Sistema Ibrido Eolico-Fotovoltaico: Malfunzionamenti e Soluzioni

1. Malfunzionamenti e cause comuni negli aerogeneratori

Come componente chiave dei sistemi ibridi eolico-fotovoltaici, gli aerogeneratori presentano principalmente malfunzionamenti in tre aree: struttura meccanica, sistemi elettrici e funzioni di controllo. L'usura e la rottura delle pale sono i malfunzionamenti meccanici più comuni, causati tipicamente dall'impatto del vento a lungo termine, dalla fatica del materiale o da difetti di fabbricazione. I dati di monitoraggio sul campo mostrano che la durata media delle pale è di 3-5 anni nelle regioni costiere, ma può ridursi a 2-3 anni nelle regioni nord-occidentali con frequenti tempeste di sabbia. Inoltre, l'usura eccentrica dei cuscinetti è particolarmente evidente negli aerogeneratori ad asse orizzontale, principalmente a causa di un funzionamento prolungato fuori centro e di una distribuzione dello stress non uniforme.

Nei sistemi elettrici, la perdita di fase in uscita e l'instabilità della tensione sono due problemi tipici. Gli aerogeneratori generano energia elettrica trifase, e connessioni povere o cavi allentati possono facilmente portare a fasi squilibrate o mancanti. Le statistiche dell'industria indicano che circa il 25% dei guasti degli aerogeneratori è correlato a problemi di cablaggio. Un altro problema comune è il malfunzionamento del sistema di frenatura, dove la velocità del rotore non diminuisce significativamente dopo un cortocircuito trifase, possibilmente a causa dell'usura del freno o di un malfunzionamento del controllo elettrico.

I malfunzionamenti del controller si manifestano principalmente come logiche di distribuzione di potenza difettose. Le strategie tradizionali basate su soglie fisse non riescono ad adattarsi a condizioni meteorologiche complesse e mutevoli. Ad esempio, durante le prime ore del mattino con vento leggero e aumento della luminosità solare, il controllo tradizionale mantiene l'uscita dell'aerogeneratore solo al 30%-40% del potere nominale a causa della velocità del vento insufficiente, sprecando così una quantità significativa di energia eolica. Le statistiche mostrano che i sistemi ibridi eolico-fotovoltaici che utilizzano strategie di controllo tradizionali hanno tassi di utilizzo energetico medi 15%-20% inferiori rispetto ai sistemi intelligenti.

2. Malfunzionamenti e cause comuni nei pannelli fotovoltaici

Anche i pannelli fotovoltaici nei sistemi ibridi affrontano vari rischi di malfunzionamento. I danni superficiali e i malfunzionamenti dei connettori terminali sono i guasti fisici più visibili, spesso causati da condizioni meteorologiche avverse, impatto della sabbia o installazione impropria. Nelle aree a vento elevato, i pannelli fotovoltaici subiscono una percentuale annuale di danni media del 5%-8%, richiedendo ispezioni e manutenzione regolari.

Elettricamente, gli effetti hot spot e l'ombreggiatura parziale sono i fattori chiave che influenzano l'efficienza fotovoltaica. Quando parte di un pannello è ombreggiata, l'energia dalle aree non ombreggiate fluisce in senso inverso nell'area ombreggiata, causando un surriscaldamento localizzato e formando hot spot. Gli effetti hot spot prolungati possono ridurre l'efficienza del pannello del 15%-20% e persino causare danni permanenti. Inoltre, il PID (Potential Induced Degradation) è un fattore significativo che influenza la durata del pannello, specialmente in ambienti ad alta umidità, dove l'efficienza può diminuire del 5%-10% entro 1-2 anni.

La degradazione delle prestazioni è principalmente dovuta alla degradazione indotta dalla luce e al fallimento del materiale di encapsulamento. Gli standard dell'industria richiedono che i moduli fotovoltaici di alta qualità abbiano una tasso di degradazione annuale inferiore allo 0,3%-0,5% su una durata di vita di 25 anni. Tuttavia, nella pratica, i fattori ambientali e l'invecchiamento dei materiali possono causare tassi di degradazione annuali dello 0,8%-1,2%, influenzando significativamente l'efficienza complessiva del sistema.

3. Analisi dei malfunzionamenti dei controller e dei sistemi di batterie

Come "cervello" del sistema ibrido eolico-fotovoltaico, le prestazioni del controller influiscono direttamente sulla stabilità del sistema. Il problema principale risiede nelle limitazioni delle strategie tradizionali di distribuzione del potere, che si basano su parametri empirici fissi e giudizi di soglia semplici, rendendole incapaci di adattarsi a fluttuazioni energetiche in tempo reale. In condizioni meteorologiche complesse, questi controller non possono regolare prontamente l'allocazione del potere, portando a una stabilità del potere deteriorata. Ad esempio, durante cambiamenti meteorologici improvvisi come spostamenti rapidi del vento o copertura nuvolosa veloce, i controller tradizionali possono impiegare diversi minuti o più per rispondere, non riuscendo a soddisfare i rigorosi requisiti di qualità del potere delle attrezzature industriali moderne.

I malfunzionamenti dei sistemi di batterie sono principalmente categorizzati in carica insufficiente, ingresso d'acqua e degradazione della capacità. La carica insufficiente si verifica quando la tensione scende sotto la soglia di avvio del controller; una carica insufficiente prolungata porta a una scarica profonda, riducendo la durata della batteria. L'ingresso d'acqua è spesso dovuto a un'installazione impropria o a una sigillatura povera, risultando in letture di tensione estremamente basse, nulle o false, causando danni gravi alla batteria. Le statistiche mostrano che circa il 15% dei guasti dei sistemi ibridi è correlato all'ingresso d'acqua nelle batterie.

La degradazione della capacità è un processo naturale di invecchiamento, ma i fattori ambientali possono accelerarlo significativamente. Nei regioni altopianiche, le basse temperature notturne possono ridurre le prestazioni dei pannelli fotovoltaici del 30%-40%, mentre anche la capacità utilizzabile della batteria diminuisce, rendendo difficile soddisfare le esigenze di carico in condizioni di bassa luminosità. Inoltre, gli ambienti ad alta salinità corrodono significativamente le batterie; nelle aree costiere, la durata della batteria nei sistemi ibridi è generalmente 30%-50% inferiore rispetto alle aree interne.