سیستم بهینه ترکیبی باد-آفتاب: یک راه‌حل طراحی جامع برای کاربردهای خارج از شبکه

1. مقدمه و پیشینه

۱.۱ چالش‌های سیستم‌های تولید انرژی تک منبع

سیستم‌های تولید انرژی فتوولتائیک (PV) یا بادی معمولی دارای معایب ذاتی هستند. تولید انرژی PV تحت تأثیر چرخه‌های روزانه و شرایط آب و هوایی قرار دارد، در حالی که تولید انرژی بادی به منابع بادی ناپایدار وابسته است که منجر به نوسانات قابل توجه در خروجی قدرت می‌شود. برای اطمینان از تأمین پیوسته انرژی، نیاز به بانک‌های باتری با ظرفیت بالا برای ذخیره و تعادل انرژی است. با این حال، باتری‌ها که تحت شرایط عملیاتی سخت با دورة شارژ-دشارژ مکرر هستند، ممکن است برای مدت طولانی در حالت شارژ ناقص باقی بمانند، که منجر به عمر عملیاتی کوتاه‌تر از مقدار نظری می‌شود. بیش از همه، هزینه بالای باتری‌ها باعث می‌شود که هزینه کل دوره عمر آن‌ها ممکن است به هزینه ماژول‌های PV یا توربین‌های بادی نزدیک یا حتی بیشتر شود. بنابراین، تمدید عمر باتری و کاهش هزینه‌های سیستم به چالش‌های اصلی در بهینه‌سازی سیستم‌های تولید انرژی مستقل تبدیل شده‌اند.

۱.۲ مزایای قابل توجه تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک

فناوری تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک با ترکیب آلی منابع انرژی تجدیدپذیر PV و بادی، مشکلات ناپیوستگی منابع تک‌منبع را به طور مؤثر رفع می‌کند. انرژی باد و خورشیدی از نظر زمانی (روز/شب، فصول) تکمیلی طبیعی دارند: نور قوی روزانه اغلب با بادهای قوی شبیان همزمان می‌شود؛ تابش خورشیدی خوب در تابستان ممکن است با منابع بادی فراوان در زمستان همزمان شود. این تکمیلیت امکان می‌دهد:

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

• کاهش ظرفیت لازم باتری. از آنجا که احتمال عدم دسترسی همزمان هر دو منبع باد و خورشیدی کم است، سیستم می‌تواند غالباً بار را مستقیماً تغذیه کند، که امکان استفاده از بانک باتری با ظرفیت کمتر را فراهم می‌کند.

• مطالعات داخلی و بین‌المللی تأیید می‌کنند که سیستم‌های هیبریدی باد-فتوولتائیک در مقایسه با سیستم‌های تولید انرژی تک‌منبع در مورد قابلیت اطمینان تأمین انرژی و کارایی هزینه‌ای دوره عمر برتری دارند.

۱.۳ معایب روش‌های طراحی موجود و راه‌حل پیشنهادی

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

این راه‌حل هدف دارد یک مجموعه از روش‌های طراحی کامپیوتری دقیق و کاربردی را برای حل مشکلات فوق پیشنهاد کند.

II. ترکیبات سیستم و مدل‌های فنی اصلی

۲.۱ معماری سیستم

سیستم تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک طراحی شده در این راه‌حل یک سیستم کاملاً مستقل و غیرمتصل است بدون منابع پشتیبانی مانند ژنراتورهای دیزل. اجزای اصلی شامل:

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

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

• واحد محافظت و تبدیل: بار تغییرمسیر (جلوگیری از بیش‌شارژ باتری، محافظت از انورتر)، انورتر (تبدیل DC به AC برای برآورده کردن بیشتر نیازهای بار).

• واحد مصرف انرژی: بار.

۲.۲ مدل‌های محاسبه تولید انرژی دقیق

برای رسیدن به طراحی بهینه، ما مدل‌های دقیق محاسبه تولید انرژی ساعتی ایجاد کرده‌ایم.

• مدل آرایه PV:

1. انتقال تابش خورشیدی: از یک مدل پخش پراکنده پیشرفته آنیزوتروپیک برای انتقال دقیق داده‌های تابش خورشیدی افقی اندازه‌گیری شده توسط ایستگاه‌های هواشناسی به تابش روی سطح مایل ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن جامع تابش مستقیم، پراکنده آسمانی و تابش بازتابی زمین.

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

• مدل توربین بادی:

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

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

۲.۳ مدل خصوصیات پویای باتری

باتری عنصر اصلی ذخیره انرژی است که حالت‌های آن به طور پویا تغییر می‌کند. مدل عمدتاً بر:

• محاسبه وضعیت شارژ (SOC): به طور پویا فرآیندهای شارژ و دشارژ باتری را بر اساس رابطه بین تولید انرژی و مصرف بار در هر گام زمانی شبیه‌سازی می‌کند، با محاسبه دقیق ظرفیت باقی‌مانده، در حالی که عوامل عملی مانند نرخ خودشارژ، کارایی شارژ و کارایی انورتر را در نظر می‌گیرد.

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

III. روش بهینه‌سازی و اندازه‌گیری سیستم

۳.۱ شاخص‌های قابلیت اطمینان تأمین انرژی

طراحی اولویت دارد که نیازهای مشخص شده کاربر برای قابلیت اطمینان تأمین انرژی را برآورده کند. شاخص‌های کلیدی شامل:

• احتمال از دست دادن تأمین انرژی (LPSP): نسبت زمان خرابی سیستم به زمان کل ارزیابی، که به طور مستقیم پیوستگی تأمین 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 گام به گام

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

1. گام 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 پیدا کنید که شاخص قابلیت اطمینان (LPSP) مشخص شده را برآورده کند و هزینه کل تجهیزات را کمینه کند.

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

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

• وظیفه اصلی: تغییر ظرفیت یا تعداد توربین بادی، تکرار فرآیند بهینه‌سازی گام ۱ و به دست آوردن یک سری ترکیبات بهینه و هزینه‌های متناظر برای ظرفیت‌های مختلف توربین بادی.

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

۳.۳ شبیه‌سازی عملکرد سیستم و خروجی

بعد از تعیین ترکیب بهینه، عملکرد سالانه سیستم می‌تواند ساعت به ساعت شبیه‌سازی شود و گزارش‌های دقیق شامل:

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

• بعد آماری: انرژی بار نامشخص روزانه/ماهانه/سالانه، شاخص‌های قابلیت اطمینان (LPSP، LLP)، سهم تولید انرژی بادی/فتوولتائیک، وضعیت اضافه و کمبود انرژی و غیره.

IV. نتیجه‌گیری

روش طراحی بهینه سیستم‌های تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک پیشنهادی در این راه‌حل، بر اساس مدل‌های ریاضی جامع و داده‌های هواشناسی دقیق محلی، می‌تواند به طور منحصر به فرد ترکیب سیستم با کمترین هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات را تعیین کند در حالی که نیازهای برق کاربر و الزامات قابلیت اطمینان تأمین انرژی را برآورده می‌کند. این روش به طور مؤثر به محدودیت‌های سیستم‌های تولید انرژی تک‌منبع پاسخ می‌دهد، محدودیت‌های روش‌های طراحی موجود را غلبه می‌کند و ابزار قدرتمندی برای طراحی علمی، کارآمد و اقتصادی سیستم‌های تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک ارائه می‌دهد که ارزش قابل توجهی برای کاربردهای مهندسی دارد.