Système hybride éolien-solaire optimisé : Une solution de conception complète pour les applications hors réseau
Introduction et Contexte
1.1 Défis des Systèmes de Production d'Énergie à Source Unique
Les systèmes traditionnels de production d'énergie photovoltaïque (PV) ou éolienne en autonomie présentent des inconvénients inhérents. La production d'énergie PV est affectée par les cycles diurnes et les conditions météorologiques, tandis que la production d'énergie éolienne dépend de ressources éoliennes instables, entraînant des fluctuations significatives de la puissance produite. Pour assurer une alimentation continue, des banques de batteries de grande capacité sont nécessaires pour le stockage et l'équilibrage de l'énergie. Cependant, les batteries subissant des cycles de charge-décharge fréquents sont susceptibles de rester dans un état de sous-charge prolongé dans des conditions opérationnelles difficiles, ce qui se traduit par une durée de vie pratique bien inférieure à la valeur théorique. De plus, le coût élevé des batteries signifie que leur coût total sur le cycle de vie peut approcher voire dépasser le coût des modules PV ou des éoliennes elles-mêmes. Ainsi, allonger la durée de vie des batteries et réduire les coûts du système sont devenus les défis centraux pour optimiser les systèmes autonomes.
1.2 Avantages Importants de la Production d'Énergie Hybride Éolienne-Solaire
La technologie de production d'énergie hybride éolienne-solaire surmonte efficacement l'intermittence des sources d'énergie uniques en combinant organiquement l'énergie solaire et éolienne, deux sources d'énergie renouvelables. L'énergie éolienne et solaire présente une complémentarité naturelle dans le temps (jour/nuit, saisons) : une forte luminosité pendant la journée coïncide souvent avec des vents potentiels plus forts la nuit ; une bonne irradiation solaire en été peut s'accompagner de ressources éoliennes abondantes en hiver. Cette complémentarité permet :
Une extension significative du temps de charge effectif des batteries, réduisant le temps passé dans un état de sous-charge, ce qui prolonge considérablement la durée de vie des batteries.
Une réduction de la capacité de batterie requise. Comme la probabilité que l'énergie éolienne et solaire ne soient pas disponibles simultanément est faible, le système peut souvent alimenter directement la charge, permettant l'utilisation d'une banque de batteries de capacité réduite.
Des études nationales et internationales confirment que les systèmes hybrides éolien-solaire surpassent les systèmes de production d'énergie à source unique en termes de fiabilité de l'alimentation électrique et d'efficacité du coût sur le cycle de vie.
1.3 Insuffisances des Méthodes de Conception Actuelles et Solution Proposée
La conception actuelle des systèmes fait face à des défis. Les logiciels de simulation professionnels étrangers sont coûteux, et leurs modèles de base sont souvent confidentiels, entravant leur adoption généralisée. Par ailleurs, la plupart des méthodes de conception simplifiées sont insuffisantes - soit elles s'appuient trop sur des moyennes météorologiques en ignorant les détails, soit elles utilisent des modèles linéaires simplifiés, ce qui limite leur précision et leur applicabilité.
Cette solution vise à proposer un ensemble de méthodologies de conception assistée par ordinateur précises et pratiques pour résoudre ces problèmes.
II. Composition du Système et Modèles Techniques Principaux
2.1 Architecture du Système
Le système de production d'énergie hybride éolien-solaire conçu dans cette solution est un système hors réseau entièrement autonome, sans sources d'alimentation de secours comme les générateurs diesel. Les composants principaux comprennent :
Unité de Production d'Énergie : Générateurs éoliens, panneaux PV.
Unité de Stockage et de Gestion de l'Énergie : Banque de batteries, contrôleur de charge (pour gérer la charge et la décharge).
Unité de Protection et de Conversion : Charge de dérivation (prévention de la surcharge de la batterie, protection de l'onduleur), onduleur (conversion de courant continu en alternatif pour répondre aux exigences de la plupart des charges).
Unité de Consommation d'Énergie : Charge.
2.2 Modèles de Calcul de Production d'Énergie Précis
Pour atteindre une conception optimisée, nous avons établi des modèles de calcul de production d'énergie horaire précis.
Modèle de Panneau PV :
Transposition du Rayonnement Solaire : Utilise un modèle avancé de diffusion anisotrope du ciel pour transposer de manière précise les données de rayonnement solaire horizontal mesurées par les stations météorologiques vers l'irradiance incidente sur la surface inclinée des panneaux PV, en tenant compte de manière exhaustive du rayonnement direct, de la diffusion atmosphérique et de la réflexion au sol.
Simulation des Caractéristiques du Module : Emploie un modèle physique précis pour caractériser les caractéristiques non linéaires de sortie des modules PV, en prenant pleinement en compte les effets de l'irradiance et de la température ambiante sur la tension et le courant de sortie du module, garantissant ainsi la précision des calculs de production d'énergie.
Modèle d'Éolienne :
Correction de la Vitesse du Vent : Corrige la vitesse du vent à la hauteur de référence des données météorologiques à la vitesse du vent réelle à la hauteur de l'axe de l'éolienne en se basant sur la loi exponentielle régissant la variation de la vitesse du vent avec la hauteur.
Ajustement de la Courbe de Puissance : Utilise une fonction segmentée (différentes équations binomiales pour différents intervalles de vitesse du vent) pour réaliser un ajustement de haute précision de la courbe de puissance réelle de l'éolienne, permettant un calcul précis de l'énergie horaire en fonction des données de vitesse du vent.
2.3 Modèle de Caractéristiques Dynamiques de la Batterie
La batterie est le composant central de stockage d'énergie, dont l'état change dynamiquement. Le modèle se concentre principalement sur :
Calcul de l'État de Charge (SOC) : Simule de manière dynamique les processus de charge et de décharge de la batterie en fonction de la relation entre la production d'énergie et la consommation de la charge à chaque pas de temps, en calculant de manière précise la capacité restante, tout en tenant compte de facteurs pratiques tels que le taux de décharge spontanée, l'efficacité de charge et l'efficacité de l'onduleur.
Gestion de la Charge-Décharge : Pour prolonger la durée de vie de la batterie, une plage d'exploitation raisonnable du SOC est définie (par exemple, en limitant la profondeur maximale de décharge à 50 %), et un modèle corrélant la tension de charge flottante avec le SOC et la température ambiante est établi pour déterminer de manière précise les conditions de charge.
III. Méthodologie d'Optimisation et de Dimensionnement du Système
3.1 Indicateurs de Fiabilité de l'Alimentation en Énergie
La conception priorise la satisfaction des exigences de fiabilité de l'alimentation en énergie spécifiées par l'utilisateur. Les indicateurs clés comprennent :
Probabilité de Perte d'Alimentation (LPSP) : Le rapport entre le temps d'interruption du système et le temps total d'évaluation, reflétant intuitivement la continuité de l'alimentation.
Probabilité de Perte de Charge (LLP) : Le rapport entre la demande de puissance de la charge non satisfaite par le système et la demande totale. C'est l'indicateur central le plus critique pour la conception optimisée du système.
3.2 Processus d'Optimisation de Conception Étape par Étape
Cette solution adopte un processus d'optimisation systématique, visant à minimiser le coût initial d'investissement des équipements pour trouver la configuration optimale.
Étape 1 : Optimiser la Configuration PV et Batterie pour une Capacité d'Éolienne Fixe
Tâche Principale : Dans le cas où le modèle et la quantité d'éoliennes sont fixes, trouver la combinaison de capacités de panneaux PV et de batteries qui satisfait l'indicateur de fiabilité prédéfini (LPSP) et qui entraîne le coût total d'équipement le plus bas.
Méthode de Mise en Œuvre : À travers des calculs de simulation, tracer la "courbe d'équilibre" représentant toutes les configurations PV et batterie qui satisfont l'exigence de fiabilité. Ensuite, en utilisant la méthode de tangente de coût ou un tri par programme informatique basé sur les prix unitaires des équipements, déterminer la combinaison unique optimale au coût le plus bas.
Étape 2 : Optimisation Globale en Variant la Capacité d'Éolienne
Tâche Principale : Modifier la capacité ou le nombre d'éoliennes, répéter le processus d'optimisation de l'étape 1, et obtenir une série de configurations optimales et de leurs coûts correspondants pour différentes capacités d'éoliennes.
Décision Finale : Comparer les coûts totaux de toutes les solutions candidates et sélectionner la combinaison éolienne-PV-batterie au coût global le plus bas comme configuration finale optimisée du système.
3.3 Simulation des Performances du Système et Sortie
Après avoir déterminé la configuration optimale, l'exploitation annuelle du système peut être simulée heure par heure, générant des rapports détaillés comprenant :
Dimension Temporelle : État de charge de la batterie horaire, bilan énergétique du système.
Dimension Statistique : Énergie de charge non satisfaite quotidiennement/mensuellement/annuellement, indicateurs de fiabilité (LPSP, LLP), part de production d'énergie éolienne/solaire, situations d'excédent et de déficit énergétique, etc.
IV. Conclusion
La méthode de conception optimisée pour les systèmes de production d'énergie hybride éolien-solaire proposée dans cette solution, basée sur des modèles mathématiques complets et des données météorologiques locales précises, peut déterminer de manière unique la configuration du système avec le coût initial d'investissement en équipement le plus bas tout en satisfaisant les besoins spécifiques d'électricité de l'utilisateur et les exigences de fiabilité de l'alimentation en énergie. Cette méthode résout efficacement les insuffisances des systèmes de production d'énergie à source unique, surmonte les limites des approches de conception existantes, et fournit un outil puissant pour la conception scientifique, efficace et économique des systèmes de production d'énergie hybride éolien-solaire, offrant une valeur significative pour les applications ingénierie.
