Sistema Ibrido Eolico-Fotovoltaico Ottimizzato: Una Soluzione di Progettazione Comprehensiva per Applicazioni Off-Grid
Introduzione e contesto
1.1 Sfide dei sistemi di generazione di energia da fonte unica
I tradizionali sistemi di generazione di energia fotovoltaica (PV) o eolica autonomi presentano svantaggi intrinseci. La generazione di energia PV è influenzata dai cicli giornalieri e dalle condizioni meteorologiche, mentre la generazione eolica dipende da risorse ventose instabili, portando a fluttuazioni significative nell'output di potenza. Per garantire un approvvigionamento continuo di energia, sono necessarie banche di batterie ad alta capacità per lo stoccaggio e l'equilibrio energetico. Tuttavia, le batterie che subiscono cicli di carica e scarica frequenti tendono a rimanere in uno stato di sottocarica per periodi prolungati in condizioni operative difficili, riducendo la loro vita utile pratica rispetto al valore teorico. Più criticamente, il costo elevato delle batterie significa che il loro costo totale nel ciclo di vita può avvicinarsi o addirittura superare il costo dei moduli PV o delle turbine eoliche stesse. Pertanto, estendere la vita delle batterie e ridurre i costi del sistema sono diventate le sfide centrali nell'ottimizzazione dei sistemi autonomi di energia.
1.2 Vantaggi significativi della generazione di energia ibrida eolico-solare
La tecnologia di generazione di energia ibrida eolico-solare supera efficacemente l'intermittenza delle singole fonti di energia combinando organicamente due fonti rinnovabili, l'energia solare e l'energia eolica. L'energia eolica e solare mostra una complementarietà naturale nel tempo (giorno/notte, stagioni): la forte luminosità durante il giorno spesso coincide con venti potenzialmente più forti di notte; una buona irradiazione solare in estate può essere accompagnata da abbondanti risorse eoliche in inverno. Questa complementarietà consente:
Un'estensione significativa del tempo di carica effettivo per le batterie, riducendo il tempo trascorso in uno stato di sottocarica, prolungando quindi sostanzialmente la vita utile delle batterie.
Una riduzione della capacità di batteria richiesta. Poiché la probabilità che sia l'energia eolica che quella solare non siano disponibili contemporaneamente è bassa, il sistema può spesso alimentare il carico direttamente, permettendo l'uso di una banca di batterie di capacità inferiore.
Studi nazionali e internazionali confermano che i sistemi ibridi eolico-solari superano i sistemi di generazione di energia da fonte unica in termini di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico e convenienza economica nel ciclo di vita.
1.3 Difetti dei metodi di progettazione esistenti e la soluzione proposta
Il progetto attuale affronta sfide. I software di simulazione professionali provenienti dall'estero sono costosi e i loro modelli centrali sono spesso confidenziali, ostacolando una diffusione generalizzata. Nel frattempo, la maggior parte dei metodi di progettazione semplificati è inadeguata: o si basano eccessivamente su medie meteorologiche ignorando i dettagli, o utilizzano modelli lineari semplificati che portano a una precisione limitata e a una scarsa applicabilità.
Questa soluzione mira a proporre un insieme di metodologie di progettazione assistita da computer accurate e pratiche per affrontare le questioni sopra menzionate.
II. Composizione del sistema e modelli tecnici centrali
2.1 Architettura del sistema
Il sistema di generazione di energia ibrida eolico-solare progettato in questa soluzione è un sistema completamente autonomo e off-grid, senza fonti di backup come generatori a diesel. I componenti principali includono:
Unità di generazione di energia: Turbine eoliche, array fotovoltaico.
Unità di accumulo e gestione dell'energia: Banca di batterie, controller di carica (per la gestione della carica e scarica).
Unità di protezione e conversione: Carico di deviazione (previene l'overcarica delle batterie, protegge l'inverter), inverter (converte la corrente continua in alternata per soddisfare la maggior parte dei requisiti di carico).
Unità di consumo di energia: Carico.
2.2 Modelli di calcolo accurati della generazione di energia
Per ottenere un design ottimizzato, abbiamo stabilito modelli di calcolo orario accurati della generazione di energia.
Modello dell'array fotovoltaico:
Trasposizione della radiazione solare: Utilizza un avanzato modello di diffusione anisotropica del cielo per trasporre con precisione i dati di radiazione solare orizzontale misurati dalle stazioni meteorologiche all'irraggiamento incidente sulla superficie inclinata dei moduli fotovoltaici, considerando in modo esaustivo la radiazione diretta, la radiazione diffusa del cielo e la radiazione riflessa dal terreno.
Simulazione delle caratteristiche del modulo: Impiega un modello fisico preciso per caratterizzare le caratteristiche di output non lineari dei moduli fotovoltaici, tenendo conto in modo esaustivo degli effetti dell'irraggiamento e della temperatura ambiente sulla tensione e corrente di uscita del modulo, assicurando l'accuratezza dei calcoli di generazione di energia.
Modello della turbina eolica:
Correzione della velocità del vento: Corregge la velocità del vento di riferimento dai dati meteorologici alla velocità del vento reale all'altezza del mozzo sulla base della legge esponenziale che governa la variazione della velocità del vento con l'altezza.
Adattamento della curva di potenza: Utilizza una funzione segmentata (diverse equazioni binomiali per diversi intervalli di velocità del vento) per ottenere un adattamento di alta precisione della curva di potenza reale della turbina, consentendo il calcolo accurato dell'energia oraria in base ai dati di velocità del vento.
2.3 Modello dinamico delle caratteristiche della batteria
La batteria è il componente centrale di accumulo dell'energia, con stati che cambiano dinamicamente. Il modello si concentra principalmente su:
Calcolo dello stato di carica (SOC): Simula dinamicamente i processi di carica e scarica della batteria in base alla relazione tra generazione di energia e consumo di carico ad ogni passo temporale, calcolando con precisione la capacità residua, tenendo conto di fattori pratici come il tasso di autoscarsi, l'efficienza di carica e l'efficienza dell'inverter.
Gestione della carica e scarica: Per estendere la vita della batteria, viene definito un intervallo operativo ragionevole di SOC (ad esempio, limitando la profondità massima di scarica al 50%), e viene stabilito un modello che correla la tensione di carica galleggiante con il SOC e la temperatura ambiente per determinare con precisione le condizioni di carica.
III. Metodologia di ottimizzazione e dimensionamento del sistema
3.1 Indicatori di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico
Il progetto priorizza il soddisfacimento dei requisiti specificati dall'utente in termini di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico. Gli indicatori chiave includono:
Probabilità di perdita di approvvigionamento elettrico (LPSP): Il rapporto tra il tempo di interruzione del sistema e il tempo totale di valutazione, riflettendo intuitivamente la continuità dell'approvvigionamento.
Probabilità di perdita di carico (LLP): Il rapporto tra la domanda di potenza del carico non soddisfatta dal sistema e la domanda totale. Questo è l'indicatore centrale più critico per il progetto di ottimizzazione del sistema.
3.2 Processo di progettazione ottimizzata passo dopo passo
Questa soluzione adotta un processo di ottimizzazione sistematico, mirando a minimizzare il costo iniziale dell'investimento sui dispositivi per trovare la configurazione ottimale.
Passo 1: Ottimizzazione della configurazione PV e batteria per una capacità fissa di turbine eoliche
Compito centrale: Con il modello e la quantità di turbine eoliche fissi, trovare la combinazione di capacità di moduli PV e batterie che soddisfi l'indicatore di affidabilità predeterminato (LPSP) e che abbia il costo totale dei dispositivi più basso.
Metodo di implementazione: Attraverso calcoli di simulazione, tracciare la "curva di bilanciamento" che rappresenta tutte le configurazioni di PV e batterie che soddisfano il requisito di affidabilità. Quindi, utilizzando il metodo tangente del costo o la selezione tramite programma informatico in base ai prezzi unitari dei dispositivi, determinare l'unica combinazione ottimale con il costo più basso.
Passo 2: Ottimizzazione globale variando la capacità di turbine eoliche
Compito centrale: Cambiare la capacità o il numero di turbine eoliche, ripetere il processo di ottimizzazione del Passo 1 e ottenere una serie di configurazioni ottimali e i loro costi corrispondenti per diverse capacità di turbine eoliche.
Decisione finale: Confrontare i costi totali di tutte le soluzioni candidate e selezionare la combinazione eolico-PV-batteria con il costo globale più basso come configurazione del sistema ottimizzato finale.
3.3 Simulazione e output delle prestazioni del sistema
Dopo aver determinato la configurazione ottimale, è possibile simulare l'operazione annuale del sistema ora per ora, generando report dettagliati che includono:
Dimensione temporale: Stato di carica della batteria orario, bilanciamento energetico del sistema.
Dimensione statistica: Energia del carico non soddisfatta giornaliera/mensile/annuale, indicatori di affidabilità (LPSP, LLP), quota di generazione eolica/solare, situazioni di sovrappiù e deficit energetico, ecc.
IV. Conclusione
Il metodo di progettazione ottimizzata per i sistemi di generazione di energia ibrida eolico-solare proposto in questa soluzione, basato su modelli matematici completi e dati meteorologici locali precisi, può determinare in modo univoco la configurazione del sistema con il costo iniziale di investimento sui dispositivi minimo, soddisfacendo specifiche esigenze elettriche degli utenti e requisiti di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico. Questo metodo affronta efficacemente i difetti dei sistemi di generazione di energia da fonte unica, supera i limiti degli approcci di progettazione esistenti e fornisce uno strumento potente per la progettazione scientifica, efficiente ed economica di sistemi di generazione di energia ibrida eolico-solare, con un valore significativo per le applicazioni ingegneristiche.
