हाइब्रिड विंड-सोलर पावर सिस्टम ऑप्टीमाइजेशन: ऑफ-ग्रिड एप्लिकेशन के लिए एक कॉम्प्रिहेंसिव डिज़ाइन सॉल्यूशन
परिचय और पृष्ठभूमि
1.1 एकल स्रोत विद्युत उत्पादन प्रणालियों की चुनौतियाँ
पारंपरिक स्वतंत्र फोटोवोल्टेइक (PV) या पवन ऊर्जा उत्पादन प्रणालियाँ आंतरिक दोषों से ग्रस्त होती हैं। PV ऊर्जा उत्पादन दिन-रात के चक्र और मौसम की स्थितियों से प्रभावित होता है, जबकि पवन ऊर्जा उत्पादन अस्थिर पवन संसाधनों पर निर्भर करता है, जिससे शक्ति उत्पादन में महत्वपूर्ण उतार-चढाव होता है। निरंतर विद्युत सप्लाई की गारंटी देने के लिए, ऊर्जा संग्रह और संतुलन के लिए बड़ी क्षमता वाली बैटरी बैंक की आवश्यकता होती है। हालांकि, बैटरियाँ अक्सर चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों से गुजरती हैं, जो कठिन संचालन स्थितियों में लंबे समय तक अधिकमात्रा में अपर्याप्त चार्जिंग रहती हैं, जिससे वास्तविक सेवा जीवन थ्योरिटिकल मूल्य से बहुत कम हो जाता है। अधिक महत्वपूर्ण रूप से, बैटरियों की उच्च लागत के कारण उनकी कुल लाइफसाइकल लागत PV मॉड्यूल या पवन टरबाइन्स की लागत के बराबर या उससे भी अधिक हो सकती है। इसलिए, बैटरी जीवन को बढ़ाना और प्रणाली की लागत को कम करना एकल स्रोत विद्युत प्रणालियों को अनुकूलित करने के मुख्य चुनौतियाँ बन गई हैं।
1.2 हाइब्रिड पवन-सौर ऊर्जा उत्पादन के महत्वपूर्ण लाभ
हाइब्रिड पवन-सौर ऊर्जा उत्पादन प्रौद्योगिकी दो नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों, PV और पवन ऊर्जा, को जोड़कर एकल ऊर्जा स्रोतों की अस्थिरता को प्रभावी रूप से दूर करती है। पवन और सौर ऊर्जा के बीच समय (दिन/रात, मौसम) में प्राकृतिक पूरकता होती है: दिन के दौरान मजबूत सूरज का प्रकाश अक्सर रात के दौरान मजबूत पवन के साथ मिलता है; गर्मी में अच्छा सौर विकिरण शीतकाल में अधिक पवन संसाधनों के साथ मिल सकता है। यह पूरकता निम्नलिखित को संभव बनाती है:
बैटरियों के लिए प्रभावी चार्जिंग समय का महत्वपूर्ण विस्तार, जिससे वे अधिक समय तक अपर्याप्त चार्जिंग रहने के बिना रहती हैं, जिससे बैटरी सेवा जीवन में बहुत बड़ी वृद्धि होती है।
आवश्यक बैटरी क्षमता की कमी। क्योंकि पवन और सौर दोनों एक साथ उपलब्ध न होने की संभावना कम होती है, प्रणाली अक्सर लोड को तुरंत चालू कर सकती है, जिससे छोटी क्षमता वाली बैटरी बैंक का उपयोग किया जा सकता है।
देशी और विदेशी अध्ययनों ने पुष्टि की है कि हाइब्रिड पवन-सौर प्रणालियाँ एकल स्रोत विद्युत उत्पादन प्रणालियों की तुलना में विद्युत सप्लाई की विश्वसनीयता और लाइफसाइकल लागत-कार्यक्षमता में बेहतर हैं।
1.3 मौजूदा डिजाइन विधियों की कमियाँ और प्रस्तावित समाधान
वर्तमान प्रणाली डिजाइन चुनौतियों का सामना कर रहा है। विदेशी पेशेवर सिमुलेशन सॉफ्टवेयर महंगा होता है, और इसके मुख्य मॉडल अक्सर गुप्त रहते हैं, जिससे इसका व्यापक अपनाव रोका जाता है। इसके अलावा, अधिकांश सरलीकृत डिजाइन विधियाँ अपर्याप्त होती हैं—या तो वे मौसमी औसतों पर अत्यधिक निर्भर करती हैं जो विवरणों को नजरअंदाज करती हैं, या वे रैखिक सरलीकृत मॉडलों का उपयोग करती हैं जो सीमित सटीकता और बुरी लागू योग्यता के कारण ग्रहण किए जाते हैं।
यह समाधान उपरोक्त मुद्दों को दूर करने के लिए एक सटीक और उपयोगी कंप्यूटर-सहायता डिजाइन विधियों का सेट प्रस्तावित करने का उद्देश्य रखता है।
II. प्रणाली की संरचना और मुख्य तकनीकी मॉडल
2.1 प्रणाली आर्किटेक्चर
इस समाधान में डिजाइन किया गया हाइब्रिड पवन-सौर ऊर्जा उत्पादन प्रणाली एक पूरी तरह से स्वतंत्र ऑफ-ग्रिड प्रणाली है, जिसमें डीजल जनरेटर जैसे बैकअप पावर स्रोत नहीं होते। मुख्य घटक शामिल हैं:
पावर जनरेशन यूनिट: पवन टरबाइन जनरेटर, PV ऐरे।
ऊर्जा संग्रह और प्रबंधन यूनिट: बैटरी बैंक, चार्ज कंट्रोलर (चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के प्रबंधन के लिए)।
सुरक्षा और परिवर्तन यूनिट: विचलित लोड (बैटरी ओवरचार्जिंग से रोकता है, इनवर्टर की सुरक्षा), इनवर्टर (DC को AC में परिवर्तित करता है जो अधिकांश लोड आवश्यकताओं को पूरा करता है)।
पावर कंस्यूम्प्शन यूनिट: लोड।
2.2 सटीक पावर जनरेशन कैलकुलेशन मॉडल
ऑप्टिमाइज्ड डिजाइन प्राप्त करने के लिए, हमने सटीक घंटे-दर-घंटे पावर जनरेशन कैलकुलेशन मॉडल स्थापित किए हैं।
PV ऐरे मॉडल:
सौर विकिरण ट्रांसपोजिशन: एक उन्नत अनिसोट्रोपिक स्काई डिफ्यूज मॉडल का उपयोग करके वेधशालाओं द्वारा मापा गया क्षैतिज सौर विकिरण डेटा को PV मॉड्यूल के झुकाव वाले सतह पर आपतित विकिरण में सटीक रूप से ट्रांसपोज करता है, जो निर्देशित बीम विकिरण, स्काई डिफ्यूज विकिरण और भू-प्रतिबिंबित विकिरण को व्यापक रूप से ध्यान में रखता है।
मॉड्यूल विशेषता सिमुलेशन: एक सटीक भौतिक मॉडल का उपयोग करके PV मॉड्यूल की गैर-रैखिक आउटपुट विशेषताओं का प्रतिनिधित्व करता है, जो पूरी तरह से विकिरण और पर्यावरण तापमान के प्रभावों को मॉड्यूल आउटपुट वोल्टेज और करंट पर ध्यान में रखता है, जिससे पावर जनरेशन कैलकुलेशन की सटीकता सुनिश्चित की जाती है।
पवन टरबाइन मॉडल:
विंड स्पीड कॉरेक्शन: मौसमी डेटा से रेफरेंस ऊंचाई वाली विंड स्पीड को वास्तविक हब ऊंचाई वाली विंड स्पीड में ऊंचाई के साथ विंड स्पीड के भिन्नता के घातांकीय नियम के आधार पर सुधार करता है।
पावर कर्व फिटिंग: विंड स्पीड डेटा पर आधारित घंटे-दर-घंटे ऊर्जा कैलकुलेशन की सटीकता को सुनिश्चित करने के लिए टरबाइन की वास्तविक पावर आउटपुट कर्व के लिए उच्च-प्रेसिजन फिटिंग के लिए एक विभाजित फंक्शन (विभिन्न विंड स्पीड इंटरवल के लिए विभिन्न बाइनोमियल समीकरण) का उपयोग करता है।
2.3 बैटरी डायनामिक विशेषता मॉडल
बैटरी ऊर्जा संग्रह का मुख्य घटक है, जिसकी स्थिति डायनामिक रूप से बदलती रहती है। मॉडल मुख्य रूप से निम्नलिखित पर ध्यान केंद्रित करता है:
स्टेट ऑफ चार्ज (SOC) कैलकुलेशन: प्रत्येक टाइम स्टेप पर पावर जनरेशन और लोड खपत के बीच संबंध के आधार पर बैटरी के चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रियाओं को डायनामिक रूप से सिमुलेट करता है, शेष क्षमता की सटीक गणना करता है, जबकि स्व-डिस्चार्ज दर, चार्जिंग दक्षता और इनवर्टर दक्षता जैसे व्यावहारिक कारकों को ध्यान में रखता है।
चार्ज-डिस्चार्ज प्रबंधन: बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए, एक विन्यस्त SOC ऑपरेटिंग रेंज परिभाषित किया जाता है (जैसे, अधिकतम डिस्चार्ज डिप्थ को 50% तक सीमित करना), और एक मॉडल स्थापित किया जाता है जो फ्लोट चार्ज वोल्टेज को SOC और पर्यावरण तापमान के साथ संबद्ध करता है, जिससे चार्जिंग की स्थितियों को सटीक रूप से निर्धारित किया जा सकता है।
III. प्रणाली ऑप्टिमाइजेशन और साइजिंग विधियाँ
3.1 पावर सप्लाई विश्वसनीयता संकेतक
डिजाइन में उपयोगकर्ता द्वारा निर्दिष्ट पावर सप्लाई विश्वसनीयता आवश्यकताओं को पूरा करने का प्राथमिकता दी जाती है। मुख्य संकेतक शामिल हैं:
लॉस ऑफ पावर सप्लाई प्रोबेबिलिटी (LPSP): प्रणाली के आउटेज समय और कुल मूल्यांकन समय का अनुपात, जो आपूर्ति की निरंतरता को स्पष्ट रूप से प्रतिबिंबित करता है।
लॉस ऑफ लोड प्रोबेबिलिटी (LLP): प्रणाली द्वारा पूरा नहीं किए गए लोड पावर डिमांड और कुल डिमांड का अनुपात। यह प्रणाली ऑप्टिमाइजेशन डिजाइन के लिए सबसे महत्वपूर्ण मुख्य संकेतक है।
3.2 चरण-दर-चरण ऑप्टिमाइजेशन डिजाइन प्रक्रिया
यह समाधान एक व्यवस्थित ऑप्टिमाइजेशन प्रक्रिया का उपयोग करता है, जिसका उद्देश्य उपकरणों की शुरुआती निवेश लागत को कम करना है ताकि विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने वाली विशिष्ट आवश्यक......
