Hibrit Rüzgar-Güneş Enerji Sistemi Optimizasyonu: Şebeke Dışı Uygulamalar için kapsamlı bir tasarım çözümü
Giriş ve Arka Plan
1.1 Tek Kaynaklı Güç Üretim Sistemlerinin Zorlukları
Geleneksel tek başına güneş fotovoltaik (PV) veya rüzgar güç üretim sistemleri kendi içinde bazı dezavantajlara sahiptir. PV güç üretimi günlük döngüler ve hava koşullarına bağlı olarak etkilenir, rüzgar güç üretimi ise istikrarsız rüzgar kaynaklarına dayalıdır, bu da güç çıkışı üzerinde önemli dalgalanmalara neden olur. Sürekli bir güç arzını sağlamak için büyük kapasiteli pil bankaları enerji depolama ve dengeleme için gereklidir. Ancak, sert çalışma koşulları altında sık sık şarj-boşaltma döngüleri geçiren piller uzun süreler boyunca yetersiz şarj durumunda kalabilir, bu da teorik değere göre çok daha kısa bir pratik kullanım ömrüne yol açar. Daha kritik olarak, pillerin yüksek maliyeti, toplam yaşam döngüsü maliyetlerinin PV modüllerinin ya da rüzgar türbinlerinin kendilerine yaklaştığını hatta aştığını anlamına gelir. Bu nedenle, pil ömrünü uzatmak ve sistem maliyetlerini azaltmak, tek başına güç sistemlerinin optimize edilmesinde temel zorluklar haline gelmiştir.
1.2 Hibrit Rüzgar-Güneş Güç Üretiminin Önemli Avantajları
Hibrit rüzgar-güneş güç üretimi teknolojisi, iki yenilenebilir enerji kaynağı olan PV ve rüzgar gücünü organik bir şekilde birleştirerek tek kaynaklı enerjinin kesintisizliğini etkili bir şekilde aşar. Rüzgar ve güneş enerjisi zaman açısından doğal bir tamamlılık gösterir (gündüz/gece, mevsimler): gündüz güçlü güneş ışığı genellikle geceleri potansiyel olarak daha güçlü rüzgarlarla, yaz aylarında iyi güneş radyasyonu kış aylarında bol rüzgar kaynaklarıyla uyumludur. Bu tamamlılık, şunları sağlar:
Pillerin etkin şarj süresini önemli ölçüde uzatır, dolayısıyla pillerin yetersiz şarj durumunda geçirilen süreyi azaltarak pil kullanım ömrünü önemli ölçüde uzatır.
Gerekli pil kapasitesini azaltır. Hem rüzgar hem de güneşin aynı anda mevcut olmaması olasılığı düşük olduğundan, sistem genellikle yükü doğrudan çalıştırabilir, bu da daha küçük kapasiteli bir pil bankası kullanılmasına imkan tanır.
Yurtiçi ve uluslararası çalışmalar, hibrit rüzgar-güneş sistemlerinin hem güç arz güvenilirliği hem de yaşam döngüsü maliyet etkinliği açısından tek kaynaklı güç üretim sistemlerini aştığını onaylamaktadır.
1.3 Mevcut Tasarım Yöntemlerinin Kusurları ve Önerilen Çözüm
Mevcut sistem tasarımı zorluklarla karşı karşıyadır. Yabancı profesyonel simülasyon yazılımları pahalı olup, çekirdek modelleri genellikle gizlidir, bu da yaygın benimsenmesini engeller. Ayrıca, çoğu basitleştirilmiş tasarım yöntemi yetersizdir - ya meteorolojik ortalamalara fazlasıyla bağımlı olup detayları görmezden gelir, ya da doğrusal basitleştirilmiş modeller kullanılarak sınırlı doğruluk ve uygulanabilirlik sağlar.
Bu çözüm, yukarıdaki sorunları çözmek için doğru ve uygulanabilir bir bilgisayar destekli tasarım metodolojisi seti önermeyi amaçlamaktadır.
II. Sistem Bileşenleri ve Temel Teknik Modeller
2.1 Sistem Mimarisi
Bu çözümda tasarlanan hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemi, dizel jeneratör gibi yedek güç kaynakları olmadan tamamen tek başına bir şebeke dışı sistemdir. Temel bileşenleri şunlardır:
Güç Üretim Birimi: Rüzgar türbini jeneratörleri, PV dizisi.
Enerji Depolama ve Yönetim Birimi: Pil bankası, şarj kontrolcüsü (şarj ve boşaltmayı yönetmek için).
Koruma ve Dönüşüm Birimi: Ayrılma yükü (pil aşırı şarjını önler, inverteri korur), inverter (DC'yi AC'ye dönüştürerek çoğunlukta yük gereksinimlerini karşılar).
Güç Tüketim Birimi: Yük.
2.2 Doğru Güç Üretim Hesaplama Modelleri
Optimize edilmiş tasarım elde etmek için, saatlik güç üretim hesaplama modelleri oluşturduk.
PV Dizi Modeli:
Güneş Işınımının Taşınması: İleri seviye anizotropik gökyüzü saçılmalı model kullanılarak, meteoroloji istasyonları tarafından ölçülen yatay güneş ışınımı verilerini PV modüllerin eğik yüzeyine düşen ışınımı doğru bir şekilde taşır, doğrudan ışınım, gökyüzü saçılmalı ışınım ve zemin yansımalı ışınımı kapsamlı bir şekilde dikkate alır.
Modül Özellik Simülasyonu: PV modüllerin doğrusal olmayan çıkış özelliklerini karakterize etmek için hassas bir fiziksel model kullanılır, ışınım ve çevre sıcaklığının modül çıkış gerilimi ve akım üzerindeki etkilerini tam olarak dikkate alarak, güç üretim hesaplamalarının doğruluğunu sağlar.
Rüzgar Türbini Modeli:
Rüzgar Hızı Düzeltmesi: Meteoroloji verilerinden referans yüksekliğinden rüzgar hızını, yükseklikle değişen rüzgar hızını belirleyen üstel yasa temelinde türbin merkez yüksekliğine aktarır.
Güç Eğrisi Uydurma: Parçalı fonksiyon (farklı rüzgar hızı aralıkları için farklı ikinci dereceden denklemler) kullanılarak, türbinin gerçek güç çıkışı eğrisine yüksek hassasiyetli uydurma sağlanır, bu da rüzgar hızı verilerine dayalı olarak saatlik enerji hesaplamasını mümkün kılar.
2.3 Pil Dinamik Özellik Modeli
Pil, dinamik olarak değişen durumları olan temel enerji depolama bileşenidir. Modelin ana odak noktası şudur:
Dolu Durumu (SOC) Hesaplama: Her zaman adımında güç üretim ile yük tüketimi arasındaki ilişkiye dayalı olarak pilin şarj ve boşaltma süreçlerini dinamik olarak simüle ederek, kalan kapasiteyi doğru bir şekilde hesaplar, ayrıca kendiliğinden boşalma oranı, şarj etkinliği ve inverter etkinliği gibi pratik faktörleri dikkate alır.
Şarj-Boşaltma Yönetimi: Pillerin ömrünü uzatmak için, makul bir SOC işletim aralığı tanımlanır (örneğin, maksimum boşaltma derinliğini %50'ye sınırlama), ve SOC ile çevre sıcaklığı arasında bir ilişki kurularak, şarj koşullarını doğru bir şekilde belirlemek için bir model oluşturulur.
III. Sistem Optimizasyonu ve Boyutlandırma Metodolojisi
3.1 Güç Arz Güvenilirlik Göstergeleri
Tasarım, kullanıcının belirttiği güç arz güvenilirlik gereksinimlerini karşılamayı öncelikli tutar. Ana göstergeler şunlardır:
Güç Arzı Kayıp Olasılığı (LPSP): Sistemin kesinti geçirdiği sürenin toplam değerlendirme süresine oranı, arz sürekliliğini somut bir şekilde yansıtır.
Yük Kaybı Olasılığı (LLP): Sistem tarafından karşılanmayan yük güç talebinin toplam talebe oranıdır. Bu, sistem optimizasyon tasarımının en kritik temel göstergesidir.
3.2 Adım Adım Optimizasyon Tasarım Süreci
Bu çözüm, sistem ekipmanlarının başlangıç yatırım maliyetini minimize etmeyi amaçlayan sistematik bir optimizasyon sürecini benimser.
Adım 1: Sabit Rüzgar Türbini Kapasitesi İçin PV ve Pil Konfigürasyonunu Optimize Etme
Ana Görev: Rüzgar türbini modeli ve miktarı sabit olduğu durumda, önceden belirlenmiş güvenilirlik göstergesi (LPSP) gereksinimini karşılayıp toplam ekipman maliyetini en düşük olan PV modülü ve pil kapasitelerinin kombinasyonunu bulmaktır.
Uygulama Yöntemi: Simülasyon hesaplamaları aracılığıyla, güvenilirlik gereksinimini karşılayan tüm PV ve pil konfigürasyonlarını temsil eden "denge eğrisini" çizilir. Ardından, ekipman birim fiyatlarına dayalı olarak maliyet teğet yöntemi veya bilgisayar programı filtreleme kullanılarak, en düşük maliyetli benzersiz optimal kombinasyon belirlenir.
Adım 2: Rüzgar Türbini Kapasitesini Değiştirerek Küresel Optimizasyon
Ana Görev: Rüzgar türbini kapasitesini veya sayısını değiştirerek, Adım 1'in optimizasyon sürecini tekrarlayın ve farklı rüzgar türbini kapasiteleri için bir dizi optimal konfigürasyon ve bunların karşılık gelen maliyetlerini elde edin.
Son Karar: Tüm aday çözümlerin toplam maliyetlerini karşılaştırın ve küresel olarak en düşük maliyetli rüzgar-PV-pil kombinasyonunu son optimize edilmiş sistem konfigürasyonu olarak seçin.
3.3 Sistem Performans Simülasyonu ve Çıktı
En iyi konfigürasyon belirlendikten sonra, sistemin yıllık operasyonu saatlik olarak simüle edilebilir, aşağıdaki detaylı raporlar oluşturulabilir:
Zaman Boyutu: Saatlik pil dolu durumu, sistem enerji dengesi.
İstatistiksel Boyut: Günlük/aylık/yıllık karşılanmayan yük enerjisi, güvenilirlik göstergeleri (LPSP, LLP), rüzgar/güneş güç üretim payı, enerji fazlası ve eksiklik durumları vb.
IV. Sonuç
Bu çözümda önerilen hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemleri için optimize edilmiş tasarım yöntemi, kapsamlı matematiksel modeller ve hassas yerel meteoroloji verilerine dayanarak, belirli kullanıcı elektrik taleplerini ve güç arz güvenilirlik gereksinimlerini karşılayacak şekilde minimum başlangıç ekipman yatırım maliyetiyle benzersiz bir sistem konfigürasyonunu belirleyebilir. Bu yöntem, tek kaynaklı güç üretim sistemlerinin eksikliklerini etkili bir şekilde ele alır, mevcut tasarım yaklaşımlarının sınırlamalarını aşar ve hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin bilimsel, verimli ve ekonomik tasarımında güçlü bir araç sunar, mühendislik uygulamaları için önemli bir değer taşır.
