سیستم بهینه‌سازی هیبرید باد-خورشید: راه‌حل طراحی جامع برای کاربردهای خارج از شبکه

1. مقدمه و زمینه

۱.۱ چالش‌های سیستم‌های تولید برق از منبع تکی

سیستم‌های معمولی تولید برق فتوولتائی (PV) یا بادی دارای معایب ذاتی هستند. تولید برق فتوولتائی تحت تأثیر چرخه روزانه و شرایط آب و هوایی قرار دارد، در حالی که تولید برق بادی به منابع باد ناپایدار وابسته است که باعث نوسانات قابل توجه در خروجی برق می‌شود. برای تأمین پیوسته برق، نیاز به بانک‌های باتری با ظرفیت بالا برای ذخیره سازی و تعادل انرژی است. با این حال، باتری‌هایی که تحت شرایط عملکرد سخت و دارای چرخه‌های شارژ-دیشارژ مکرر قرار می‌گیرند، ممکن است برای مدت طولانی در حالت شارژ ناقص بمانند، که باعث می‌شود عمر عملی آنها کوتاه‌تر از مقدار تئوریک باشد. بیش از همه، هزینه بالای باتری‌ها به این معناست که هزینه کلی چرخه حیات آنها ممکن است به هزینه ماژول‌های PV یا توربین‌های بادی نزدیک یا حتی از آن بیشتر شود. بنابراین، تمدید عمر باتری و کاهش هزینه‌های سیستم به چالش‌های اصلی در بهینه‌سازی سیستم‌های مستقل تبدیل شده‌اند.

۱.۲ مزایای مهم تولید همزمان برق از باد و خورشید

فناوری تولید همزمان برق از باد و خورشید با ترکیب عضوی PV و بادی، دو منبع انرژی تجدیدپذیر، به طور موثر مشکلات ناپیوستگی منابع تکی را حل می‌کند. انرژی باد و خورشید در زمان (روز/شب، فصول) تکمیلی طبیعی دارند: نور خورشید قوی در روز غالباً با بادهای قوی‌تر در شب همزمان است؛ تابش خورشید خوب در تابستان ممکن است با منابع بادی فراوان در زمستان همزمان باشد. این تکمیلی به:

• تمدید قابل توجه زمان شارژ موثر باتری‌ها، کاهش زمانی که آنها در حالت شارژ ناقص قرار می‌گیرند و در نتیجه تمدید قابل توجه عمر عملی باتری‌ها.

• کاهش ظرفیت لازم باتری. چون احتمال عدم در دسترس بودن همزمان باد و خورشید پایین است، سیستم می‌تواند غالباً بار را مستقیماً تغذیه کند و امکان استفاده از بانک باتری با ظرفیت کمتر را فراهم می‌کند.

• مطالعات داخلی و خارجی تأیید می‌کنند که سیستم‌های هیبریدی باد-خورشید از نظر قابلیت اطمینان تامین برق و کارایی هزینه‌ای چرخه حیات از سیستم‌های تولید برق از منبع تکی فراتر می‌روند.

۱.۳ معایب روش‌های طراحی موجود و راه‌حل پیشنهادی

طراحی فعلی سیستم با چالش‌هایی مواجه است. نرم‌افزارهای شبیه‌سازی حرفه‌ای خارجی گران هستند و مدل‌های اصلی آنها غالباً محرمانه است که از گسترش گسترده آنها جلوگیری می‌کند. در عین حال، بیشتر روش‌های طراحی ساده‌شده ناکافی هستند - یا به میانگین‌های هواشناسی متکی هستند و جزئیات را نادیده می‌گیرند، یا از مدل‌های خطی ساده‌شده استفاده می‌کنند که منجر به دقت محدود و قابلیت کاربرد ضعیف می‌شود.

این راه‌حل هدف دارد تا مجموعه‌ای از روش‌های طراحی کامپیوتری دقیق و عملی را برای حل مشکلات فوق پیشنهاد کند.

II. ترکیب سیستم و مدل‌های فنی اصلی

۲.۱ معماری سیستم

سیستم تولید همزمان برق از باد و خورشید طراحی شده در این راه‌حل یک سیستم کاملاً مستقل بدون شبکه است و بدون منابع پشتیبانی مانند ژنراتورهای دیزل. اجزای اصلی شامل:

• واحد تولید برق: ژنراتورهای توربین بادی، آرایه PV.

• واحد ذخیره سازی و مدیریت انرژی: بانک باتری، کنترل‌کننده شارژ (برای مدیریت شارژ و دیشارژ).

• واحد محافظت و تبدیل: بار تخلیه (جلوگیری از شارژ بیش از حد، محافظت از انورتر)، انورتر (تبدیل DC به AC برای تأمین نیاز بیشتر بارها).

• واحد مصرف برق: بار.

۲.۲ مدل‌های محاسبه دقیق تولید برق

برای دستیابی به طراحی بهینه، مدل‌های دقیق محاسبه تولید برق ساعتی برقرار کرده‌ایم.

• مدل آرایه PV:

1. انتقال تابش خورشید: از یک مدل پخش نامتقارن پیشرفته برای انتقال دقیق داده‌های تابش خورشید افقی اندازه‌گیری شده توسط ایستگاه‌های هواشناسی به تابش روی سطح مایل ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن کامل تابش پرتو مستقیم، تابش پخشی آسمان و تابش بازتابی از زمین.

2. شبیه‌سازی ویژگی‌های ماژول: از یک مدل فیزیکی دقیق برای مشخص کردن ویژگی‌های غیرخطی خروجی ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن کامل تأثیرات تابش و دمای محیط بر ولتاژ و جریان خروجی ماژول، تضمین دقت محاسبات تولید برق.

• مدل توربین بادی:

1. اصلاح سرعت باد: سرعت باد مرجع از داده‌های هواشناسی را به سرعت واقعی باد در ارتفاع مرکز توربین بر اساس قانون نمایی تغییر سرعت باد با ارتفاع اصلاح می‌کند.

2. برازش منحنی توان: از یک تابع قطعه‌ای (معادلات دوجمله‌ای مختلف برای بازه‌های سرعت باد مختلف) برای برازش با دقت بالا منحنی توان واقعی توربین استفاده می‌کند، امکان محاسبه دقیق انرژی ساعتی بر اساس داده‌های سرعت باد را فراهم می‌کند.

۲.۳ مدل ویژگی‌های پویای باتری

باتری عنصر اصلی ذخیره سازی انرژی است که وضعیت آن به صورت پویا تغییر می‌کند. مدل عمدتاً تمرکز دارد بر:

• محاسبه درصد شارژ (SOC): به صورت پویا فرآیندهای شارژ و دیشارژ باتری را بر اساس رابطه بین تولید برق و مصرف بار در هر گام زمانی شبیه‌سازی می‌کند، ظرفیت باقی‌مانده را با دقت محاسبه می‌کند، در حالی که عوامل عملی مانند نرخ خودشکافت، کارایی شارژ و کارایی انورتر را در نظر می‌گیرد.

• مدیریت شارژ-دیشارژ: برای تمدید عمر باتری، یک محدوده عملیاتی SOC مناسب تعریف می‌شود (مثلاً محدود کردن حداکثر عمق دیشارژ به ۵۰٪) و یک مدل مرتبط با ولتاژ شارژ شناور، SOC و دمای محیط برای تعیین دقیق شرایط شارژ ایجاد می‌شود.

III. روش بهینه‌سازی و اندازه‌گیری سیستم

۳.۱ شاخص‌های قابلیت اطمینان تامین برق

طراحی اولویت دارد تا نیازهای قابلیت اطمینان تامین برق مشخص شده توسط کاربر را برآورده کند. شاخص‌های کلیدی شامل:

• احتمال از دست دادن تامین برق (LPSP): نسبت زمان خروجی سیستم به زمان کل ارزیابی، که به صورت مستقیم پیوستگی تامین را نشان می‌دهد.

• احتمال از دست دادن بار (LLP): نسبت تقاضای توان بار که توسط سیستم برآورده نشده است به تقاضای کل. این مهم‌ترین شاخص اصلی برای طراحی بهینه سیستم است.

۳.۲ فرآیند بهینه‌سازی طراحی مرحله‌ای

این راه‌حل از یک فرآیند بهینه‌سازی سیستماتیک استفاده می‌کند، با هدف کمینه کردن هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات برای یافتن بهترین ترکیب.

1. مرحله ۱: بهینه‌سازی ترکیب PV و باتری برای ظرفیت ثابت توربین بادی

• وظیفه اصلی: در شرایطی که مدل و تعداد توربین بادی ثابت است، ترکیب ظرفیت ماژول‌های PV و باتری را که شاخص قابلیت اطمینان مشخص شده (LPSP) را برآورده می‌کند و هزینه کلی تجهیزات کمترین است پیدا کند.

• روش اجرایی: از طریق محاسبات شبیه‌سازی، منحنی "تعادل" که تمام ترکیبات PV و باتری را که شرایط قابلیت اطمینان را برآورده می‌کنند نشان می‌دهد. سپس با استفاده از روش مماس هزینه یا انتخاب کامپیوتری بر اساس قیمت واحد تجهیزات، ترکیب منحصر به فرد با کمترین هزینه را تعیین می‌کند.

2. مرحله ۲: بهینه‌سازی کلی با تغییر ظرفیت توربین بادی

• وظیفه اصلی: تغییر ظرفیت یا تعداد توربین بادی، تکرار فرآیند بهینه‌سازی مرحله ۱ و دریافت یک سری ترکیبات بهینه و هزینه‌های متناظر آنها برای ظرفیت‌های مختلف توربین بادی.

• تصمیم نهایی: مقایسه هزینه‌های کلی تمام راه‌حل‌های کاندیدا و انتخاب ترکیب باد-PV-باتری با کمترین هزینه کلی به عنوان ترکیب بهینه نهایی سیستم.

۳.۳ شبیه‌سازی عملکرد سیستم و خروجی

بعد از تعیین ترکیب بهینه، عملکرد سالانه سیستم را می‌توان ساعت به ساعت شبیه‌سازی کرد و گزارش‌های دقیق شامل:

• بعد زمانی: درصد شارژ باتری ساعتی، تعادل انرژی سیستم.

• بعد آماری: انرژی بار نیازمند در روز/ماه/سال، شاخص‌های قابلیت اطمینان (LPSP, LLP)، سهم تولید برق بادی/خورشیدی، وضعیت اضافه و کمبود انرژی و غیره.

IV. نتیجه‌گیری

روش طراحی بهینه سیستم‌های تولید همزمان برق از باد و خورشید پیشنهاد شده در این راه‌حل، بر اساس مدل‌های ریاضی جامع و داده‌های هواشناسی دقیق محلی، می‌تواند ترکیب سیستم را با کمترین هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات به طور منحصر به فرد تعیین کند در حالی که نیازهای برق خاص کاربر و نیازهای قابلیت اطمینان تامین برق را برآورده می‌کند. این روش به طور موثر مشکلات سیستم‌های تولید برق از منبع تکی را حل می‌کند، محدودیت‌های روش‌های طراحی موجود را غلبه می‌کند و ابزار قدرتمندی برای طراحی علمی، کارآمد و اقتصادی سیستم‌های تولید همزمان برق از باد و خورشید ارائه می‌دهد که ارزش قابل توجهی برای کاربردهای مهندسی دارد.