Hibridni vjetro-sunčani sustav optimizacije: Kompletna dizajnerska rješenja za primjene izvan mreže
Uvod i pozadina
1.1 Izazovi sustava jedinstvene izvore proizvodnje energije
Tradicionalni samostalni fotovoltaički (PV) ili vjetroelektrane imaju inherentne nedostatke. Proizvodnja PV energije ovisi o dnevnoj ciklusa i vremenskim uvjetima, dok se proizvodnja vjetroenergije oslanja na nestabilne vjetrovne resurse, što dovodi do značajnih fluktuacija u proizvodnji energije. Za osiguranje kontinuirane snabdijevanja električnom energijom potrebni su veliki kapacitet baterija za pohranu i balansiranje energije. Međutim, baterije koje često podliježu ciklusima punjenja i ispunjenja često ostaju dugotrajan u stanju podpunjenosti u surovim radnim uvjetima, što rezultira praktičnom vječnost rada znatno kraća od teorijske vrijednosti. Štoviše, visoka cijena baterija znači da njihova ukupna troškova ciklusa može pristupiti ili čak premašiti troškove PV modula ili vjetrogeneratora. Stoga je proširenje vječnosti baterija i smanjenje troškova sustava postalo ključni izazov u optimizaciji samostalnih sustava proizvodnje energije.
1.2 Značajne prednosti hibridne vjetro-suncene proizvodnje energije
Hibridna vjetro-suncana tehnologija proizvodnje energije učinkovito prevaziđe intermitenciju jedinstvenih izvora energije organičnim kombiniranjem dvaju obnovljivih izvora energije, PV i vjetroenergije. Vjetar i sunčeva energija pokazuju prirodnu komplementarnost u vremenu (dan/noć, godišnja doba): jak sunčev sjaj tijekom dana često se podudara s potencijalno jačim vjetrovima noću; dobra solarna zračenja u ljetu mogu se upariti s obilnim vjetrovnim resursima u zimu. Ova komplementarnost omogućuje:
Značajno proširenje efektivnog vremena punjenja baterija, smanjujući vrijeme provedeno u stanju podpunjenosti, time značajno produžujući vječnost rada baterija.
Smanjenje potrebnog kapaciteta baterija. Budući da je vjerojatnost da su istodobno nedostupni i vjetar i sunce niska, sustav može često direktno napajati opterećenje, omogućujući korištenje manjeg kapaciteta baterija.
Domaće i međunarodne studije potvrđuju da hibridni vjetro-suncani sustavi premašuju sustave proizvodnje energije jedinstvene izvore u pouzdanosti opskrbe strujom i ekonomičnosti ciklusa života.
1.3 Nedostaci postojećih metoda dizajna i predloženo rješenje
Trenutni dizajn sustava suočava se s izazovima. Stručna simulacijska softvera iz inozemstva su skupa, a njihovi ključni modeli često su povjerljivi, sprečavajući široku primjenu. U međuvremenu, većina pojednostavljenih metoda dizajna nije zadovoljavajuća - ili previše se oslanjaju na meteorološke prosjek bez obzira na detalje, ili koriste linearni pojednostavljeni modeli koji dovode do ograničene točnosti i loše primjenjivosti.
Ovo rješenje ima za cilj predložiti skup točnih i praktičnih računalno podržanih metoda dizajna kako bi se riješili gore navedeni problemi.
II. Sastav sustava i ključni tehnički modeli
2.1 Arhitektura sustava
Hibridni vjetro-suncani sustav proizvodnje energije dizajniran u ovom rješenju je potpuno samostalan off-grid sustav, bez rezervnih izvora struje poput dizel generatora. Ključne komponente uključuju:
Jedinica proizvodnje energije: Vjetrogeneratori, PV polje.
Jedinica pohrane i upravljanja energijom: Baterijski park, kontroler punjenja (za upravljanje punjenjem i ispunjenjem).
Jedinica za zaštitu i pretvorbu: Odvodenje opterećenja (sprečava prepunjenje baterija, štiti inverter), inverter (pretvara DC u AC kako bi zadovoljio većinu potreba za opterećenjem).
Jedinica potrošnje energije: Opterećenje.
2.2 Točni modeli izračuna proizvodnje energije
Kako bismo postigli optimizirani dizajn, uspostavili smo točne satne modele izračuna proizvodnje energije.
Model PV polja:
Transpozicija solarnog zračenja: Koristi napredan anizotropni model difuznog neba kako bi točno transponirao horizontalne podatke o solarnom zračenju mjerene meteorološkim stanicama na zračenje padajuće na nagibanoj površini PV modula, komprehensivno uzimajući u obzir direktno zračenje, difuzno zračenje neba i reflektirano zračenje sa tla.
Simulacija karakteristika modula: Koristi precizan fizički model za karakterizaciju nelinearnih izlaznih karakteristika PV modula, potpuno uzimajući u obzir utjecaj zračenja i temperature okruženja na izlaznu napetost i struja modula, osiguravajući točnost izračuna proizvodnje energije.
Model vjetrogeneratora:
Korekcija brzine vjetra: Korektira referentnu brzinu vjetra iz meteoroloških podataka na stvarnu brzinu vjetra na visini hupe vjetrogeneratora temeljena na eksponencijalnom zakonu variranja brzine vjetra s visinom.
Prilaganje krivulje snage: Koristi segmentirane funkcije (različite binomne jednadžbe za različite intervali brzine vjetra) kako bi postigao visoku preciznost prilaganja stvarne krivulje snage vjetrogeneratora, omogućujući točan satni izračun energije temeljen na podacima o brzini vjetra.
2.3 Dinamički model karakteristika baterija
Baterija je ključna komponenta za pohranu energije, s dinamički mijenjajućim stanjima. Model se uglavnom fokusira na:
Izračun stanja punjenja (SOC): Dinamički simulira procese punjenja i ispunjenja baterija temeljeno na odnosu između proizvodnje energije i potrošnje opterećenja u svakom vremenskom koraku, točno izračunavajući preostali kapacitet, uzimajući u obzir praktične faktore poput stopa samorazrijeđivanja, učinkovitosti punjenja i učinkovitosti invertersa.
Upravljanje punjenjem i ispunjenjem: Kako bi se produžila vječnost baterija, definira se razuman raspon rada SOC-a (na primjer, ograničavanje maksimalne dubine ispunjenja na 50%), i postavlja se model vezu između napona plivajućeg punjenja, SOC-a i temperature okruženja kako bi se točno odredile uvjeti punjenja.
III. Metodologija optimizacije i dimenzioniranja sustava
3.1 Indikatori pouzdanosti opskrbe strujom
Dizajn priorizira zadovoljavanje specifičnih zahtjeva korisnika za pouzdanosti opskrbe strujom. Ključni indikatori uključuju:
Vjerojatnost gubitka opskrbe strujom (LPSP): Omjer vremena ispadanja sustava i ukupnog vremena procjene, intuitivno odražava kontinuitet opskrbe.
Vjerojatnost gubitka opterećenja (LLP): Omjer potrebe za snalom opterećenja koja sustav ne može zadovoljiti i ukupne potrebe. Ovo je najkritičniji ključni indikator za optimizacijski dizajn sustava.
3.2 Korak-po-korak optimizacijski proces dizajna
Ovo rješenje usvaja sistematski optimizacijski proces, smješten na minimizaciju početnih ulagačkih troškova opreme kako bi se pronašla optimalna konfiguracija.
Korak 1: Optimizacija konfiguracije PV i baterija za fiksnu kapacitet vjetrogeneratora
Ključna zadatak: Pod uvjetom da je model i količina vjetrogeneratora fiksna, pronađi kombinaciju kapaciteta PV modula i baterija koja zadovoljava predodređeni indikator pouzdanosti (LPSP) i rezultira u najnižim ukupnim troškovima opreme.
Metoda implementacije: Putem simulacijskih izračuna, crta "krivulju ravnoteže" koja predstavlja sve konfiguracije PV i baterija koje zadovoljavaju zahtjeve pouzdanosti. Zatim, koristeći metodu tangente troškova ili računalni program za odabir temeljen na cijenama opreme, odredi jedinstvenu optimalnu kombinaciju s najnižim troškovima.
Korak 2: Globalna optimizacija promjenom kapaciteta vjetrogeneratora
Ključna zadatak: Promjeni kapacitet vjetrogeneratora ili broj, ponovi optimizacijski proces Koraka 1 i dobij seriju optimalnih konfiguracija i njihovih odgovarajućih troškova za različite kapacitete vjetrogeneratora.
Konačna odluka: Usporedi ukupne troškove svih kandidatskih rješenja i odaberi kombinaciju vjetar-PV-baterija s globalno najnižim troškovima kao konačnu optimiziranu konfiguraciju sustava.
3.3 Simulacija i izlaz performansi sustava
Nakon određivanja optimalne konfiguracije, godišnji rad sustava može se simulirati sat po satu, generirajući detaljne izvještaje uključujući:
Vremenska dimenzija: Satni stanje punjenja baterija, energetski bilans sustava.
Statistička dimenzija: Dnevna/mjesečna/godišnja neispunjena potreba za energijom, indikatori pouzdanosti (LPSP, LLP), udio proizvodnje energije iz vjetra i sunca, situacije nadmjerne i nedostatne energije, itd.
IV. Zaključak
Optimizirana metoda dizajna hibridnih vjetro-suncanih sustava proizvodnje energije predložena u ovom rješenju, temeljena na kompleksnim matematičkim modelima i preciznim lokalnim meteorološkim podacima, može jedinstveno odrediti konfiguraciju sustava s najnižim početnim ulagačkim troškovima opreme, uz zadovoljavanje specifičnih potreba korisnika za strujom i zahtjeva za pouzdanosti opskrbe strujom. Ova metoda učinkovito rješava nedostatke sustava proizvodnje energije jedinstvene izvore, prevaziđe ograničenja postojećih pristupa dizajna i pruža moćan alat za znanstven, učinkovit i ekonomičan dizajn hibridnih vjetro-suncanih sustava proizvodnje energije, što ima značajan značaj za inženjerske primjene.
