنية مختلفة.
يتخذ النموذج في الاعتبار التفاعلات بين الأنظمة الفرعية، مثل ظل التوربينات على الألواح الكهروضوئية. كما يشمل واجهة شبكة، مما يسمح بتحليل استراتيجيات التشغيل المتصلة بالشبكة، بما في ذلك التوزيع الاقتصادي تحت تعريفات الاستخدام الزمني وخدمات تنظيم تردد الشبكة. تشمل المخرجات إجمالي توليد الطاقة، معدل الرضا عن الحمل، ومعايير الأداء الاقتصادية، مما يوفر الأساس النظري الشامل لتخطيط وتصميم النظام واتخاذ القرارات التشغيلية.
3. طرق التحسين والتحليل التجريبي لأنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والطاقة الشمسية
3.1 دالة الهدف والقيود
تحتوي دالة الهدف على اعتبارات اقتصادية ومعيارية وبيئية. الهدف الاقتصادي هو تقليل التكلفة الكلية للنظام، بما في ذلك الاستثمار الأولي، التشغيل والصيانة (O&M)، وتكاليف الاستبدال. الهدف المعياري هو زيادة موثوقية تزويد الطاقة، والذي يتم تحديده بتقليل LOLP. الهدف البيئي يتم قياسه بزيادة انبعاثات الكربون المنخفضة.
تشمل القيود توازن الطاقة، حدود سعة تخزين الطاقة، وحدود تشغيل المعدات. تضمن قيد توازن الطاقة استيفاء الطلب على الحمل في جميع الأوقات. تحدد قيود سعة التخزين عمق التفريغ (DOD) لتمديد عمر البطارية. تأخذ قيود المعدات في الاعتبار قوة التصميم وخصائص التشغيل للمكونات. يتم دمج هذه الأهداف في دالة هدف واحدة باستخدام طريقة الترجيح متعددة الأهداف، مع تحديد الأوزان بناءً على تفضيلات صانع القرار والسياقات التطبيقية.
3.2 تطبيق خوارزمية تحسين سرب الجسيمات (PSO)
يتم تطبيق خوارزمية تحسين سرب الجسيمات (PSO)، وهي خوارزمية تحسين ذكية، على تصميم أنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والطاقة الشمسية. من خلال تقليد سلوك أسراب الطيور، تقوم PSO بالبحث عن الحلول المثلى في مساحة الحل. يمثل كل جسيم تكوين نظام محتمل، بما في ذلك المتغيرات المرجعية مثل قدرة التوربينات الرياحية، قدرة الألواح الكهروضوئية، وسعة التخزين. يتم تحديث موقع وسرعة الجسيم بشكل متكرر، متجهًا نحو الحل الأمثل العالمي.
لتحسين الأداء، يتم تبني استراتيجية وزن ثقل يتناقص خطياً - الحفاظ على استكشاف عالمي قوي في البداية وتعزيز الاستغلال المحلي لاحقاً. يتم تقديم الطفرة التكيفية لتجنب الحلول المحلية. نظرًا لتعقيد المشكلة، يتم استخدام استراتيجية الترميز الهرمية لفصل المتغيرات المستمرة والمتقطعة. تتوقف الخوارزمية عند الوصول إلى عدد التكرارات الأقصى أو عندما يتغير القيمة المثلى بأقل من حد معين عبر التكرارات المتتالية.
3.3 تصميم التجربة وإعداد المعلمات
يتم بناء التجربة على بيانات أرصادية وحمولة فعلية من منطقة معينة، باستخدام بيانات ساعة واحدة لمدة سنة نموذجية. تشمل المدخلات الأرصادية سرعة الرياح والإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة بشكل ساعي. تتبع ملفات الحمل نمط استهلاك معتاد في المدينة الصناعية، مما يعكس التغيرات الموسمية واليومية. يتم اختيار معلمات المعدات من التوربينات الرياحية والألواح الكهروضوئية التجارية الرئيسية، مع الحصول على بيانات الأداء من تقارير اختبار الشركات المصنعة.
يتم استخدام بطارية أيون الليثيوم للتخزين، بمعلمات تشمل السعة المحددة، كفاءة الشحن/التفريغ، ودورة الحياة. يتم ضبط معلمات PSO كالتالي: حجم السكان = 50، عدد التكرارات الأقصى = 1000، الوزن الثابت يتناقص خطياً من 0.9 إلى 0.4، والعوامل التعليمية c1 وc2 محددة بـ 2. لضمان موثوقية النتائج، يتم تشغيل كل تكوين 30 مرة، مع الأخذ بمتوسط النتائج كناتج نهائي.
3.4 مقاييس تقييم أداء النظام
تغطي مقاييس تقييم الأداء الجوانب التقنية والاقتصادية والبيئية. تشمل المؤشرات التقنية موثوقية النظام ومعدل استغلال الطاقة وتوفير الطاقة. يتم قياس الموثوقية باستخدام مؤشر قدرة التزويد (RSCI) واحتمال فقدان تزويد الطاقة (LPSP). يعكس معدل استغلال الطاقة كفاءة الطاقة المتجددة، بينما يقوم تقييم توفير الطاقة بتقييم استقرار الإنتاج. تشمل المؤشرات الاقتصادية التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE) والقيمة الحالية الصافية (NPV) ومدة الاسترداد. تعتبر LCOE تكاليف دورة الحياة، بينما تعكس NPV ربحية المشروع، وتعكس مدة الاسترداد سرعة استرداد رأس المال.
يتم حساب المؤشر البيئي وهو تقليل انبعاثات الكربون بالمقارنة مع توليد الطاقة التقليدية القائمة على الوقود الأحفوري. بالإضافة إلى ذلك، يتم دمج المؤشر المركب للأداء الشامل لنظام (SCBI) عبر الجمع المرجح للمؤشرات التقنية والاقتصادية والبيئية. يتم تحديد هذه المقاييس وأوزانها بناءً على الحكم الخبري والحاجات العملية، مما يوفر تقييمًا شاملًا لأداء النظام ويدعم اتخاذ القرارات المستنيرة.
| الفئة | اسم المؤشر | الرمز | الوحدة | القيمة |
| المؤشرات التقنية | موثوقية تزويد الطاقة | RSCI | % | 99.2 |
| احتمال فقدان تزويد الطاقة | LPSP | % | 0.8 | |
| معدل استغلال الطاقة | EUF | % | 87.5 | |
| تكلفة تزويد الطاقة | POE | يوان/كيلوواط ساعة | 0.85 | |
| المؤشرات الاقتصادية | التكلفة المستوية للكهرباء | LCOE | يوان/كيلوواط ساعة | 0.45 |
| القيمة الحالية الصافية | NPV | عشرات الآلاف من اليوان | 1200 | |
| مدة الاسترداد | PBP | سنة | 7.5 | |
| المؤشرات البيئية | تقليل انبعاثات الكربون | CER | طن/سنة | 3500 |
| المؤشرات الشاملة | مؤشر الفائدة الشامل لنظام | SCBI | — | 0.92 |
3.5 تحليل نتائج التحسين
تظهر نتائج التحسين أن نظام توليد الطاقة الهجين من الرياح والطاقة الشمسية يقدم مزايا كبيرة مقارنة بأنظمة الطاقة الواحدة. في السيناريو الأساسي، يتكون التكوين الأمثل من 2 ميجاوات من قدرة الطاقة من الرياح، 1.5 ميجاوات من قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، و500 كيلوواط ساعة من تخزين الطاقة. هذا التكوين يقلل من احتمال فقدان تزويد الطاقة (LPSP) إلى أقل من 1% ويقلل من التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE) بنسبة حوالي 15% مقارنة بأنظمة الرياح أو الطاقة الشمسية المستقلة. يكشف التحليل الحساسية أن تكلفة المعدات لها أكبر تأثير على نتائج التحسين - خفض تكلفة المعدات بنسبة 10% يؤدي إلى خفض LCOE بنسبة حوالي 8%.
تؤثر تغيرات ملفات الحمل بشكل كبير على حجم تخزين الطاقة؛ تحتاج الاختلافات الكبيرة بين الذروة والقاع في الحمل إلى سعة تخزين أكبر. تتغير التكوينات الأمثل عبر المناطق: تفضل المناطق الغنية بالرياح نسبة أعلى من الطاقة من الرياح، بينما تزيد المناطق الغنية بالشمس من حصة الطاقة الشمسية. يولد التحسين متعدد الأهداف الجبهة الباريتو، مما يتيح لصانعي القرار موازنة الكفاءة الاقتصادية والموثوقية وفقًا للحاجات العملية. تظهر النتائج أيضًا أن دمج آلية تداول الكربون يحسن الأداء الاقتصادي بشكل أكبر، مما يقلل من LCOE بنسبة إضافية تتراوح بين 5% و10%. تؤكد المحاكاة طويلة الأمد استقرار النظام، مع بقاء تدهور الأداء على مدى فترة تشغيل 20 عامًا ضمن التسامح المصمم.
