Hibried Wind-Sonne Energie Sisteme Optimering: 'n Omvattende Ontwerplossing vir Afgelysde Toepassings

1. Inleiding en agtergrond

1.1 Uitdagings van enkelsyferige kragopwekkingsisteme

Tradisionele selfstandige fotovoltaïese (PV) of windkragopwekkingsisteme het inherente nadele. PV-kragopwekking word beïnvloed deur daaglikse siklusse en weerstoestande, terwyl windkragopwekking afhanklik is van onstabiele windhulpbronne, wat lei tot beduidende fluktuasies in die kragopbrengsel. Om 'n kontinue kragverskaffing te verseker, is groot kapasiteits batteriebankke nodig vir energieopberging en -balansering. Batterye wat gereeld oplaai-ontlaai-siklusse ondergaan, bly egter langer as normaal in 'n onderlaaistadium onder swaar bedryfstoestande, wat lei tot 'n praktiese diensleeftyd wat baie korter is as die teoretiese waarde. Belangrikker is dat die hoë koste van batterye beteken dat hul totale leeftydse koste kan nader of selfs oorskry die koste van die PV-module of windturbines self. Daarom het die verlenging van batteryleefduur en die vermindering van stelselkoste die kernuitdagings geword in die optimalisering van selfstandige kragstelsels.

1.2 Beduidende voordele van hibriede wind-solarkragopwekking

Hibriede wind-solarkragopwekkingstegnologie oorkom effektief die intermitterendheid van enkelsyferige energiehulpbronne deur organies PV- en windkrag, twee hernubare energiebronne, te kombineer. Wind- en sonenergie wys 'n natuurlike komplementerheid in tyd (dag/nag, seisoene): sterke sonlig tydens die dag val dikwels saam met potensieel sterker wind by nag; goeie sonbestraaling in die somer kan gepaard gaan met genoegsame windhulpbronne in die winter. Hierdie komplementerheid maak moontlik:

• Beduidende verlenging van die effektiewe oplaaityd vir batterye, wat die tyd verminder dat hulle in 'n onderlaaistadium bly, en dus die batteryleefduur aansienlik verleng.
• Vermindering in die benodigde batteriekapasiteit. Aangesien die waarskynlikheid laag is dat beide wind en son nie gelyktydig beskikbaar is nie, kan die stelsel dikwels direk die belasting kragtoesien, wat 'n kleiner kapasiteits batteriebank toelaat.
• Kernstudies bevestig dat hibriede wind-solarkragstelsels boen op enkelbronkragopwekkingsisteme uitkom in terme van kragverskaffingbetroubaarheid en leeftydse kosteeffektiwiteit.

1.3 Nadele van bestaande ontwerpmetodes en die voorgestelde oplossing

Huidige stelselontwerp ervaar uitdagings. Professionele simulasiesagteware van buite is duur, en hul kernmodelle is dikwels vertroulik, wat wydverspreide aanvaarding belemmer. Tussenintydse is die meeste vereenvoudigde ontwerpmetodes onvoldoende—of hulle is te veel afhanklik van meteorologiese gemiddeldes en ignoreer detail, of hulle gebruik lineêre vereenvoudigde modelle wat gevolglik beperkte akkuraatheid en swak toepasbaarheid het.

Hierdie oplossing poog om 'n stel akkurate en praktiese rekenaarondersteunde ontwerpmetodologieë voor te stel om die bogenoemde kwessies aan te spreek.

II. Stelselkomposisie en kern tegniese modelle

2.1 Stelselargitektuur

Die hibriede wind-solarkragopwekkingsstelsel wat in hierdie oplossing ontwerp is, is 'n volledig selfstandige off-grid stelsel, sonder back-upkragbronne soos dieselmotors. Die kernkomponente sluit in:

• Kragopwekkingseenheid: Windturbine-generators, PV-array.
• Energieopbergings- en bestuureenheid: Batteriebank, laadbeheerder (vir die bestuur van oplaai en ontlaai).
• Beskerming- en omskakelingseenheid: Afleidingsbelasting (voorkom batterieoverlaai, beskerm inwerter), inwerter (skakel DC na AC om die meeste belastingsbehoeftes te bevredig).
• Kragverbruikseenheid: Belasting.

2.2 Akkurate kragopwekkingberekeningsmodelle

Om geoptimaliseerde ontwerp te bereik, het ons akkurate uurlikse kragopwekkingberekeningsmodelle opgestel.

• PV-arraymodel:
1. Sonstralingstransposisie: Gebruik 'n gevorderde anisotrope lugdiffuse model om horisontale sonstralingsdata gemete deur weersstasies akkuraat te transponeer na die insident straling op die geneigde oppervlak van die PV-module, alomtrekkend rekening houende van direkte straalstraling, lugdiffuse straling, en grondreflekteerde straling.
2. Modulekenmerksimulasie: Gebruik 'n presiese fisiese model om die nie-lineêre uitsetkenmerke van PV-module te karakteriseer, volledig rekening houende van die effekte van straling en omgewingstemperatuur op module-uitsetspanning en -stroom, om die akkuraatheid van kragopwekkingberekeninge te verseker.
• Windturbinemodel:
1. Windsnelheidkorreksie: Korrekteer die verwysingshoogte windsnelheid van meteorologiese data na die werklike hubhoogte windsnelheid gebaseer op die eksponensiële wet wat windsnelheidvariasie met hoogte reguleer.
2. Kragkromme-passing: Gebruik 'n gesegmenteerde funksie (verskillende binomiale vergelykings vir verskillende windsnelheidintervalle) om hoëakkuraat fitting van die turbine se werklike kragopwekkingkromme te bewerkstellig, wat akkurate uurlikse energieberekeninge op basis van windsnelheidsdata moontlik maak.

2.3 Batteriedinamiese kenmerkmodel

Die batterie is die kernenergieopbergingskomponent, met dinamies veranderende state. Die model fokus hoofsaaklik op:

• Toestand van oplaai (SOC)-berekening: Dinamies simuleer die batterie se oplaai- en ontlaaisiklusse gebaseer op die verhouding tussen kragopwekking en belastingverbruik by elke tydstap, akkuraat die oorblywende kapasiteit bereken, terwyl praktyse faktore soos self-ontlaairifkoers, oplaai-effektiwiteit, en inwerter-effektiwiteit in ag geneem word.
• Oplaai-ontlaaibestuur: Om die batteryleefduur te verleng, word 'n redelike SOC-bewerkstellingsbereik gedefinieer (bv. die maksimum diepgang van ontlaai beperk tot 50%), en 'n model wat dreefoplai-spanning korreleer met SOC en omgewingstemperatuur word opgestel om oplaai-toestande akkuraat te bepaal.

III. Stelseloptimalisering en groottemetodologie

3.1 Kragverskaffingbetroubaarheidsindikatore

Die ontwerp gee voorrang aan die voldoening van die gebruiker se gespesifiseerde kragverskaffingbetroubaarheidsvereistes. Kernindikatore sluit in:

• Verlies van kragverskaffingwaarskynlikheid (LPSP): Die verhouding van stelseluitvaltyd tot die totale evaluasietyd, wat intuïtief die kontinuiteit van die verskaffing weerspieël.
• Verlies van belastingwaarskynlikheid (LLP): Die verhouding van die belastingkragbehoeftes wat nie deur die stelsel bevredig word nie tot die totale behoefte. Dit is die mees kritiese kernindikator vir stelseloptimaliseringsontwerp.

3.2 Stap-vir-stap optimaliseringontwerpproses

Hierdie oplossing gebruik 'n sistematiese optimaliseringproses, met die doel om die aanvanklike toerustingkoste te minimeer om die optimale konfigurasie te vind.

1. Stap 1: Optimaliseer PV- en batteriekonfigurasie vir 'n vaste windturbinekapasiteit
• Kernopdrag: Onder die voorwaarde dat die windturbine-model en -hoeveelheid vasgestel is, vind die kombinasie van PV-module- en batteriekapasiteite wat aan die voorafbepaalde betroubaarheidsindikator (LPSP) voldoen en die laagste totale toerustingkoste veroorsaak.
• Implementeringsmetode: Deur simulasieberekeninge, plot die "balanseringskromme" wat alle PV- en batteriekonfigurasies verteenwoordig wat aan die betroubaarheidsvereiste voldoen. Dan, deur middel van die kostetangentmetode of rekenaarpogramgeskrewe skerming gebaseer op toerusting-eenheidspryse, bepaal die unieke optimale kombinasie met die laagste koste.
2. Stap 2: Globale optimalisering deur die verandering van windturbinekapasiteit
• Kernopdrag: Verander die windturbinekapasiteit of -getal, herhaal die optimaliseringproses van Stap 1, en verkry 'n reeks optimale konfigurasies en hul ooreenkomstige koste vir verskillende windturbinekapasiteite.
• Uiteindelike besluit: Vergelyk die totale koste van alle kandidaatoplossings en kies die wind-PV-batteriekombinasie met die globaal laagste koste as die uiteindelike geoptimaliseerde stelselkonfigurasie.

3.3 Stelsellewensduur simulasie en uitset

Ná die bepaling van die optimale konfigurasie, kan die stelsel se jaarlikse operasie uurlik gesimuleer word, met die generering van gedetailleerde verslae insluitend:

• Tydsgedimensie: Uurlikse batteriestatus van oplaai, stelselenergiebalans.
• Statistiese dimensie: Daglikse/maandelikse/jaarlikse onbevredigde belastingenergie, betroubaarheidsindikatore (LPSP, LLP), wind/solarkragopwekkingdeelname, energieoverskoot- en tekorttoestande, ens.

IV. Gevolgtrekking

Die geoptimaliseerde ontwerpmetode vir hibriede wind-solarkragopwekkingsisteme wat in hierdie oplossing voorgestel word, gebaseer op omvattende wiskundige modelle en presiese plaaslike meteorologiese data, kan uniek die stelselkonfigurasie bepaal met die minimum aanvanklike toerustinginvesteringskoste terwyl spesifieke gebruiker elektrisitebehoeftes en kragverskaffingbetroubaarheidsvereistes bevredig. Hierdie metode adresseer effektief die nadele van enkelsyferige kragopwekkingsisteme, oorkom die beperkings van bestaande ontwerpbenaderings, en bied 'n kragtige instrument vir die wetenskaplike, effektiewe, en ekonomiese ontwerp van hibriede wind-solarkragopwekkingsisteme, wat beduidende waarde vir ingenieursaanwendinge het.