Hibriden sistem za optimizacija na vetro-solarno energija: Kompletno rešenie za dizajn za aplikacii bez mreža
Вовед и позадина
1.1 Изазови на системите за производство на енергија од едно извор
Традиционалните самостојни фотovoltaички (PV) или ветрени системи за производство на енергија имаат инхерентни недостатоци. Производството на PV енергија е под влијание на дневните циклуси и временските услови, додека производството на ветрена енергија зависи од нестабилни ветри, што доведува до значајни флуктуации во производството на енергија. За да се осигура непрекината достава на енергија, потребни се големи капацитети на батеријски банки за чување и балансирање на енергијата. Меѓутоа, батериите кои често се полнуваат и разаржуваат се склони да останат долг период во состојба на поднаполнување при тешки услови на работа, што резултира со многу кратка практична временска длабочина на живот во споредба со теоретската вредност. Покритично, високата цена на батериите значи дека нивната целосна жизнен циклусна цена може да се приближи или дорде да надмине цената на самите PV модули или ветрени турбини. Затоа, проширувањето на временската длабочина на живот на батериите и намалувањето на системските трошоци станаа основни изазови во оптимизацијата на самостојни системи за енергија.
1.2 Значајни предности на хибридното производство на ветрено-сончева енергија
Хибридната технологија за производство на ветрено-сончева енергија ефективно надминува пречкеството на еднизворески извори на енергија со органично комбинирање на PV и ветрена енергија, две возобновливи извори на енергија. Ветрената и сончевата енергија покажуваат природна комплементарност во времето (ден/ноќ, сезони): силната сончева светлина денес често се совпаѓа со потенцијално посилни ветрови ноќта; добар сончев облак летом може да се парира со поголеми ветрени ресурси зима. Оваа комплементарност го овозможува:
Значајно проширување на ефективното време на полнување на батериите, намалување на времето кое батериите го минуваат во состојба на поднаполнување, со што се продлувa временската длабочина на живот на батериите.
Намалување на потребниот капацитет на батериите. Бидејќи веројатноста дека истовремено нема да има ни ветер ни сонце е ниска, системот честопати може директно да напаѓа нагрузката, што овозможува користење на помали капацитети на батеријски банки.
Домашни и меѓународни студии потврдуваат дека хибридните ветрено-сончеви системи надминуваат системите за производство на енергија од еден извор како по надежност на доставата на енергија, така и по ефективност на жизнен циклусен трошок.
1.3 Недостатоци на постојните методи на дизајн и предложеното решение
Сегашниот системски дизајн се соочува со изазови. Странските професионални симулациони софтвери се скапи, а нивните јадрени модели често се конфиденцијални, што го спречува широкото прифатување. Меѓутоа, повеќето упростени методи на дизајн не се доволни - нивната преопшта зависност од метеоролошките просеци ги игнорира деталите, или користат линеарни упростени модели што доведува до ограничена точност и слаба применимост.
Овој решението се стреми да предложи сет акуратни и практични компјутерски-помошни методологии за дизајн за да се справи со горенаведените проблеми.
II. Системска композиција и јадрени технички модели
2.1 Архитектура на системот
Хибридниот ветрено-сончев систем за производство на енергија дизајниран во овој решението е потполно самостојен оф-грид систем, без резервни извори на енергија како дизелски генератори. Јадрени компоненти вклучуваат:
Единица за производство на енергија: Ветрени турбини, PV масив.
Единица за чување и управување на енергија: Батеријска банка, контролер на полнување (за управување со полнување и разаржување).
Единица за заштита и конверзија: Отклонета нагрузка (спречува прекуполно полнување на батериите, ги заштитува инверторите), инвертор (конвертира DC во AC за да задоволи повеќето потреби на нагрузката).
Единица за потрошувачка енергија: Нагрузка.
2.2 Акуратни модели за пресметка на производството на енергија
За да се постигне оптимизиран дизајн, ние ги установивме акуратните часовни модели за пресметка на производството на енергија.
Модел на PV масив:
Транспонирање на сончевата радијација: Користи напреден анизотропен модел на дифузна светлина од небото за акуратно транспонирање на податоците за хоризонтална сончева радијација мерени од метеоролошки станице на инцидентната радијација на наклонената површина на PV модулите, комплетно ги зема предвид директната бечна радијација, дифузната радијација од небото и рефлектованата радијација од земјата.
Симулација на карактеристики на модулите: Користи прецизен физички модел за карактеризација на нелинеарните карактеристики на PV модулите, комплетно ги зема предвид ефектите на радијацијата и околинската температура врз напонот и токот на излезот на модулите, осигурувајќи точност на пресметките за производството на енергија.
Модел на ветрена турбина:
Корекција на брзината на ветер: Коригира брзината на ветер од метеоролошките податоци на референтната висина до реалната висина на хубот на базата на експоненцијалната законитост за варијација на брзината на ветер со висина.
Фитирање на кривата на моќта: Користи сегментирана функција (различни биномни равенки за различни интервали на брзина на ветер) за да постигне високопрецизно фитирање на реалната крива на излез на турбината, што овозможува акуратна часовна пресметка на енергијата на основа на податоците за брзина на ветер.
2.3 Динамички карактеристичен модел на батеријата
Батеријата е јадрен компонент за чување на енергија, со динамички променливи состојби. Моделот главно се фокусира на:
Пресметка на состојбата на полнување (SOC): Динамички симулира процесите на полнување и разаржување на батеријата на основа на односот помеѓу производството на енергија и потрошувачката енергија на секој временски чекор, акуратно пресметувајќи остаточниот капацитет, додека ги зема предвид практични фактори како количеството на само-разаржување, ефикасноста на полнување и ефикасноста на инверторот.
Управување со полнување и разаржување: За да се прошири временската длабочина на живот на батериите, дефиниран е разумен опсег на оперативна SOC (напр. ограничување на максималната длабочина на разаржување до 50%), и е установен модел кој корелира напонот на поплавното полнување со SOC и околинската температура за да се акуратно определиат условите за полнување.
III. Методологија за оптимизација и размерување на системот
3.1 Индикатори за надежност на доставата на енергија
Дизајнот се фокусира на исполнување на специфицираните кориснички барања за надежност на доставата на енергија. Клучни индикатори вклучуваат:
Веројатност за загуба на доставата на енергија (LPSP): Односот на времето на прекин на системот на целокупното време на евалуација, интуитивно отсликува продолжителноста на доставата.
Веројатност за загуба на нагласка (LLP): Односот на потребата за енергија на нагласката која системот не успее да задоволи на целокупната потреба. Овој е најкритичниот јадрен индикатор за оптимизиран дизајн на системот.
3.2 По чекори оптимизиран процес на дизајн
Овој решението го применува системскиот оптимизиран процес, со цел да се минимизира почетната инвестиција на опремата за да се најде оптималната конфигурација.
Чекор 1: Оптимизација на конфигурацијата на PV и батеријата за фиксна капацитет на ветрена турбина
Основна задача: Под условот дека моделот и количеството на ветрена турбина се фиксни, најдете комбинација на капацитети на PV модули и батерија која задоволува предвидените индикатори за надежност (LPSP) и резултира со најниски целини трошоци на опремата.
Метод на реализација: Преку симулациони пресметки, начертайте "балансна крива" која представува сите конфигурации на PV и батерија кои задоволуваат барањата за надежност. Потоа, користејќи методот на тангента на трошоци или компјутерски програмски екран со основа на единичните цени на опремата, определете единствената оптимална комбинација со најниски трошоци.
Чекор 2: Глобална оптимизација со менување на капацитетот на ветрена турбина
Основна задача: Променете капацитетот или бројот на ветрени турбини, повторете оптимизиран процес од Чекор 1, и добијте серија од оптимални конфигурации и нивните соодветни трошоци за различни капацитети на ветрена турбина.
Конечно одлукување: Споредете целокупните трошоци на сите кандидатски решенија и изберете комбинацијата на ветер-PV-батерија со глобално најниски трошоци како окончато оптимизирана конфигурација на системот.
3.3 Симулација и излез на перформансите на системот
После определувањето на оптималната конфигурација, годишната операција на системот може да се симулира час по час, генерирајќи детални извештаи вклучувајќи:
Временска димензија: Часовна состојба на полнување на батеријата, системска енергетска балансира.
Статистичка димензија: Дневна/месечна/годишна незадоволена енергија на нагласката, индикатори за надежност (LPSP, LLP), дел од производството на ветрена и сончева енергија, ситуација на извадок и недостаток на енергија, итн.
IV. Заклучок
Оптимизираната метода за дизајн на хибридни системи за производство на ветрено-сончева енергија предложена во овој решението, заснована на комплетни математички модели и прецизни локални метеоролошки податоци, може уникално да определи конфигурацијата на системот со најниски почетни трошоци на инвестиција на опремата, додека исполнува специфични кориснички барања за електрична енергија и барања за надежност на доставата на енергија. Оваа метода ефективно надминува недостатоците на системите за производство на енергија од еден извор, надминува ограничувањата на постојните пристапи на дизајн, и пружа моќен алатка за научна, ефикасна и економична дизајн на хибридни системи за производство на ветрено-сончева енергија, што има значајна вредност за инженерски применувања.
