Sistema híbrido de enerxía eólica e solar optimizado: Unha solución de deseño abrangente para aplicacións fora da rede
Introdución e antecedentes
1.1 Desafíos dos sistemas de xeración de enerxía dunha soa fonte
Os sistemas tradicionais de xeración fotovoltaica (PV) ou eólica teñen desvantaxes inherentes. A xeración de enerxía fotovoltaica está afectada polos ciclos diurnos e as condicións meteorolóxicas, mentres que a xeración eólica depende de recursos de vento inestables, o que leva a fluctuacións significativas na produción de enerxía. Para asegurar un suministro continuo de enerxía, son necesarios bancos de baterías de gran capacidade para o almacenamento e balance. No entanto, as baterías que se someten a frecuentes ciclos de carga e descarga están propensas a permanecer en estado de subcarga durante períodos prolongados en condicións operativas adversas, resultando nunha vida útil práctica moito máis curta que o valor teórico. Máis críticamente, o alto custo das baterías significa que o seu coste total ao longo da súa vida pode acercarse ou incluso superar o custo dos módulos PV ou aerxeneradores mesmos. Polo tanto, estender a vida útil das baterías e reducir os custos do sistema converteuse nos principais desafíos na optimización dos sistemas autónomos de enerxía.
1.2 Ventaxas significativas da xeración híbrida eólica-fotovoltaica
A tecnoloxía de xeración híbrida eólica-fotovoltaica supera eficazmente a intermitencia dunha soa fonte de enerxía combinando organicamente a enerxía solar e eólica, dúas fuentes renovables. A enerxía eólica e solar exhiben un complementariedade natural no tempo (día/noite, estacións): unha forte luz solar durante o día adoita coincidir con vientos potencialmente máis fortes durante a noite; unha boa irradiación solar no verán pode combinarse con abundantes recursos de vento no inverno. Esta complementariedade permite:
Estender significativamente o tempo efectivo de carga das baterías, reducindo o tempo que pasan en estado de subcarga, alargando así substancialmente a vida útil das baterías.
Redución da capacidade de batería necesaria. Como a probabilidade de que ambos, o vento e a solar, non estejan dispoñibles simultaneamente é baixa, o sistema pode alimentar directamente a carga, permitindo o uso dun banco de baterías de menor capacidade.
Os estudios nacionais e internacionais confirmaron que os sistemas híbridos eólico-solares superan aos sistemas de xeración de enerxía dunha soa fonte tanto en fiabilidade do suministro como en eficacia de custo ao longo da súa vida.
1.3 Deficiencias dos métodos de deseño existentes e a solución proposta
O deseño actual do sistema enfrenta desafíos. O software de simulación profesional estranxeiro é caro, e os seus modelos centrais son a miúdo confidenciais, obstaculizando a súa adopción xeral. Ao mesmo tempo, a maioría dos métodos de deseño simplificados son inadequados, xa sea porque se basean demasiado nas medias meteorolóxicas ignorando os detalles, ou utilizan modelos linealizados simplificados que levam a unha precisión limitada e pobre aplicabilidade.
Esta solución ten como obxectivo propoñer un conxunto de metodoloxías de deseño asistido por ordenador precisas e prácticas para abordar os problemas mencionados.
II. Composición do sistema e modelos técnicos centrais
2.1 Arquitectura do sistema
O sistema de xeración híbrida eólica-fotovoltaica deseñado nesta solución é un sistema completamente autónomo e off-grid, sen fontes de respaldo como xeradores a diésel. Os compoñentes centrais inclúen:
Unidade de xeración de enerxía: Aerxeneradores, matriz fotovoltaica.
Unidade de almacenamento e xestión de enerxía: Banco de baterías, controlador de carga (para xestionar a carga e descarga).
Unidade de protección e conversión: Carga de desvío (prevén a sobrecarga da batería, protexe o inversor), inversor (converte CC a CA para satisfacer a maioría das cargas).
Unidade de consumo de enerxía: Carga.
2.2 Modelos precisos de cálculo de xeración de enerxía
Para lograr un deseño optimizado, establecemos modelos precisos de cálculo de xeración de enerxía por horas.
Modelo de matriz fotovoltaica:
Transposición da radiación solar: Utiliza un modelo avanzado de difusión anisotrópica do ceo para transponer precisamente os datos de radiación solar horizontal medidos por estacións meteorolóxicas á irradiación incidente na superficie inclinada dos módulos fotovoltaicos, considerando comprehensivamente a radiación direta, a difusa do ceo e a refletida do terreo.
Simulación das características do módulo: Emprega un modelo físico preciso para caracterizar as características de saída non lineales dos módulos fotovoltaicos, tendo en conta completamente os efectos da irradiación e da temperatura ambiente na tensión e corrente de saída do módulo, asegurando a precisión dos cálculos de xeración de enerxía.
Modelo de aerxenerador:
Corrección da velocidade do vento: Corrige a velocidade do vento de referencia a partir dos datos meteorolóxicos á velocidade real do vento na altura do hub, baseándose na lei exponencial que rixe a variación da velocidade do vento coa altura.
Ajuste da curva de potencia: Utiliza unha función segmentada (diferentes ecuacións binomiais para diferentes intervalos de velocidade do vento) para lograr un ajuste de alta precisión da curva de potencia real do aerxenerador, permitindo un cálculo preciso da enerxía por horas a partir dos datos de velocidade do vento.
2.3 Modelo de características dinámicas da batería
A batería é o compoñente central de almacenamento de enerxía, con estados que cambian dinámicamente. O modelo centrase principalmente en:
Cálculo do estado de carga (SOC): Simula dinámicamente os procesos de carga e descarga da batería en función da relación entre a xeración de enerxía e o consumo de carga en cada paso de tempo, calculando con precisión a capacidade restante, tendo en conta factores prácticos como a taxa de autodescarga, a eficiencia de carga e a eficiencia do inversor.
Xestión de carga y descarga: Para estender a vida útil da batería, defínese un rango operativo razonable de SOC (por exemplo, limitando a profundidade máxima de descarga ao 50%), e estabelece un modelo que correlaciona a tensión de carga flotante co SOC e a temperatura ambiente para determinar con precisión as condicións de carga.
III. Metodoloxía de optimización e dimensionamento do sistema
3.1 Indicadores de fiabilidade do suministro de enerxía
O deseño prioriza o cumprimento dos requisitos específicos de fiabilidade do suministro de enerxía do usuario. Os indicadores clave inclúen:
Probabilidade de perda de suministro de enerxía (LPSP): A relación entre o tempo de corte do sistema e o tempo total de avaliación, reflicindo intuitivamente a continuidade do suministro.
Probabilidade de perda de carga (LLP): A relación entre a demanda de potencia de carga non atendida polo sistema e a demanda total. Este é o indicador central máis crítico para o deseño de optimización do sistema.
3.2 Proceso de deseño de optimización paso a paso
Esta solución adopta un proceso sistemático de optimización, con o obxectivo de minimizar o custo inicial de investimento en equipos para atopar a configuración óptima.
Paso 1: Optimización da configuración de PV e batería para unha capacidade fixa de aerxenerador
Tarefa central: Dado que o modelo e a cantidade de aerxeneradores están fixos, atopar a combinación de capacidades de módulos PV e baterías que cumpra o indicador de fiabilidade predefinido (LPSP) e resulte no menor custo total de equipos.
Método de implementación: A través de cálculos de simulación, trázase a "curva de equilibrio" que representa todas as configuracións de PV e batería que cumpren o requisito de fiabilidade. Entón, utilizando o método de tanxente de custo ou a selección informática baseada nos prezos unitarios de equipos, determinase a única combinación óptima con o menor custo.
Paso 2: Optimización global variando a capacidade de aerxenerador
Tarefa central: Cambiar a capacidade ou o número de aerxeneradores, repetir o proceso de optimización do Paso 1 e obter unha serie de configuracións óptimas e os seus custos correspondentes para diferentes capacidades de aerxenerador.
Decisión final: Comparar os custos totais de todas as soluciones candidatas e seleccionar a combinación eólica-PV-batería con o menor custo global como a configuración final óptima do sistema.
3.3 Simulación do rendemento do sistema e saída
Despois de determinar a configuración óptima, pódese simular a operación anual do sistema hora a hora, xerando informes detallados que inclúen:
Dimensión temporal: Estado de carga da batería por horas, balance de enerxía do sistema.
Dimensión estatística: Enerxía de carga non atendida diaria/mensual/anual, indicadores de fiabilidade (LPSP, LLP), participación da xeración eólica y solar, situacións de superávit e déficit de enerxía, etc.
IV. Conclusión
O método de deseño optimizado para sistemas de xeración híbrida eólica-fotovoltaica proposto nesta solución, basado en modelos matemáticos comprehensivos e en datos meteorolóxicos locais precisos, pode determinar de forma única a configuración do sistema con o menor custo inicial de investimento en equipos, mentres se satisfacen as demandas específicas de enerxía do usuario e os requisitos de fiabilidade do suministro. Este método resolve eficazmente as deficiencias dos sistemas de xeración de enerxía dunha soa fonte, supera as limitacións dos métodos de deseño existentes e ofrece unha ferramenta poderosa para o deseño científico, eficiente e económico de sistemas de xeración híbrida eólica-fotovoltaica, con un valor significativo para as aplicacións de enxeñaría.
