Sistem Optimasi Hidro-Angin Suria: Solusi Desain Komprehensif untuk Aplikasi Off-Grid
Pendahuluan dan Latar Belakang
1.1 Tantangan Sistem Pembangkit Listrik Sumber Tunggal
Sistem pembangkit listrik fotovoltaik (PV) atau angin tradisional memiliki kekurangan inheren. Pembangkitan listrik PV dipengaruhi oleh siklus harian dan kondisi cuaca, sementara pembangkitan listrik angin bergantung pada sumber angin yang tidak stabil, menyebabkan fluktuasi signifikan dalam output daya. Untuk memastikan pasokan listrik yang berkelanjutan, diperlukan bank baterai berkapasitas besar untuk penyimpanan dan keseimbangan energi. Namun, baterai yang sering mengalami siklus pengisian dan pelepasan cenderung berada dalam keadaan kurang muat dalam jangka waktu lama di bawah kondisi operasional yang keras, mengakibatkan umur layanan praktis jauh lebih pendek dari nilai teoretis. Lebih kritis lagi, biaya tinggi baterai berarti biaya siklus hidup totalnya mungkin mendekati atau bahkan melebihi biaya modul PV atau turbin angin itu sendiri. Oleh karena itu, perpanjangan umur baterai dan pengurangan biaya sistem telah menjadi tantangan inti dalam optimasi sistem tenaga mandiri.
1.2 Keuntungan Signifikan dari Pembangkit Listrik Hibrid Angin-Surya
Teknologi pembangkit listrik hibrid angin-surya secara efektif mengatasi intermitensi sumber energi tunggal dengan menggabungkan organik PV dan tenaga angin, dua sumber energi terbarukan. Energi angin dan surya menunjukkan komplementaritas alami dalam waktu (siang/malam, musim): sinar matahari yang kuat siang hari sering bertepatan dengan angin yang potensial lebih kuat malam hari; iradiasi surya yang baik di musim panas mungkin berpasangan dengan sumber angin yang melimpah di musim dingin. Komplementaritas ini memungkinkan:
Perpanjangan waktu pengisian baterai yang efektif, mengurangi waktu mereka berada dalam keadaan kurang muat, sehingga secara substansial memperpanjang umur layanan baterai.
Pengurangan kapasitas baterai yang diperlukan. Karena probabilitas kedua sumber tenaga angin dan surya tidak tersedia secara bersamaan rendah, sistem dapat sering langsung memasok beban, memungkinkan penggunaan bank baterai berkapasitas lebih kecil.
Studi domestik dan internasional mengkonfirmasi bahwa sistem hibrid angin-surya melebihi sistem pembangkit listrik sumber tunggal dalam keandalan pasokan listrik dan efisiensi biaya siklus hidup.
1.3 Kekurangan Metode Desain yang Ada dan Solusi yang Diusulkan
Desain sistem saat ini menghadapi tantangan. Perangkat lunak simulasi profesional dari luar negeri mahal, dan model intinya sering dirahasiakan, menghambat adopsi luas. Sementara itu, sebagian besar metode desain yang disederhanakan tidak memadai—entah terlalu bergantung pada rata-rata meteorologi tanpa memperhatikan detail, atau menggunakan model sederhana linier yang mengarah pada akurasi terbatas dan keterbatasan aplikasi.
Solusi ini bertujuan untuk mengusulkan satu set metodologi desain bantu komputer yang akurat dan praktis untuk mengatasi masalah-masalah tersebut.
II. Komposisi Sistem dan Model Teknis Inti
2.1 Arsitektur Sistem
Sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang dirancang dalam solusi ini adalah sistem off-grid mandiri sepenuhnya, tanpa sumber cadangan seperti generator diesel. Komponen inti termasuk:
Unit Pembangkitan Tenaga: Turbin angin, array PV.
Unit Penyimpanan dan Manajemen Energi: Bank baterai, kontroler pengisian (untuk mengelola pengisian dan pelepasan).
Unit Perlindungan dan Konversi: Beban pembuangan (mencegah overcharge baterai, melindungi inverter), inverter (mengubah DC menjadi AC untuk memenuhi sebagian besar kebutuhan beban).
Unit Konsumsi Daya: Beban.
2.2 Model Perhitungan Pembangkitan Tenaga yang Akurat
Untuk mencapai desain yang dioptimalkan, kami telah menetapkan model perhitungan pembangkitan tenaga per jam yang akurat.
Model Array PV:
Transposisi Radiasi Matahari: Menggunakan model difusi langit anisotropi lanjutan untuk mentransposisi data radiasi matahari horizontal yang diukur oleh stasiun cuaca ke insiden radiasi pada permukaan miring modul PV, mempertimbangkan secara komprehensif radiasi sinar langsung, radiasi difusi langit, dan radiasi pantulan tanah.
Simulasi Karakteristik Modul: Menggunakan model fisik yang tepat untuk mengkarakterisasi karakteristik output nonlinier modul PV, mempertimbangkan secara penuh efek iradiasi dan suhu lingkungan pada tegangan dan arus output modul, memastikan akurasi perhitungan pembangkitan tenaga.
Model Turbin Angin:
Koreksi Kecepatan Angin: Mengoreksi kecepatan angin ketinggian referensi dari data meteorologi ke kecepatan angin ketinggian hub yang sebenarnya berdasarkan hukum eksponensial yang mengatur variasi kecepatan angin dengan ketinggian.
Pencocokan Kurva Daya: Menggunakan fungsi segmen (persamaan binomial berbeda untuk interval kecepatan angin berbeda) untuk mencapai pencocokan presisi tinggi kurva output daya sebenarnya turbin, memungkinkan perhitungan energi per jam yang akurat berdasarkan data kecepatan angin.
2.3 Model Karakteristik Dinamis Baterai
Baterai adalah komponen penyimpanan energi inti, dengan keadaan yang berubah secara dinamis. Model utamanya fokus pada:
Perhitungan State of Charge (SOC): Mensimulasikan proses pengisian dan pelepasan baterai secara dinamis berdasarkan hubungan antara pembangkitan tenaga dan konsumsi beban pada setiap langkah waktu, menghitung dengan akurat kapasitas sisa, sambil mempertimbangkan faktor-faktor praktis seperti laju self-discharge, efisiensi pengisian, dan efisiensi inverter.
Manajemen Pengisian-Pelepasan: Untuk memperpanjang umur baterai, rentang operasional SOC yang wajar ditetapkan (misalnya, membatasi kedalaman pelepasan maksimum hingga 50%), dan model yang menghubungkan tegangan pengisian float dengan SOC dan suhu lingkungan dibuat untuk menentukan dengan akurat kondisi pengisian.
III. Metodologi Optimasi dan Penentuan Ukuran Sistem
3.1 Indikator Keandalan Pasokan Listrik
Desain menitikberatkan pada pemenuhan persyaratan keandalan pasokan listrik yang ditentukan pengguna. Indikator kunci termasuk:
Probabilitas Kehilangan Pasokan Listrik (LPSP): Rasio waktu gangguan sistem terhadap total waktu evaluasi, secara intuitif mencerminkan kontinuitas pasokan.
Probabilitas Kehilangan Beban (LLP): Rasio kebutuhan daya beban yang tidak dapat dipenuhi oleh sistem terhadap total kebutuhan. Ini adalah indikator inti paling kritis untuk desain optimasi sistem.
3.2 Proses Desain Optimasi Langkah demi Langkah
Solusi ini mengadopsi proses optimasi sistematis, bertujuan untuk meminimalkan biaya investasi awal peralatan untuk menemukan konfigurasi optimal.
Langkah 1: Optimalisasi Konfigurasi PV dan Baterai untuk Kapasitas Turbin Angin Tetap
Tugas Inti: Dengan kondisi model dan jumlah turbin angin tetap, temukan kombinasi kapasitas modul PV dan baterai yang memenuhi indikator keandalan (LPSP) yang ditentukan dan menghasilkan biaya total peralatan terendah.
Metode Implementasi: Melalui perhitungan simulasi, plot "kurva keseimbangan" yang mewakili semua konfigurasi PV dan baterai yang memenuhi persyaratan keandalan. Kemudian, menggunakan metode tangen biaya atau penyaringan program komputer berdasarkan harga satuan peralatan, tentukan kombinasi optimal unik dengan biaya terendah.
Langkah 2: Optimasi Global dengan Mengubah Kapasitas Turbin Angin
Tugas Inti: Ubah kapasitas atau jumlah turbin angin, ulangi proses optimasi Langkah 1, dan dapatkan serangkaian konfigurasi optimal dan biaya mereka untuk kapasitas turbin angin berbeda.
Keputusan Final: Bandingkan biaya total dari semua solusi kandidat dan pilih kombinasi angin-PV-baterai dengan biaya global terendah sebagai konfigurasi sistem final yang dioptimalkan.
3.3 Simulasi dan Output Kinerja Sistem
Setelah menentukan konfigurasi optimal, operasi tahunan sistem dapat disimulasikan per jam, menghasilkan laporan rinci termasuk:
Dimensi Waktu: State of charge baterai per jam, keseimbangan energi sistem.
Dimensi Statistik: Energi beban yang tidak terpenuhi harian/bulanan/tahunan, indikator keandalan (LPSP, LLP), porsi pembangkitan tenaga angin/surya, situasi surplus dan defisit energi, dll.
IV. Kesimpulan
Metode desain yang dioptimalkan untuk sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang diusulkan dalam solusi ini, berdasarkan model matematika komprehensif dan data meteorologi lokal yang tepat, dapat menentukan secara unik konfigurasi sistem dengan biaya investasi awal peralatan minimum sambil memenuhi permintaan listrik spesifik pengguna dan persyaratan keandalan pasokan listrik. Metode ini secara efektif mengatasi kekurangan sistem pembangkit listrik sumber tunggal, mengatasi batasan pendekatan desain yang ada, dan memberikan alat yang kuat untuk desain sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang ilmiah, efisien, dan ekonomis, memiliki nilai signifikan untuk aplikasi teknik.
