Hibrīda vēja-saules enerģijas sistēmas optimizācija: Visaptveroša dizaina risinājuma izstrāde nekļūdaiņu lietojumiem
Ievads un fons
1.1 Viensākā enerģijas ražošanas sistēmas izaicinājumi
Parastās atsevišķas fotovoltaisko (PV) vai vēja enerģijas ražošanas sistēmas ir savādākas trūkumi. PV enerģijas ražošana tiek ietekmēta diennakts ciklu un laika apstākļiem, savukārt vēja enerģijas ražošana atkarīga no nestabilām vēja resursiem, kas rada būtiskas izraisījumu svārstības. Lai nodrošinātu nepārtrauktu enerģijas piegādi, ir nepieciešamas lielos jaudas akumulatoru bankas energijas krājšanai un līdzsvarošanai. Tomēr, akumulatori, kas dažreiz tiek ļoti bieži uzlādēti, ilgstoši var palikt nepietiekami uzlādēti smagās darbības apstākļos, tāpēc praktiskā izmantošanas periods ir daudz īsāks nekā teorētiskais. Vēl kritiskāk, augstās akumulatoru cena nozīmē, ka to kopējā dzīves cikla izmaksas var tuvināties vai pat pārsniegt PV moduļu vai vēja dzelmeņu pašus izmaksas. Tāpēc akumulatoru dzīves laika pagarināšana un sistēmas izmaksu samazināšana ir kļuvušas par galvenajiem izaicinājumiem viensākā enerģijas sistēmu optimizēšanā.
1.2 Nozīmīgie priekšrocības hibrīda vēja-saules enerģijas ražošanas sistēmām
Hibrīda vēja-saules enerģijas ražošanas tehnoloģija efektīvi pārvar viena enerģijas avota neregularitāti, organiski kombinējot divus atjaunojamus enerģijas avotus - PV un vēja enerģiju. Vēja un saule enerģijas parāda dabisku komplementaritāti laikā (dienā/nakts, sezonās): stipra saule dienā bieži saskaņojas ar potenciāli spēcīgākiem vējiem naktī; laba saules radiācija vasarā var kombinēties ar bagātīgiem vēja resursiem ziemā. Šī komplementaritāte ļauj:
Būtiski pagarināt akumulatoru efektīvo uzlādes laiku, samazinot laiku, ko tie pavadīs nepietiekami uzlādēti, tādējādi būtiski pagarinot akumulatoru izmantošanas periodu.
Samazināt nepieciešamo akumulatoru kapacitāti. Jo tikai reti gan vējs, gan saule ir vienlaikus nepieejami, sistēma var bieži tieši piegādāt enerģiju, ļaujot izmantot mazāku kapacitātes akumulatoru banku.
Mājā un starptautiskajās pētniecībās apliecināts, ka hibrīda vēja-saules sistēmas pārsniedz viensākā enerģijas ražošanas sistēmas gan enerģijas piegādes uzticamībā, gan dzīves cikla ekonomiskumā.
1.3 Esošo dizaina metožu trūkumi un piedāvātais risinājums
Pašreizējā sistēmas dizains saskaras ar izaicinājumiem. Ārvalstu profesionālie simulācijas programmatūras ir dārgas, un to galvenie modeļi bieži ir konfidenciāli, kas traucē plašai izplatībai. Tāpat, daudzi vienkāršotie dizaina metodes ir nepietiekami - vai nu pārāk daudz uzticas meteoroloģiskajiem vidējiem, ignorējot detaļas, vai izmantojot lineārus vienkāršotus modeļus, kas rada ierobežoto precizitāti un zemu pielāgojamību.
Šis risinājums mēģina piedāvāt precīzu un praktisku datorprogrammatūru atbalstītas dizaina metodoloģiju, lai atrisinātu minētos jautājumus.
II. Sistēmas sastāvs un galvenie tehniskie modeļi
2.1 Sistēmas arhitektūra
Šajā risinājumā izstrādātā hibrīda vēja-saules enerģijas ražošanas sistēma ir pilnībā neatkarīga tīkla sistēma, bez rezervējošiem enerģijas avotiem, piemēram, diesela dzelmes. Galvenie komponenti ietver:
Enerģijas ražošanas vienība: Vēja dzelme, PV matrica.
Enerģijas krājēju un pārvaldības vienība: Akumulatoru banka, uzlādes kontrolētājs (pārvalda uzlādi un atlādi).
Aizsardzības un pārveidošanas vienība: Novirzošanas slodze (novērš akumulatoru pārlādi, aizsargā inversoru), invertis (pārveido DC uz AC, lai apmierinātu lielāko daļu slodzes prasību).
Enerģijas patēriņa vienība: Slodze.
2.2 Precīzi enerģijas ražošanas aprēķinu modeļi
Lai sasniegtu optimizētu dizainu, mēs esam izveidojuši precīsus stundas enerģijas ražošanas aprēķinu modeļus.
PV matricas modelis:
Saulrieta radiācijas transpozīcija: Izmanto attīstītu anizotrōpu debesis difuzes modeli, lai precīzi transponētu horizontālos saules radiācijas datus, kas mērīti meteoroloģiskajos stacijās, uz PV moduļu slīpā virsmas ieplūstošo radiāciju, ņemot vērā tiešo stari, debesis difuzo radiāciju un zemes atspoguļoto radiāciju.
Moduļa raksturlielumu simulācija: Izmanto precīzu fizikālo modeli, lai raksturotu PV moduļu nelīnijveida izvades raksturlielus, pilnībā ņemot vērā iedarbības un apkārtējās temperatūras ietekmi uz moduļa izvades spriegumu un strāvu, nodrošinot enerģijas ražošanas aprēķinu precizitāti.
Vēja dzelmes modelis:
Vēja ātruma korekcija: Koriģē meteoroloģiskās datu referenčās augstuma vēja ātrumu faktiskajam vēja dzelmes centra augstuma vēja ātrumam, balstoties uz eksponenciālo likumu, kas regulē vēja ātruma maiņu ar augstumu.
Jaudas līknes pielāgošana: Izmanto segmentētu funkciju (dažādas binomu vienādojumi dažādām vēja ātruma intervāliem), lai sasniegtu augstās precizitātes pielāgošanu dzelmes faktiskajam jaudas izvadei, ļaujot precīzi aprēķināt stundas enerģijas daudzumu, balstoties uz vēja ātruma datiem.
2.3 Akumulatoru dinamiskais raksturlielu modelis
Akumulators ir galvenais enerģijas krājējs, ar dinamiski mainīgām stāvokļiem. Modelis galvenokārt koncentrējas uz:
Lādējuma stāvoklis (SOC) aprēķins: Dinamiski simulu akumulatoru uzlādes un atlādes procesus, balstoties uz enerģijas ražošanu un slodzes patēriņu katrā soļā, precīzi aprēķinot atlikušo kapacitāti, ņemot vērā praktiskos faktorus, piemēram, pašatlādes ātrumu, uzlādes efektivitāti un invertera efektivitāti.
Uzlādes-atlādes pārvaldība: Lai pagarinātu akumulatoru izmantošanas periodu, definē saprātīgu SOC darbības apgabalu (piemēram, ierobežojot maksimālo atlādes gilumu līdz 50%), un izveido modeli, kas savieno plūstošo uzlādes spriegumu ar SOC un apkārtējo temperatūru, lai precīzi noteiktu uzlādes nosacījumus.
III. Sistēmas optimizācija un izmērošanas metodoloģija
3.1 Enerģijas piegādes uzticamības rādītāji
Dizains prioritizē lietotāja norādīto enerģijas piegādes uzticamības prasību izpildi. Galvenie rādītāji ietver:
Enerģijas piegādes zaudēšanas varbūtība (LPSP): Sistēmas izslēguma laika attiecība pret kopējo novērtējuma laiku, intuītīvi atspoguļojot piegādes nepārtrauktību.
Slodzes zaudēšanas varbūtība (LLP): Sistēmas nepielikta slodzes enerģijas prasība salīdzinājumā ar kopējo prasību. Tas ir viskritiskākais galvenais rādītājs sistēmas optimizācijas dizainam.
3.2 Soli pa solim optimizācijas dizaina process
Šis risinājums izmanto sistēmisku optimizācijas procesu, mērķis ir minimizēt iekārtu sākotnējos investīciju izmaksas, lai atrastu optimālo konfigurāciju.
Solītājs 1: Optimizēt PV un akumulatoru konfigurāciju fiksētā vēja dzelmes jaudā
Galvenais uzdevums: Uzdevums ir, kad vēja dzelmes modelis un skaits ir fiksēts, atrast PV moduļu un akumulatoru kapacitātes kombināciju, kas atbilst iepriekš noteiktajam uzticamības rādītājam (LPSP) un rezultē ar zemākajām kopējām iekārtu izmaksām.
Izpildes metode: Caursimulācijas aprēķiniem, izveido "līdzsvara līkni", kas attēlo visas PV un akumulatoru konfigurācijas, kas atbilst uzticamības prasībai. Pēc tam, izmantojot izmaksu tangentes metodi vai datorprogrammas filtrēšanu, balstoties uz iekārtu vienības cenas, noteikt vienīgo optimālo kombināciju ar zemākajām izmaksām.
Solītājs 2: Globāla optimizācija, mainot vēja dzelmes jaudu
Galvenais uzdevums: Mainot vēja dzelmes jaudu vai skaitu, atkārtojiet Solītāja 1 optimizācijas procesu un iegūstiet dažādu vēja dzelmes jaudu optimālas konfigurācijas un to atbilstošās izmaksas.
Beigu lēmums: Salīdziniet visu kandidāta risinājumu kopējās izmaksas un izvēlieties vēja-PV-akumulatoru kombināciju ar globāli zemākajām izmaksām kā galīgo optimālo sistēmas konfigurāciju.
3.3 Sistēmas veiktspējas simulācija un izvade
Pēc optimālās konfigurācijas noteikšanas, sistēmas gada darbību var simulēt stundas pa stundu, ģenerējot detalizētus ziņojumus, tostarp:
Laika dimensija: Stundas akumulatoru lādējuma stāvoklis, sistēmas enerģijas līdzsvars.
Statistikas dimensija: Katru dienu/mēnesi/gadu nepielikta slodzes enerģija, uzticamības rādītāji (LPSP, LLP), vēja/saules enerģijas ražošanas daļa, enerģijas pārpalikums un deficīts situācijas utt.
IV. Secinājumi
Šajā risinājumā piedāvātā hibrīda vēja-saules enerģijas ražošanas sistēmu optimizācijas metode, balstoties uz visaptverošiem matemātiskajiem modeļiem un precīzām vietējām meteoroloģiskajām datiem, var unikāli noteikt sistēmas konfigurāciju ar minimālajām sākotnējām iekārtu investīciju izmaksām, vienlaikus apmierinojot konkrētās lietotāja elektrības prasības un enerģijas piegādes uzticamības prasības. Šī metode efektīvi risina viensākā enerģijas ražošanas sistēmu trūkumus, pārvar esamos dizaina pieejas ierobežojumus un sniedz spēcīgu rīku hibrīda vēja-saules enerģijas ražošanas sistēmu zinātniskai, efektīvai un ekonomiskai izstrādei, turklāt tā ir nozīmīga inženierzinātniskajām lietojumprogrammām.
