Hibrid szél-napelemes energiarendszer optimalizálása: Egy kiterjedt tervezési megoldás hálózattól független alkalmazásokhoz
Bevezetés és háttér
1.1 Az egyforrású energia-termelő rendszerek kihívásai
A hagyományos önálló fotovoltaikus (PV) vagy szélerő-művek rendszerei természetes hátrányokkal bírnak. A PV energia-termelés napköziségi ciklusoktól és az időjárástól függ, míg a szélerő-művek instabil szélforrásokra támaszkodnak, ami jelentős ingadozásokat eredményez az energia-termelésben. Folyamatos energiaellátás biztosítása érdekében nagy kapacitású akkumulátorbankok szükségesek az energia tárolásához és kiegyensúlyozásához. Azonban a gyakori töltés-eltöltési ciklusok során az akkumulátorok hosszú ideig alultöltött állapotban maradhatnak súlyos működési feltételek mellett, ami sokkal rövidebb valós hasznos életkorra vezethet, mint a elméleti érték. Súlyosabb, hogy az akkumulátorok magas költsége miatt az egész életciklusukban felmerülő költségek megközelíthetik, vagy még meghaladhatják a PV modulok vagy a szélkötők saját költségét. Ezért az akkumulátorok életkora valamint a rendszer költségeinek csökkentése lett a legfőbb kihívás az önálló energiaszolgáltató rendszerek optimalizálásában.
1.2 A hibrid szélerő-napenergia termelés jelentős előnyei
A hibrid szélerő-napenergia termelési technológia hatékonyan leküzdheti az egyetlen energiaforrásból származó szakadkozásokat, szervezett módon kombinálva a két megújuló energiaforrást, a napsugarat és a szélt. A szélerő és a napsugárzás természetes kiegészítő jellegű időbeli viselkedést mutat (nappali/éjszi, évfordalmi): a napfény erős napsütésének napjainak gyakran a potenciálisan erősebb éjszaki szélekkel járó éjszakái felelnek meg; a nyári napfényhez gyakran az ezen az időszakon túl lévő bőséges szélforrások tartoznak. Ez a kiegészítő jelleg:
Akkumulátorok hatékony töltési idejének jelentős meghosszabbítása, csökkentve az alultöltött állapotban töltött időt, ezáltal jelentősen meghosszabbítva az akkumulátorok hasznos életkorát.
Akkumulátor-kapacitás csökkentése. Mivel a szél és a napsugárzás egyszerre nem érhető el annyira gyakran, a rendszer gyakran közvetlenül ellátja a terhelést, lehetővé téve a kisebb kapacitású akkumulátorbank használatát.
Belföldi és nemzetközi tanulmányok is igazolják, hogy a hibrid szélerő-napenergia rendszerek mind a szállítási megbízhatóság, mind az életciklus költséghatékonyság szempontjából túlszárnyalják az egyforrású energia-termelő rendszereket.
1.3 A jelenlegi tervezési módszerek hiányosságai és a javasolt megoldás
A jelenlegi rendszertervezés számos kihívással néz szembe. A külföldi szakmai szimulációs szoftverek drágák, és a belső modellek gyakran bizalmasak, ami gátolja a széleskörű elfogadásukat. Ugyanakkor a legtöbb egyszerűsített tervezési módszer nem elégséges - vagy túlságosan a meteorológiai átlagokra támaszkodik, figyelmen kívül hagyva a részleteket, vagy lineáris egyszerűsített modelleket használ, ami korlátozza a pontosságot és alkalmazhatóságát.
Ez a megoldás célja, hogy pontos és praktikus számítógépes támogatott tervezési módszereket javasoljon a fenti problémák kezelésére.
II. Rendszer összetétele és alapvető technikai modellek
2.1 Rendszerarchitektúra
A megoldásban tervezett hibrid szélerő-napenergia termelő rendszer teljesen önálló off-grid rendszer, amelyben nincsenek diesel generátorokhoz hasonló biztonsági források. A fő komponensei a következők:
Energia-termelő egység: Szélkötő-generátor, PV-modulsor.
Energia-tároló és -kezelő egység: Akkumulátorbank, töltés-kezelő (a töltés-eltöltés kezelésére).
Védelmi és konvertáló egység: Átirányító terhelés (megakadályozza az akkumulátor túltöltését, védje az invertert), inverter (DC-t AC-ra konvertálja, hogy a legtöbb terhelés igényeit kielégítse).
Energia-fogyasztó egység: Terhelés.
2.2 Pontos energia-termelési számítási modellek
Az optimalizált tervezés érdekében pontos órás energia-termelési számítási modelleket készítettünk.
PV-modulsor modell:
Napsugárzás transzpozíciója: Haladólagos anizotrop sky diffuse modellt használ, hogy a meteorológiai állomások által mért vízszintes napsugárzási adatokat a PV-modulok ferde felületén bekövetkező sugárzással transzponálja, figyelembe véve a közvetlen sugarak, a mennydöngő sugárzás és a talajreflexió hatását.
Modul jellemzése: Pontos fizikai modellt alkalmaz a PV-modulok nemlineáris kimeneti jellemzőinek leírására, figyelembe véve a sugárzás és a környezeti hőmérséklet hatását a modul kimenő feszültségre és áramra, garantálva az energia-termelési számítások pontosságát.
Szélkötő modell:
Szélsebesség korrekciója: A meteorológiai adatokból származó referenciaviszony-szintű szélsebességet a szél sebességének exponenciális törvényének alapján korrigálja a szélkötő tényleges tengelymagasságú szélsebességére.
Teljesítménynyersítés: Szakaszos függvényt (különböző szélsebességi intervallumokhoz tartozó binomiális egyenleteket) használ a szélkötő valós teljesítmény-görbéjének magas pontosságú illesztésére, lehetővé téve a szélsebesség-adatok alapján történő órás energia-számítást.
2.3 Akkumulátor dinamikus jellemzői modell
Az akkumulátor a fő energia-tároló komponens, amelynek állapota dinamikusan változik. A modell főleg a következőkre összpontosít:
Töltési állapot (SOC) számítása: Dinamikusan szimulálja az akkumulátor töltés-eltöltési folyamatát minden időlépéssel, figyelembe véve az energia-termelés és a terhelés fogyasztásának viszonyát, pontosan kiszámítva a maradék kapacitást, figyelembe véve a gyakorlati tényezőket, mint például a saját eltöltési arány, a töltési hatékonyság és az inverter hatékonyság.
Töltés-eltöltés kezelése: Az akkumulátor életkora meghosszabbítása érdekében meghatározzuk a megfelelő SOC működési tartományt (pl. a maximális eltöltés mélységének korlátozása 50%-ra), és beállítunk egy modellt, amely a float charge feszültséget a SOC-val és a környezeti hőmérséklettel korrelálja, hogy pontosan meghatározhassuk a töltési feltételeket.
III. Rendszer optimalizálása és méretezési módszertan
3.1 Energiaellátás megbízhatósági mutatói
A tervezés prioritása, hogy eleget tegyen a felhasználó által meghatározott energiaellátási megbízhatósági követelményeknek. A kulcsfontosságú mutatók a következők:
Energiaellátás elvesztésének valószínűsége (LPSP): A rendszer kiesési ideje és az összes kiértékelési idő aránya, ami intuitívan utal a szállítás folytonosságára.
Terhelés elvesztésének valószínűsége (LLP): A rendszer által nem kielégített terhelési energiaigény és az összes igény aránya. Ez a legfontosabb alapvető mutató a rendszer optimalizálási tervezéséhez.
3.2 Lépésről lépésre haladó optimalizálási tervezési folyamat
Ez a megoldás rendszeres optimalizálási folyamatot alkalmaz, amelynek célja, hogy minimalizálja a berendezések kezdeti befektetési költségeit, hogy megtalálja a legoptimálisabb konfigurációt.
Lépés 1: Fix szélkötő-kapacitás mellett a PV és az akkumulátor konfiguráció optimalizálása
Fő feladat: Adott szélkötő modell és mennyiség mellett megtalálni azt a PV-modul és akkumulátor kapacitás kombinációt, amely a meghatározott megbízhatósági mutató (LPSP) mellett a legkisebb berendezési költséget eredményezi.
Megvalósítási mód: Szimulációs számítások segítségével kirajzoljuk a "balanszciklust", amely a megbízhatósági követelményt kielégítő összes PV-akkumulátor konfigurációt ábrázolja. Ezután a berendezési egységárak alapján, a költségtangens módszerrel vagy számítógépes program segítségével kiválasztjuk a legkisebb költséggel rendelkező egyedi optimális kombinációt.
Lépés 2: Globális optimalizálás a szélkötő-kapacitás változtatásával
Fő feladat: Változtassuk a szélkötő kapacitását vagy mennyiségét, ismételjük meg a Lépés 1 optimalizálási folyamatát, és szerezzenk egy sor optimális konfigurációt és a hozzájuk tartozó költségeket különböző szélkötő kapacitások esetén.
Végleges döntés: Összehasonlítsuk az összes jelölt megoldás teljes költségeit, és válasszuk ki a globálisan legkisebb költséggel rendelkező szél-PV-akkumulátor kombinációt a végleges optimalizált rendszer konfigurációjaként.
3.3 Rendszer teljesítmény szimulációja és kimenete
Az optimális konfiguráció meghatározása után az rendszer éves működését órás szimulációval lehet modellezni, részletes jelentéseket generálva, beleértve:
Időbeli dimenzió: Órás akkumulátor töltési állapota, rendszer energia-egyensúlya.
Statisztikai dimenzió: Napi/havi/éves nem kielégített terhelési energia, megbízhatósági mutatók (LPSP, LLP), szél/nap energia-termelési arány, energia túlrajz és hiányzó energia státusza, stb.
IV. Következtetés
A hibrid szélerő-napenergia termelő rendszerek optimalizált tervezési módszere, amelyet a megoldás javasol, a teljes matematikai modellek és a helyi meteorológiai adatok alapján, egyedülállóan meghatározza a minimális kezdeti berendezési befektetési költséggel rendelkező rendszer konfigurációját, miközben kielégíti a felhasználó specifikus energiaigényeit és az energiaellátási megbízhatósági követelményeit. Ez a módszer hatékonyan kezeli az egyforrású energia-termelő rendszerek hiányosságait, túlélve a meglévő tervezési megközelítések korlátait, és olyan hatékony eszközt nyújt a hibrid szélerő-napenergia termelő rendszerek tudományos, hatékony és gazdaságos tervezéséhez, ami jelentős értéket képvisel az mérnöki alkalmazások számára.
