Optimalizace hybridního systému větrné a sluneční energie: Komplexní návrh řešení pro mimořídicí aplikace

1. Úvod a Pozadí

1.1 Výzvy jednozdrojových systémů pro výrobu elektřiny

Tradiční samostatné fotovoltaické (PV) nebo větrné systémy pro výrobu elektřiny mají vrozené nedostatky. Výroba elektřiny z fotovoltaiky je ovlivněna denními cykly a počasím, zatímco výroba elektřiny z větru závisí na nestabilních větrných zdrojích, což vede k výrazným fluktuacím výkonu. Pro zajištění kontinuální dodávky elektřiny jsou nezbytné velké bateriové banky pro ukládání a vyrovnávání energie. Avšak baterie, které podléhají častým cyklům nabíjení a vypouštění, mohou být v přísných provozních podmínkách dlouhou dobu v podnabitém stavu, což vedne k praktické životnosti, která je mnohem kratší než teoretická hodnota. Kritičtější je, že vysoká cena baterií znamená, že jejich celkové náklady na životní cyklus mohou přiblížit nebo dokonce přesáhnout náklady na PV panely nebo větrné turbíny samotné. Proto prodloužení životnosti baterií a snížení nákladů systému se stalo klíčovou výzvou v optimalizaci samostatných energetických systémů.

1.2 Významné výhody hybridní větrné-slněční výroby elektřiny

Hybridní technologie větrné-slněční výroby elektřiny efektivně překonává intermitenci jednoho zdroje energie organickým kombinováním dvou obnovitelných zdrojů energie - fotovoltaiky a větru. Větrná a slněční energie ukazují přirozenou doplňkovost v čase (den/noční, roční období): silné slunce během dne často souvisí s potenciálně silnějším větrem v noci; dobrá sluneční radiace v létě může být spojena s hojnými větrnými zdroji v zimě. Tato doplňkovost umožňuje:

• Značné prodloužení efektivní doby nabíjení baterií, snížení doby, kterou stráví v podnabitém stavu, a tedy výrazné prodloužení životnosti baterií.
• Snížení požadované kapacity baterií. Protože pravděpodobnost, že budou současně nedostupné jak větrná, tak i slněční zdroje, je nízká, systém může často přímo napájet zátěž, což umožňuje použití menší bateriové banky.
• Domácí a mezinárodní studie potvrzují, že hybridní větrné-slněční systémy předčí jednozdrojové systémy vydávání elektřiny v oblasti spolehlivosti dodávky elektřiny a ekonomické efektivnosti životního cyklu.

1.3 Nedostatky stávajících metod návrhu a navržené řešení

Současné návrhy systémů čelí výzvám. Zahraniční profesionální simulační software je drahý a jeho jádrové modely jsou často důvěrné, což brání širokému rozšíření. Zároveň většina zjednodušených metod návrhu není dostatečná – buď příliš spoléhají na průměry meteorologických údajů a ignorují detaily, nebo používají lineární zjednodušené modely, což vede k omezené přesnosti a špatné aplikabilitě.

Toto řešení má za cíl navrhnout sadu přesných a praktických metod počítačově podporovaného návrhu, které by řešily výše uvedené problémy.

II. Složení systému a klíčové technické modely

2.1 Architektura systému

Hybridní větrně-slněční systém pro výrobu elektřiny navržený v tomto řešení je úplně samostatný off-grid systém bez zálohových zdrojů jako dieselové generátory. Klíčové komponenty zahrnují:

• Jednotka pro výrobu elektřiny: Větrné turbíny, fotovoltaické pole.
• Jednotka pro ukládání a správu energie: Bateriová banka, řadič nabíjení (pro správu nabíjení a vypouštění).
• Jednotka ochrany a převodu: Rozcestná zátěž (chrání před přetížením baterie, chrání inverzor), inverzor (převádí stejnosměrný proud na střídavý proud, aby splnil potřeby většiny zátěží).
• Jednotka spotřeby elektřiny: Zátěž.

2.2 Přesné modely výpočtu výroby elektřiny

Pro dosažení optimalizovaného návrhu jsme vytvořili přesné hodinové modely výpočtu výroby elektřiny.

• Model fotovoltaického pole:
1. Převod sluneční radiace: Používá pokročilý anizotropní model difúzního nebe, který přesně převádí horizontální data o sluneční radiaci naměřená meteorologickými stanicemi na ozáření na nakloněné ploše fotovoltaických modulů, komplexně berouc v úvahu přímé paprsky, difúzní radiaci nebe a odraženou radiaci z povrchu.
2. Simulace charakteristik modulu: Používá přesný fyzikální model pro charakterizaci nelineárních výstupních charakteristik fotovoltaických modulů, plně berouc v úvahu vliv osvětlení a okolní teploty na výstupní napětí a proud modulu, což zajistí přesnost výpočtů výroby elektřiny.
• Model větrné turbíny:
1. Korekce rychlosti větru: Korekce referenční rychlosti větru z meteorologických dat na skutečnou rychlost větru ve výšce centrální části turbíny na základě exponenciálního zákona, který popisuje změnu rychlosti větru s výškou.
2. Vykreslení výkonové křivky: Používá segmentovanou funkci (různé binomické rovnice pro různé intervaly rychlosti větru) pro dosažení vysokopřesného vykreslení skutečné výkonové křivky turbíny, což umožňuje přesný hodinový výpočet energie na základě dat o rychlosti větru.

2.3 Dynamický model charakteristik baterií

Baterie je klíčovou komponentou pro ukládání energie s dynamicky se měnícími stavy. Model se primárně zaměřuje na:

• Výpočet stavu nabíjení (SOC): Dynamicky simuluje procesy nabíjení a vypouštění baterie na základě vztahu mezi výrobou elektřiny a spotřebou zátěže v každém časovém kroku, přesně vypočítává zbylou kapacitu, zohledňuje praktické faktory jako je míra samočerstvení, efektivita nabíjení a efektivita inverzoru.
• Správa nabíjení a vypouštění: Pro prodloužení životnosti baterie je definován rozumný rozsah provozu SOC (např. omezení maximální hloubky vypouštění na 50%), a je vytvořen model, který koreluje napětí plavidlového nabíjení s SOC a okolní teplotou, aby přesně určoval podmínky nabíjení.

III. Metodologie optimalizace a rozměrování systému

3.1 Ukazatele spolehlivosti dodávky elektřiny

Návrh dává přednost splnění specifikovaných požadavků uživatele na spolehlivost dodávky elektřiny. Klíčové ukazatele zahrnují:

• Pravděpodobnost ztráty dodávky elektřiny (LPSP): Poměr doby výpadku systému k celkovému hodnocenému času, intuicitivně reflektuje kontinuitu dodávky.
• Pravděpodobnost ztráty zátěže (LLP): Poměr nezabezpečeného požadavku na výkon zátěže systémem k celkovému požadavku. Je to nejdůležitější klíčový ukazatel pro optimalizační návrh systému.

3.2 Postupní optimalizační návrhový proces

Toto řešení používá systematický optimalizační proces, který má za cíl minimalizovat počáteční investiční náklady na vybavení pro nalezení optimální konfigurace.

1. Krok 1: Optimalizace konfigurace fotovoltaiky a baterií pro pevnou kapacitu větrné turbíny
• Základní úkol: Za podmínky, že model a počet větrných turbín jsou pevně dané, najít kombinaci kapacit fotovoltaických panelů a baterií, která splňuje předem stanovený ukazatel spolehlivosti (LPSP) a vede k nejnižším celkovým nákladům na vybavení.
• Metoda implementace: Skrze simulační výpočty vytvoříme "bilanční křivku", která reprezentuje všechny konfigurace fotovoltaiky a baterií, které splňují požadavek na spolehlivost. Poté, pomocí metody dotykové tečny nebo výběru založeného na cenách jednotek vybavení pomocí počítačového programu, určíme unikátní optimální kombinaci s nejnižšími náklady.
2. Krok 2: Globální optimalizace změnou kapacity větrné turbíny
• Základní úkol: Změnit kapacitu nebo počet větrných turbín, opakovat optimalizační proces z Kroku 1 a získat sérii optimálních konfigurací a jejich odpovídajících nákladů pro různé kapacity větrných turbín.
• Konečné rozhodnutí: Porovnat celkové náklady všech kandidátských řešení a vybrat kombinaci větrné-PV-baterie s globálně nejnižšími náklady jako konečnou optimalizovanou konfiguraci systému.

3.3 Simulace a výstup výkonnosti systému

Po určení optimální konfigurace lze simulovat roční provoz systému hodinově, což vytvoří detailní zprávy, včetně:

• Časová dimenze: Hodinový stav nabíjení baterií, bilance energie systému.
• Statistická dimenze: Denní/měsíční/roční nezabezpečená energie zátěže, ukazatele spolehlivosti (LPSP, LLP), podíl výroby elektřiny z větru a slunce, situace přebytku a nedostatku energie atd.

IV. Závěr

Optimalizační návrhová metoda pro hybridní větrné-slněční systémy pro výrobu elektřiny navržená v tomto řešení, založená na komplexních matematických modelech a přesných místních meteorologických datech, může jedinečně určit konfiguraci systému s nejnižšími počátečními investičními náklady na vybavení, zatímco splňuje specifické požadavky uživatelů na elektrickou energii a spolehlivost dodávky elektřiny. Tento postup efektivně řeší nedostatky systémů pro výrobu elektřiny z jednoho zdroje, překonává omezení stávajících návrhových přístupů a poskytuje mocný nástroj pro vědecký, efektivní a ekonomický návrh hybridních větrně-slněčních systémů pro výrobu elektřiny, což má významnou hodnotu pro inženýrské aplikace.