Sistema d'Optimització Híbrida d'Energia Eòlica i Solar: Una Solució de Disseny Comprehensiva per a Aplicacions Fora de la Xarxa

1. Introducció i antecedents

1.1 Desafiaments dels sistemes de generació d'energia d'un sol origen

Els sistemes tradicionals de generació fotovoltaica (PV) o eòlica tenen desavantatges inherents. La generació fotovoltaica està afectada pels cicles diurns i les condicions meteorològiques, mentre que la generació eòlica depèn de recursos de vent inestables, el que provoca fluctuacions significatives en la producció d'energia. Per assegurar un subministrament d'energia continu, són necessaris bancs de bateries de gran capacitat per a l'emmagatzematge i l'equilibri d'energia. No obstant això, les bateries que experimenten cicles de càrrega i descàrrega freqüents tendeixen a mantenir-se en un estat de subcàrrega durant períodes prolongats en condicions operatives severes, resultant en una vida útil pràctica molt més curta que el valor teòric. Més críticament, el cost elevat de les bateries significa que el seu cost total de cicle de vida pot arribar o fins i tot superar el cost dels mòduls PV o els aerogeneradors mateixos. Per tant, estendre la vida útil de les bateries i reduir els costos del sistema han esdevingut els reptes principals en l'optimització dels sistemes autònoms.

1.2 Avantatges significatius de la generació híbrida eòlico-fotovoltaica

La tecnologia de generació híbrida eòlico-fotovoltaica supera eficientment la intermitència d'un únic origen d'energia combinant orgànicament la energia fotovoltaica i eòlica, dos recursos renovables. L'energia eòlica i solar mostren una complementaritat natural en el temps (dia/noche, estacions): la llum solar intensa durant el dia sovint coincideix amb vents potencialment més forts de nit; la bona irradiació solar en estiu pot combinar-se amb recursos eòlics abundants en hivern. Aquesta complementaritat permet:

• Estendre significativament el temps efectiu de càrrega de les bateries, reduint el temps que passen en un estat de subcàrrega, allargant substancialment la vida útil de les bateries.
• Reduir la capacitat de bateria requerida. Com que la probabilitat que tant l'energia eòlica com la solar no estiguin disponibles simultàniament és baixa, el sistema pot sovint alimentar directament la càrrega, permetent l'ús d'un banc de bateries de menor capacitat.
• Els estudis nacionals i internacionals confirman que els sistemes híbrids eòlico-solars superen els sistemes de generació d'energia d'un sol origen en termes de fiabilitat del subministrament d'energia i eficiència del cost de cicle de vida.

1.3 Defectes dels mètodes de disseny existents i la solució proposada

El disseny actual del sistema enfronta reptes. El software de simulació professional estranger és car, i els seus models bàsics sovint són confidencials, dificultant la seva adopció generalitzada. A més, la majoria dels mètodes de disseny simplificats són inadequats: o bé depenen excessivament de mitjanes meteorològiques ignorant detalls, o utilitzen models lineals simplificats que duen a una precisió limitada i una aplicabilitat pobra.

Aquesta solució pretén proposar un conjunt de metodologies de disseny assistit per computadora precisas i pràctiques per abordar aquests problemes.

II. Composició del sistema i models tècnics bàsics

2.1 Arquitectura del sistema

El sistema de generació híbrida eòlico-fotovoltaica dissenyat en aquesta solució és un sistema complet fora de xarxa, sense fonts de subministrament de reserva com generadors a diesel. Les components bàsiques inclouen:

• Unitat de generació d'energia: Aerogeneradors, array fotovoltaic.
• Unitat d'emmagatzematge i gestió d'energia: Banc de bateries, controlador de càrrega (per gestionar la càrrega i descàrrega).
• Unitat de protecció i conversió: Càrrega de desviació (evita la sobrecàrrega de les bateries, protegeix l'inversor), inversor (converteix DC en AC per satisfer la majoria de les necessitats de càrrega).
• Unitat de consum d'energia: Càrrega.

2.2 Models de càlcul de generació d'energia precisa

Per aconseguir un disseny optimitzat, hem establert models de càlcul de generació d'energia horaris precisos.

• Model de l'array fotovoltaic:
1. Transposició de radiació solar: Utilitza un model avançat de difusió anisotròpica del cel per transposar amb precisió les dades de radiació solar horitzontal mesurades per les estacions meteorològiques a la irradiancia incident sobre la superfície inclinada dels mòduls fotovoltaics, considerant de manera integral la radiació directa, la radiació difusa del cel i la radiació reflectida pel sòl.
2. Simulació de les característiques del mòdul: Utilitza un model físic precís per caracteritzar les característiques de sortida no lineals dels mòduls fotovoltaics, tenint en compte plenament l'efecte de la irradiancia i la temperatura ambiental sobre el voltatge i la corrent de sortida del mòdul, assegurant la precisió dels càlculs de generació d'energia.
• Model de l'aerogenerador:
1. Correcció de la velocitat del vent: Corrigeix la velocitat del vent a la altura de referència dels dades meteorològiques a la velocitat real del vent a la altura del hub basant-se en la llei exponencial que regula la variació de la velocitat del vent amb l'altura.
2. Ajust de la corba de potència: Utilitza una funció segmentada (equacions binomials diferents per intervals de velocitat del vent diferents) per aconseguir un ajust de precisió elevada de la corba de potència real de l'aerogenerador, permetent un càlcul horari precís de l'energia basat en les dades de velocitat del vent.

2.3 Model de característiques dinàmiques de la bateria

La bateria és el component central d'emmagatzematge d'energia, amb estats que canvien dinàmicament. El model es centra principalment en:

• Càlcul de l'estat de càrrega (SOC): Simula dinàmicament els processos de càrrega i descàrrega de la bateria basant-se en la relació entre la generació d'energia i el consum de càrrega a cada pas de temps, calculant amb precisió la capacitat restant, tenint en compte factors pràctics com la taxa de descàrrega automàtica, l'eficiència de càrrega i l'eficiència de l'inversor.
• Gestió de càrrega i descàrrega: Per estendre la vida útil de la bateria, es defineix un rang operatiu raonable de SOC (per exemple, limitant la profunditat màxima de descàrrega al 50%), i es estableix un model que relaciona el voltatge de flotació amb el SOC i la temperatura ambiental per determinar amb precisió les condicions de càrrega.

III. Metodologia d'optimització i dimensionament del sistema

3.1 Indicadors de fiabilitat del subministrament d'energia

El disseny prioritza la satisfacció dels requisits de fiabilitat del subministrament d'energia especificats per l'usuari. Els indicadors clau inclouen:

• Probabilitat de pèrdua del subministrament d'energia (LPSP): La raó entre el temps d'interrupció del sistema i el temps total d'avaluació, refleixint intuïtivament la continuitat del subministrament.
• Probabilitat de pèrdua de càrrega (LLP): La raó entre la demanda de potència de càrrega no satisfera pel sistema i la demanda total. És l'indicador central més crític per al disseny d'optimització del sistema.

3.2 Proces d'optimització de disseny pas a pas

Aquesta solució adopta un procés d'optimització sistemàtic, amb l'objectiu de minimitzar el cost inicial d'investiment en equips per trobar la configuració òptima.

1. Pas 1: Optimitzar la configuració de PV i bateria per a una capacitat fixa d'aerogenerador
• Tasca central: Sota la condició que el model i la quantitat d'aerogeneradors estiguin fixats, trobar la combinació de capacitats de mòduls fotovoltaics i bateries que compleixi l'indicador de fiabilitat predefinit (LPSP) i resulti en el cost total d'equips més baix.
• Mètode d'implementació: A través de càlculs de simulació, traça la "corba d'equilibri" que representa totes les configuracions de PV i bateria que compleixen el requisit de fiabilitat. A continuació, utilitzant el mètode de la tangent de cost o la selecció de programes informàtics basada en els preus unitaris d'equipament, es determina la combinació òptima única amb el cost més baix.
2. Pas 2: Optimització global variat la capacitat d'aerogenerador
• Tasca central: Canviar la capacitat o el nombre d'aerogeneradors, repetir el procés d'optimització del Pas 1, i obtenir una sèrie de configuracions òptimes i els seus costos corresponents per a capacitats d'aerogeneradors diferents.
• Decisió final: Comparar els costos totals de totes les solucions candidates i seleccionar la combinació d'eòlica-PV-bateria amb el cost global més baix com a configuració òptima final del sistema.

3.3 Simulació i sortida del rendiment del sistema

Després de determinar la configuració òptima, es pot simular l'operació anual del sistema hora a hora, generant informes detallats que inclouen:

• Dimensió temporal: Estat de càrrega de la bateria horaria, balanç energètic del sistema.
• Dimensió estadística: Energia de càrrega no satisfera diària/mensual/anual, indicadors de fiabilitat (LPSP, LLP), participació de la generació d'energia eòlica i solar, situacions d'excedents i deficits d'energia, etc.

IV. Conclusió

El mètode de disseny optimitzat per a sistemes de generació híbrida eòlico-fotovoltaica proposat en aquesta solució, basat en models matemàtics comprehensius i dades meteorològiques locals precises, pot determinar de manera única la configuració del sistema amb el cost inicial d'investiment en equips més baix, mentre satisfa les demandes específiques d'electricitat de l'usuari i els requisits de fiabilitat del subministrament d'energia. Aquest mètode aborda eficientment les deficiències dels sistemes de generació d'energia d'un sol origen, supera les limitacions dels mètodes de disseny existents, i proporciona una eina potent per al disseny científic, eficient i econòmic de sistemes de generació híbrida eòlico-fotovoltaica, amb un valor significatiu per a les aplicacions enginyeriles.