Hybridi tuuli-aurinkosähköjärjestelmän optimointi: Kattava suunnitteluratkaisu verkon ulkopuolisiin sovelluksiin
Johdanto ja tausta
1.1 Yksipohjaisen sähköntuotantojärjestelmän haasteet
Perinteiset yksipohjaiset aurinkosähkön (PV) tai tuulivoiman tuotantojärjestelmät ovat alttiita luontaisille haitoille. PV-sähkön tuotanto vaikuttaa päivä-aikaympyrään ja sääolosuhteisiin, kun taas tuulivoiman tuotanto perustuu epävakaaseen tuuliin, mikä johtaa merkittäviin vaihteluhiukkasiin tuotannossa. Jatkuvan sähköntarjonnan takaamiseksi tarvitaan suuret akkuvarastot energian säilömiseen ja tasapainottamiseen. Kuitenkin akut, jotka käyvät usein lataus-purkuskertomerkkejä, voivat olla kauan alaladattuna ankarissa toimintaolosuhteissa, mikä lyhentää niiden käytännön käyttöikää verrattuna teoreettiseen arvoon. Lisäksi akkujen korkea hinta tarkoittaa, että niiden kokonaishinta voi lähestyä tai jopa ylittää itse PV-moduulien tai tuuliturbiinien hinnan. Siksi akun elinkaaren pidentäminen ja järjestelmän kustannusten vähentäminen ovat olleet keskeisiä haasteita yksipohjaisten sähköntuotantojärjestelmien optimoinnissa.
1.2 Hybridituulivoima-aurinkosähkön merkittävät edut
Hybridituulivoima-aurinkosähkön teknologia yhdistää tehokkaasti kaksi uusiutuvaa energialähdettä, aurinkosähköä ja tuulivoimaa, ja ylittää näin yksipohjaisten energialähteiden väliaikaista luonnetta. Tuuli ja aurinko näyttävät luonnollista komplementaarisuutta ajan suhteen (päivä/yö, vuodenaikojen mukaan): vahva päivävalo usein yhtyy potentiaalisesti vahvempiin tuuliin yöllä; hyvä auringonsäteily kesällä voi yhdistyä riittävään tuulivoimaan talvella. Tämä komplementaarisuus mahdollistaa:
Akkujen tehokkaan latausaajan huomattavan pidentymisen, mikä vähentää aikaa, jolla ne ovat alaladattuna, ja siten merkittävästi pidentää niiden käytännön käyttöikää.
Vaatimusten alentumisen akkujen kapasiteetissa. Koska molemmat tuulivoima ja aurinkosähkö eivät ole samanaikaisesti käytettävissä harvoin, järjestelmä voi usein antaa ladon suoraan, mikä mahdollistaa pienemmän kapasiteetin akkujoukon käytön.
Kansallinen ja kansainvälinen tutkimus vahvistaa, että hybridituulivoima-aurinkojärjestelmät ylittävät yksipohjaisten sähköntuotantojärjestelmien sekä sähköntarjonnan luotettavuudessa että elinkaari-kustannustehokkuudessa.
1.3 Olemassa olevien suunnittelumenetelmien puutteet ja ehdotettu ratkaisu
Nykyisessä järjestelmän suunnittelussa on haasteita. Ulkomaiset ammattimaiset simulointiohjelmat ovat kalliita, ja niiden ytimelliset mallit ovat usein salaisia, mikä hidastaa laajaa käyttöönottoa. Samalla monet yksinkertaistetut suunnittelu menetelmät ovat riittämättömiä – joko ne perustuvat liikeympyräkeskiarvoihin ja jättävät yksityiskohdat huomiotta, tai käyttävät lineaarisia yksinkertaistettuja malleja, mikä johtaa rajalliseen tarkkuuteen ja heikkoon soveltuvuuteen.
Tämä ratkaisu pyrkii ehdottamaan tarkkoja ja käytännöllisiä tietokoneavusteisia suunnittelu menetelmiä aiemmin mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi.
II. Järjestelmän koostuminen ja ytimelliset tekniset mallit
2.1 Järjestelmän rakenne
Tässä ratkaisussa suunniteltu hybridituulivoima-aurinkosähkön tuotantojärjestelmä on täysin itsenäinen verkosta erillinen järjestelmä, ilman varakappaleita, kuten dieselgeneraattoreita. Ytimelliset komponentit sisältävät:
Energiantuotantoyksikkö: Tuuliturbiinigeneraattorit, PV-massat.
Energiansäilö- ja hallintayksikkö: Akkujoukko, laturinohjain (latauksen ja purkauksen hallinta).
Suoja- ja muuntaminen yksikkö: Ohjausladat (estävät akun ylikuormituksen, suojaavat inversiota), inverteri (muuntaa DC:n AC:ksi vastaamaan useimpien ladon vaatimuksia).
Energiankulutusyksikkö: Lataus.
2.2 Tarkat energiantuotantomallit
Optimoidun suunnittelun saavuttamiseksi olemme kehittäneet tarkat tunnittaiset energiantuotantomallit.
PV-massan malli:
Auringonsäteilyn transpositio: Käyttää edistynyttä anisotrooppista taivaan sirpeenmallia horisontaalisen auringonsäteilyn mittausdatasta, joka on mitattu sääasemilla, ja siirtää sen kohti PV-moduulien vinosti asennetuksi pintana, ottaen huomioon suoran säteilyn, taivaan sirpeen säteilyn ja maan peilauksen.
Moduulin ominaisuuden simulointi: Käyttää tarkkaa fysikaalista mallia karakterisoimaan PV-moduulien epälineaarisen tuotannon, ottaen huomioon säteilyn ja ympäristölämpötilan vaikutukset moduulin tuotovoltti- ja tuotovirtaan, varmistaa energiantuotannon laskennan tarkkuuden.
Tuuliturbiinin malli:
Tuulinopeuden korjaus: Korjaa meteorologisen datan viitekorkeuden tuulinopeuden todelliseksi tuulinosan nopeudeksi eksponentiaalisen lain mukaan, joka hallitsee tuulinopeuden muutosta korkeuden mukaan.
Tehokäyrän sopitus: Käyttää segmentoitua funktiota (eri binomiyhtälöt eri tuulinopeuden välille) saavuttaakseen korkean tarkkuuden sopituksen turbiinin todellisen teho-tuotannon käyrälle, mikä mahdollistaa tarkan tunnittaisen energian laskennan tuulinopeusdatan perusteella.
2.3 Akun dynaaminen ominaisuusmalli
Aku on ydinenergiansäilökomponentti, jonka tilat vaihtelevat dynaamisesti. Malli keskittyy pääasiassa seuraaviin:
Ladatilanteen (SOC) laskenta: Dynaamisesti simuloi akun lataus- ja purkuprosesseja perustuen tuotannon ja ladon kulutuksen suhteeseen jokaisella aikavälillä, lasketaan tarkasti jäävän kapasiteetin, ottaen huomioon käytännön tekijöitä, kuten itsepurkumisnopeuden, latauseffektiivisyys ja inverterin effektiivisyys.
Lataus-purkauksen hallinta: Akun käyttöikänpidennyksen tavoitteena on määritellä järkevä SOC-toimintaraja (esimerkiksi rajoittaa maksimipurkuprosentti 50 %:iin) ja luoda malli, joka yhdistää levitysladannan voltin SOC:hen ja ympäristölämpötilaan, mikä mahdollistaa tarkan latausolosuhteiden määrittelyn.
III. Järjestelmän optimointi ja mitoitusmenetelmä
3.1 Sähköntarjonnan luotettavuusindikaattorit
Suunnittelu painottaa käyttäjän määrittelemien sähköntarjonnan luotettavuusvaatimusten täyttämistä. Avaintekijöitä ovat:
Sähköntarjonnan häiriötodennäköisyys (LPSP): Järjestelmän poikkiolon aika ja kokonaisarvioinnin aika, mikä intuitiivisesti heijastaa tarjonnan jatkuvuutta.
Ladon häiriötodennäköisyys (LLP): Ladon sähköntarve, jota järjestelmä ei kykene täyttämään, ja kokonaisvaatimus. Tämä on tärkein ydinindikaattori järjestelmän optimointisuunnittelulle.
3.2 Vaiheittainen optimointisuunnitteluprosessi
Tämä ratkaisu noudattaa järjestelmällistä optimointiprosessia, jossa tavoitteena on minimoida laitteiston alkuperäiset investointikustannukset löytääksesi optimaalisen konfiguraation.
Vaihe 1: Optimoi PV- ja akkuyhdistelmä kiinteällä tuuliturbiinin kapasiteetilla
Ydin tehtävä: Kun tuuliturbiinin malli ja määrä on kiinteä, löydä PV-moduulin ja akun kapasiteettiyhdistelmä, joka täyttää ennakkoon määritellyn luotettavuusindikaattorin (LPSP) ja johtaa matalimpaan kokonaislaitekustannukseen.
Toteutusmenetelmä: Simulointilaskennan avulla piirretään "tasapainokäyrä", joka edustaa kaikkia PV- ja akuyhdistelmiä, jotka täyttävät luotettavuusvaatimuksen. Sitten käyttämällä kustannustangenttimenetelmää tai tietokoneohjelman valintaa laiteyksikköhintojen perusteella, määritetään yksikäsitteinen optimaalinen yhdistelmä matalimmilla kustannuksilla.
Vaihe 2: Globaali optimointi muuttamalla tuuliturbiinin kapasiteettia
Ydin tehtävä: Muuta tuuliturbiinin kapasiteettia tai määrää, toista Vaihe 1:n optimointiprosessi ja saa sarjan optimaalisia konfiguraatioita ja niiden vastaavia kustannuksia eri tuuliturbiinin kapasiteeteille.
Lopullinen päätös: Vertaa kaikkien ehdokasratkaisujen kokonaiskustannuksia ja valitse globaalisti matalimpia kustannuksia omaava tuuli-PV-akku-yhdistelmä lopulliseksi optimoituna järjestelmäkonfiguraatioksi.
3.3 Järjestelmän suorituskyvyn simulointi ja tuloste
Optimaalisen konfiguraation määrittämisen jälkeen järjestelmän vuoden ajalta voidaan simuloida tunti kerrallaan, tuottaen yksityiskohtaisia raportteja, jotka sisältävät:
Aika-ulottuvuus: Tunnittainen akun ladatila, järjestelmän energia-asiasuhde.
Tilastollinen ulottuvuus: Päivittäinen/kuukausittainen/vuotuinen ladon toteutumaton energia, luotettavuusindikaattorit (LPSP, LLP), tuuli/aurinkosähkön osuus, energian ylijäämä- ja puutepäätökset jne.
IV. Johtopäätös
Tämä ratkaisu ehdottaa hybridituulivoima-aurinkosähkön tuotantojärjestelmien optimoitua suunnittelumenetelmää, joka perustuu kattaviin matemaattisiin malleihin ja tarkkoihin paikallisiin säädatoihin, ja joka voi yksikäsitteisesti määrittää järjestelmän konfiguraation, jolla on matalimmat alkuperäiset laiteinvestointikustannukset, samalla kun se täyttää käyttäjän erityiset sähkötarpeet ja sähköntarjonnan luotettavuusvaatimukset. Tämä menetelmä käsittelee tehokkaasti yksipohjaisten sähköntuotantojärjestelmien puutteita, ylittää nykyisten suunnittelumenetelmien rajoitukset ja tarjoaa vahvan työkalun hybridituulivoima-aurinkosähkön tuotantojärjestelmien tieteelliselle, tehokkaalle ja taloudelliselle suunnittelulle, mikä on merkittävää insinöörityösovelluksissa.
