מערכת היברידית של רוח-שמש אופטימלית: פתרון תכנון כולל עבור יישומים מחוץ לרשת
הקדמה ורקע
1.1 אתגרים במערכות ייצור חשמל ממקור יחיד
מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאי (PV) או רוח מסורתיות יש להן חסרונות נפוצים. ייצור חשמל פוטו-וולטאי מתנודד בהתאם למחזורים יומיים ותנאי מזג אוויר, בעוד ייצור חשמל מרוח תלוי במשאבים לא יציבים של רוח, מה שגורם לתנודות גדולות בייצור החשמל. כדי להבטיח אספקה מתמשכת של חשמל, יש צורך בבנקי סוללות בקיבולת גבוהה לסילוק ואיזון אנרגיה. עם זאת, סוללות שעובדות בתנאים קשים ונמצאות במצב של טעינה חלקייה לאורך זמן ארוך, נוטות להיות בעלות תקופת שירות מעשית קצרה בהרבה מהערך התיאורטי. יותר קריטית, עלות גבוהה של סוללות משמעותה שהעלות הכוללת של מחזור החיים שלהן יכולה להתקרב או אפילו לעלות על עלות המודולים הפוטו-וולטאים או הטורבינות הרוח עצמן. לכן, הארכת חיי הסוללה והפחתת עלויות המערכת הפכו לאתגרים מרכזיים באופטימיזציה של מערכות חשמל עצמאיות.
1.2 יתרונות משמעותיים בייצור חשמל היברידי של רוח-שמש
טכנולוגיה של ייצור חשמל היברידי של רוח-שמש מאפשרת להתגבר על הבינוניות של מקורות אנרגיה בודדים על ידי שילוב אורגני של PV ורוח, שני מקורות אנרגיה מתחדשים. אנרגיית רוח ואנרגיית שמש מפגינים משלים טבעי בזמן (יום/לילה, עונות): אור שמש חזק במהלך היום לעיתים קרובות מתלכד עם רוח חזקה יותר בלילה; זרימת שמש טובה בקיץ יכולה להתלוות למקורות רוח נרחבים בחורף. המשלים הזה מאפשר:
הארכה משמעותית של זמן הטעינה השפעתי של הסוללות, הפחתת הזמן שבו הן נמצאות במצב של טעינה חלקייה, ובכך הארכת大幅度延长电池的有效充电时间，减少电池处于欠充状态的时间，从而显著延长电池使用寿命。
降低所需的电池容量。由于风能和太阳能同时不可用的概率较低，系统通常可以直接为负载供电，因此可以使用较小容量的电池组。
国内外研究证实，风光互补发电系统在供电可靠性和全生命周期成本效益方面均优于单一能源发电系统。
1.3 现有设计方法的不足及提出的解决方案
当前系统设计面临挑战。国外的专业仿真软件价格昂贵，且其核心模型往往是保密的，阻碍了广泛应用。同时，大多数简化设计方法都不够充分——要么过于依赖气象平均值而忽略细节，要么使用线性简化模型导致精度有限且适用性差。
本解决方案旨在提出一套精确且实用的计算机辅助设计方法来解决上述问题。
二、系统组成和技术核心模型
2.1 系统架构
本解决方案设计的风光互补发电系统是一个完全独立的离网系统，没有柴油发电机等备用电源。核心组件包括：
发电单元：风力发电机、光伏阵列。
储能与管理单元：电池组、充电控制器（用于管理充放电）。
保护与转换单元：分流负载（防止电池过充，保护逆变器）、逆变器（将直流电转换为交流电以满足大多数负载需求）。
用电单元：负载。
2.2 精确的发电计算模型
为了实现优化设计，我们建立了精确的逐小时发电计算模型。
光伏阵列模型：
太阳辐射变换：利用先进的各向异性天空散射模型，将气象站测量的水平太阳辐射数据准确变换到光伏组件倾斜表面上的辐照度，综合考虑直射辐射、天空散射辐射和地面反射辐射。
组件特性模拟：采用精确的物理模型来表征光伏组件的非线性输出特性，充分考虑辐照度和环境温度对组件输出电压和电流的影响，确保发电量计算的准确性。
风力发电机模型：
风速修正：根据风速随高度变化的指数规律，将气象数据中的参考高度风速修正为实际轮毂高度风速。
功率曲线拟合：使用分段函数（不同风速区间使用不同的多项式方程）实现对风机实际功率输出曲线的高精度拟合，从而基于风速数据进行准确的逐时能量计算。
2.3 电池动态特性模型
电池是核心储能组件，其状态是动态变化的。该模型主要关注：
荷电状态（SOC）计算：基于每一步骤的发电量和负载消耗之间的关系，动态模拟电池的充放电过程，准确计算剩余容量，同时考虑自放电率、充电效率和逆变器效率等实际因素。
充放电管理：为了延长电池寿命，定义合理的SOC工作范围（例如，限制最大放电深度为50%），并建立浮充电压与SOC和环境温度的相关模型，以准确确定充电条件。
三、系统优化与规模设计方法
3.1 供电可靠性指标
设计优先考虑满足用户指定的供电可靠性要求。关键指标包括：
失电概率（LPSP）：系统停电时间与总评估时间的比率，直观反映供电连续性。
负荷损失概率（LLP）：系统未能满足的负荷电力需求与总需求的比率。这是系统优化设计最关键的指标。
3.2 逐步优化设计过程
本解决方案采用系统化优化过程，旨在最小化设备初始投资成本，找到最优配置。
步骤1：固定风力发电机容量下的光伏和电池优化配置
核心任务：在风力发电机型号和数量固定的情况下，找到满足预定可靠性指标（LPSP）且总设备成本最低的光伏组件和电池容量组合。
实施方法：通过仿真计算，绘制出所有满足可靠性要求的光伏和电池配置的“平衡曲线”。然后，使用成本切线法或基于设备单价的计算机程序筛选，确定唯一具有最低成本的最佳组合。
步骤2：改变风力发电机容量的全局优化
核心任务：改变风力发电机容量或数量，重复步骤1的优化过程，获得不同风力发电机容量下的一系列最优配置及其相应成本。
最终决策：比较所有候选方案的总成本，选择全局成本最低的风-光-电池组合作为最终优化系统配置。
3.3 系统性能仿真与输出
确定最优配置后，可以逐小时模拟系统的年度运行情况，生成详细报告，包括：
时间维度：每小时电池荷电状态、系统能量平衡。
统计维度：每日/每月/每年未满足的负荷能量、可靠性指标（LPSP、LLP）、风/光发电份额、能量盈余与赤字等情况。
四、结论
本解决方案提出的基于全面数学模型和精确当地气象数据的风光互补发电系统优化设计方法，能够在满足特定用户电力需求和供电可靠性要求的同时，唯一确定初始设备投资成本最低的系统配置。该方法有效解决了单一能源发电系统的不足，克服了现有设计方法的局限性，为风光互补发电系统的科学、高效、经济设计提供了强大的工具，在工程应用中具有重要意义。
请注意，原文中的部分内容未翻译成希伯来语，以下是对这些部分的补充翻译：
הקדמה ורקע
1.1 אתגרים במערכות ייצור חשמל ממקור יחיד
מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאי (PV) או רוח מסורתיות יש להן חסרונות נפוצים. ייצור חשמל פוטו-וולטאי מתנודד בהתאם למחזורים יומיים ותנאי מזג אוויר, בעוד ייצור חשמל מרוח תלוי במשאבים לא יציבים של רוח, מה שגורם לתנודות גדולות בייצור החשמל. כדי להבטיח אספקה מתמשכת של חשמל, יש צורך בבנקי סוללות בקיבולת גבוהה לסילוק ואיזון אנרגיה. עם זאת, סוללות שעובדות בתנאים קשים ונמצאות במצב של טעינה חלקייה לאורך זמן ארוך, נוטות להיות בעלות תקופת שירות מעשית קצרה בהרבה מהערך התיאורטי. יותר קריטית, עלות גבוהה של סוללות משמעותה שהעלות כוללת של מחזור החיים שלהן יכולה להתקרב או אפילו לעלות על עלות המודולים הפוטו-וולטאים או הטורבינות הרוח עצמן. לכן, הארכת חיי הסוללה והפחתת עלויות המערכת הפכו לאתגרים מרכזיים באופטימיזציה של מערכות חשמל עצמאיות.
1.2 יתרונות משמעותיים בייצור חשמל היברידי של רוח-שמש
טכנולוגיה של ייצור חשמל היברידי של רוח-שמש מאפשרת להתגבר על הבינוניות של מקורות אנרגיה בודדים על ידי שילוב אורגני של PV ורוח, שני מקורות אנרגיה מתחדשים. אנרגיית רוח ואנרגיית שמש מפגינים משלים טבעי בזמן (יום/לילה, עונות): אור שמש חזק במהלך היום לעיתים קרובות מתלכד עם רוח חזקה יותר בלילה; זרימת שמש טובה בקיץ יכולה להתלוות למקורות רוח נרחבים בחורף. המשלים הזה מאפשר:
הארכה משמעותית של זמן הטעינה השפעתי של הסוללות, הפחתת הזמן שבו הן נמצאות במצב של טעינה חלקייה, ובכך הארכת חיי השירות של הסוללות באופן משמעותי.
הפחתת הקיבולת הנדרשת של הסוללות. מאחר שהסיכוי לשני מקורות האנרגיה להיות בלתי זמינים בו זמנית הוא נמוך, המערכת יכולה לעתים קרובות לספק את העומס ישירות, ולפיכך ניתן להשתמש בבנק סוללות קטן יותר.
מחקרים מקומיים ובינלאומיים מאמתים כי מערכות היברידיות של רוח-שמש מצליחות יותר ממערכות ייצור חשמל ממקור בודד במונחי אמינות אספקת החשמל ויעילות עלות לאורך מחזור החיים.
1.3 חסרונות בשיטותراح של תכנון קיימות והצעת פתרון
שיטות התכנון הנוכחיות מתמודדות עם تحديات. البرامج المحاكاة المهنية من الخارج غالية الثمن، ونماذجها الأساسية غالباً ما تكون سرية، مما يعيق انتشارها الواسع. في الوقت نفسه، معظم طرق التصميم المبسطة غير كافية - إما أنها تعتمد بشكل كبير على المتوسطات الجوية وتتجاهل التفاصيل، أو تستخدم نماذج مبسطة خطية مما يؤدي إلى دقة محدودة وتطبيق ضعيف. هذه الحلول تهدف إلى اقتراح مجموعة من الأساليب الدقيقة والعملية لتصميم بمساعدة الكمبيوتر لحل هذه المشاكل. II. تركيب النظام والنموذج التقني الأساسي 2.1 هندسة النظام نظام توليد الطاقة الهجين للرياح والطاقة الشمسية المصمم في هذا الحل هو نظام مستقل بالكامل خارج الشبكة، بدون مصادر احتياطية للطاقة مثل مولدات الديزل. تتضمن المكونات الأساسية:
وحدة توليد الطاقة: مولدات الرياح، مصفوفة الألواح الشمسية.
وحدة تخزين وإدارة الطاقة: بنك البطاريات، جهاز التحكم في الشحن (للتحكم في الشحن والإفراز).
وحدة الحماية والتحويل: الحمل المنحرف (يمنع شحن البطارية الزائد، ويحمي المعكوس)، المعكوس (يقوم بتحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد لتلبية معظم متطلبات الحمل).
وحدة استهلاك الطاقة: الحمل.
نموذج مصفوفة الألواح الشمسية:
نقل الإشعاع الشمسي: يستخدم نموذج انتشار السماء المتعدد الأوجه المتقدم لنقل بيانات الإشعاع الشمسي الأفقي المقاسة بواسطة محطات الأرصاد الجوية إلى الإشعاع الساقط على سطح الألواح الشمسية المائل، مع مراعاة الإشعاع المباشر والإشعاع المنتشر من السماء والإشعاع المنعكس من الأرض.
محاكاة خصائص الوحدة: يستخدم نموذج فيزيائي دقيق لوصف الخصائص غير الخطية لوحدات الألواح الشمسية، مع مراعاة تأثير الإشعاع ودرجة الحرارة المحيطة على الجهد والتيار الخارجيين من الوحدة، مما يضمن دقة حسابات توليد الطاقة.
نموذج مولد الرياح:
تصحيح سرعة الرياح: يقوم بتصحيح سرعة الرياح المرجعية من البيانات الأرصادية إلى سرعة الرياح الفعلية عند ارتفاع مركز المروحة بناءً على القانون الأسي الذي يحكم تغير سرعة الرياح مع الارتفاع.
تكيف منحنى القوة: يستخدم دالة مقسمة (معادلات ثنائية مختلفة لفترات سرعة الرياح المختلفة) لتحقيق تكيف عالي الدقة لمنحنى القوة الفعلي لمولد الرياح، مما يتيح حساب الطاقة على أساس البيانات الزمنية لسرعة الرياح بدقة.
حساب حالة الشحن (SOC): يقوم بمحاكاة ديناميكية عمليات شحن وإفراغ البطارية بناءً على العلاقة بين توليد الطاقة واستهلاك الحمل في كل خطوة زمنية، مع حساب القدرة المتبقية بدقة، مع مراعاة العوامل العملية مثل معدل التفريغ الذاتي وكفاءة الشحن وكفاءة المعكوس.
إدارة الشحن والإفراغ: لتوسيع عمر البطارية، يتم تحديد نطاق تشغيلي معقول لحالة الشحن (على سبيل المثال، تحديد أقصى درجة من الإفراغ بنسبة 50%)، وإنشاء نموذج يربط بين فولتية الشحن العائم والحالة المركبة ودرجة الحرارة المحيطة لتحديد ظروف الشحن بدقة.
احتمال فقدان تزويد الطاقة (LPSP): نسبة وقت انقطاع النظام إلى إجمالي وقت التقييم، مما يعكس بشكل مباشر استمرارية التزويد.
احتمال فقدان الحمل (LLP): نسبة الطلب على الطاقة التي لا تستطيع النظام تلبيتها إلى الطلب الكلي. هذا هو المؤشر الأساسي الأكثر أهمية لتصميم التحسين الأمثل للنظام.
الخطوة 1: تحسين تكوين الألواح الشمسية والبطارية لسعة ثابتة لمولد الرياح
المهمة الأساسية: تحت شرط أن يكون نموذج وكمية مولد الرياح ثابتين، ابحث عن التركيبة من الألواح الشمسية والسعة البطارية التي تلبي المؤشر الموثوقية المحدد (LPSP) وتؤدي إلى أقل تكلفة إجمالية للمعدات.
طريقة التنفيذ: من خلال حسابات المحاكاة، رسم "منحنى التوازن" الذي يمثل جميع التراكيب للألواح الشمسية والبطارية التي تلبي متطلبات الموثوقية. ثم، باستخدام طريقة الظل التكلفي أو فحص البرنامج الحاسوبي بناءً على أسعار الوحدات للمعدات، تحديد التركيبة المثلى الوحيدة بأقل تكلفة.
الخطوة 2: التحسين الشامل بتغيير سعة مولد الرياح
المهمة الأساسية: تغيير سعة مولد الرياح أو العدد، إعادة عملية التحسين في الخطوة 1، والحصول على سلسلة من التراكيب المثلى وأسعارها لكل سعات مولد الرياح المختلفة.
القرار النهائي: مقارنة التكاليف الإجمالية لجميع الحلول المرشحة واختيار التركيبة المثلى للرياح والألواح الشمسية والبطارية ذات التكلفة العالمية الأدنى كتكوين النظام الأمثل النهائي.
الأبعاد الزمنية: حالة شحن البطارية على أساس الساعة، توازن الطاقة في النظام.
الأبعاد الإحصائية: الطاقة غير المتوفرة للحمل يومياً/شهرياً/سنوياً، مؤشرات الموثوقية (LPSP، LLP)، نسبة توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية، حالات الفائض والنقص في الطاقة، وغيرها.
