Sistem Pengoptimuman Tenaga Hibrid Angin-Surya: Penyelesaian Reka Bentuk Komprehensif untuk Aplikasi Lepas Rangkaian
Perkenalan dan Latar Belakang
1.1 Cabaran Sistem Penjanaan Kuasa Berasal Tunggal
Sistem penjanaan kuasa fotovoltaik (PV) atau tenaga angin tradisional mempunyai kelemahan bawaan. Penjanaan kuasa PV dipengaruhi oleh kitaran siang-malam dan keadaan cuaca, manakala penjanaan kuasa angin bergantung pada sumber angin yang tidak stabil, menyebabkan fluktuasi yang signifikan dalam output kuasa. Untuk memastikan bekalan kuasa berterusan, bank bateri kapasiti besar diperlukan untuk penyimpanan dan pengimbangan tenaga. Walau bagaimanapun, bateri yang mengalami kitaran muat-cerai yang kerap cenderung berada dalam keadaan kurang muat untuk tempoh yang lama di bawah keadaan operasi yang keras, menyebabkan jangka hayat praktikal yang lebih pendek daripada nilai teori. Lebih penting lagi, kos tinggi bateri bermaksud kos seumur hidup mereka mungkin mendekati atau bahkan melebihi kos modul PV atau turbin angin sendiri. Oleh itu, memperpanjang jangka hayat bateri dan mengurangkan kos sistem telah menjadi cabaran utama dalam mengoptimumkan sistem kuasa berdiri sendiri.
1.2 Kelebihan Signifikan Penjanaan Kuasa Hibrid Angin-Surya
Teknologi penjanaan kuasa hibrid angin-surya secara efektif mengatasi ketidakberterusan sumber tenaga tunggal dengan menggabungkan organik PV dan tenaga angin, dua sumber tenaga boleh diperbaharui. Tenaga angin dan suria menunjukkan pelengkap semula jadi dari segi masa (siang/malam, musim): cahaya matahari yang kuat pada siang hari sering bertepatan dengan angin yang mungkin lebih kuat pada malam; paparan suria yang baik pada musim panas mungkin berpasangan dengan sumber angin yang cukup pada musim sejuk. Pelengkap ini membolehkan:
Pelancongan yang signifikan dalam masa muat bateri yang berkesan, mengurangkan masa mereka berada dalam keadaan kurang muat, dengan demikian memperpanjang jangka hayat perkhidmatan bateri secara substansial.
Pengurangan dalam kapasiti bateri yang diperlukan. Kerana kebarangkalian kedua-dua angin dan suria tidak tersedia secara serentak adalah rendah, sistem sering dapat memberi kuasa kepada beban secara langsung, membolehkan penggunaan bank bateri kapasiti yang lebih kecil.
Kajian domestik dan antarabangsa mengesahkan bahawa sistem hibrid angin-surya melampaui sistem penjanaan kuasa sumber tunggal dari segi kebolehpercayaan bekalan kuasa dan keberkesanan kos seumur hidup.
1.3 Kekurangan Kaedah Reka Bentuk Sedia Ada dan Penyelesaian yang Dicadangkan
Reka bentuk sistem semasa menghadapi cabaran. Perisian simulasi profesional dari luar negara mahal, dan model intinya sering dirahsiakan, menghalang penerimaan yang meluas. Sementara itu, kebanyakan kaedah reka bentuk yang disederhanakan tidak mencukupi—entah terlalu bergantung pada purata meteorologi tanpa memperhatikan detail, atau menggunakan model disederhanakan linear yang membawa kepada ketepatan yang terhad dan kebolehgunaan yang lemah.
Penyelesaian ini bertujuan untuk mencadangkan satu set metodologi reka bentuk bantu komputer yang tepat dan praktikal untuk mengatasi isu-isu di atas.
II. Komposisi Sistem dan Model Teknikal Utama
2.1 Arkitektur Sistem
Sistem penjanaan kuasa hibrid angin-surya yang direka dalam penyelesaian ini adalah sistem off-grid berdiri sendiri sepenuhnya, tanpa sumber bekalan kuasa sandaran seperti janaan diesel. Komponen utama termasuk:
Unit Penjanaan Kuasa: Janaan turbin angin, array PV.
Unit Penyimpanan dan Pengurusan Tenaga: Bank bateri, pengawal muat (untuk mengurus muat dan cerai).
Unit Perlindungan dan Penukaran: Beban pemisahan (mencegah overcharge bateri, melindungi inverter), inverter (menukar DC ke AC untuk memenuhi kebanyakan keperluan beban).
Unit Penggunaan Kuasa: Beban.
2.2 Model Pengiraan Penjanaan Kuasa yang Tepat
Untuk mencapai reka bentuk yang dioptimumkan, kami telah menubuhkan model pengiraan penjanaan kuasa jam-jam yang tepat.
Model Array PV:
Transposisi Radiasi Surya: Menggunakan model tersebar langit anisotropi yang canggih untuk mentranspos data radiasi suria mendatar yang diukur oleh stesen cuaca ke insiden radiasi pada permukaan condong modul PV, mempertimbangkan secara menyeluruh radiasi sinaran langsung, tersebar langit, dan pantulan radiasi tanah.
Simulasi Ciri Modul: Menggunakan model fizikal yang tepat untuk menggambarkan ciri output bukan linear modul PV, mempertimbangkan secara penuh kesan irradian dan suhu ambien terhadap voltan dan arus output modul, memastikan ketepatan pengiraan penjanaan kuasa.
Model Turbin Angin:
Pembetulan Kelajuan Angin: Membetulkan kelajuan angin ketinggian rujukan dari data meteorologi ke kelajuan angin ketinggian hub sebenar berdasarkan undang-undang eksponensial yang mengatur variasi kelajuan angin dengan ketinggian.
Pencacahan Kurva Kuasa: Menggunakan fungsi bersepadu (persamaan binomial yang berbeza untuk selang kelajuan angin yang berbeza) untuk mencapai pencacahan tepat kurva output kuasa turbin yang sebenar, membolehkan pengiraan energi jam-jam yang tepat berdasarkan data kelajuan angin.
2.3 Model Ciri Dinamik Bateri
Bateri adalah komponen penyimpanan tenaga utama, dengan keadaan yang berubah dinamik. Model ini terutamanya fokus pada:
Pengiraan Tahap Muat (SOC): Mensimulasikan proses muat dan cerai bateri secara dinamik berdasarkan hubungan antara penjanaan kuasa dan penggunaan beban pada setiap langkah masa, mengira dengan tepat kapasiti yang tinggal, sambil mempertimbangkan faktor praktikal seperti kadar self-discharge, kecekapan muat, dan kecekapan inverter.
Pengurusan Muat-Cerai: Untuk memperpanjang jangka hayat bateri, julat operasi SOC yang munasabah ditentukan (contohnya, membatasi kedalaman cerai maksimum kepada 50%), dan model yang berkaitan voltan muat apung dengan SOC dan suhu ambien ditubuhkan untuk menentukan dengan tepat keadaan muat.
III. Metodologi Pengoptimuman dan Penentuan Saiz Sistem
3.1 Indikator Kebolehpercayaan Bekalan Kuasa
Reka bentuk menitikberatkan memenuhi keperluan kebolehpercayaan bekalan kuasa yang ditentukan pengguna. Indikator utama termasuk:
Probabiliti Kehilangan Bekalan Kuasa (LPSP): Nisbah masa gangguan sistem kepada masa penilaian total, mencerminkan keberterusan bekalan secara intuitif.
Probabiliti Kehilangan Beban (LLP): Nisbah permintaan kuasa beban yang tidak dapat dipenuhi oleh sistem kepada permintaan total. Ini adalah indikator inti yang paling kritikal untuk reka bentuk pengoptimuman sistem.
3.2 Proses Reka Bentuk Pengoptimuman Langkah demi Langkah
Penyelesaian ini mengadaptasi proses pengoptimuman sistematik, bertujuan untuk meminimumkan kos pelaburan awal peralatan untuk mencari konfigurasi optimum.
Langkah 1: Optimalkan Konfigurasi PV dan Bateri untuk Kapasiti Turbin Angin Tetap
Tugas Inti: Dengan syarat model dan jumlah turbin angin tetap, cari kombinasi kapasiti modul PV dan bateri yang memenuhi indeks kebolehpercayaan (LPSP) yang ditentukan dan menghasilkan kos peralatan total yang paling rendah.
Kaedah Pelaksanaan: Melalui pengiraan simulasi, plot "kurva keseimbangan" yang mewakili semua konfigurasi PV dan bateri yang memenuhi keperluan kebolehpercayaan. Kemudian, menggunakan kaedah tangen kos atau penyaringan program komputer berdasarkan harga unit peralatan, tentukan kombinasi optimum unik dengan kos yang paling rendah.
Langkah 2: Pengoptimuman Global dengan Mengubah Kapasiti Turbin Angin
Tugas Inti: Ubah kapasiti atau jumlah turbin angin, ulangi proses pengoptimuman Langkah 1, dan dapatkan siri konfigurasi optimum dan kos yang berkaitan untuk kapasiti turbin angin yang berbeza.
Keputusan Akhir: Bandingkan kos total semua penyelesaian calon dan pilih kombinasi angin-PV-bateri dengan kos global yang paling rendah sebagai konfigurasi sistem yang dioptimumkan akhir.
3.3 Simulasi Prestasi Sistem dan Output
Setelah menentukan konfigurasi optimum, operasi tahunan sistem boleh disimulasikan jam-jam, menghasilkan laporan terperinci termasuk:
Dimensi Masa: Tahap muat bateri jam-jam, keseimbangan tenaga sistem.
Dimensi Statistik: Energi beban yang tidak dapat dipenuhi harian/bulanan/tahunan, indikator kebolehpercayaan (LPSP, LLP), peranan penjanaan kuasa angin/surya, situasi surplus dan defisit tenaga, dll.
IV. Kesimpulan
Metodologi reka bentuk yang dioptimumkan untuk sistem penjanaan kuasa hibrid angin-surya yang dicadangkan dalam penyelesaian ini, berdasarkan model matematik yang menyeluruh dan data meteorologi tempatan yang tepat, dapat menentukan unik konfigurasi sistem dengan kos pelaburan peralatan awal minimum sambil memenuhi permintaan elektrik pengguna tertentu dan keperluan kebolehpercayaan bekalan kuasa. Metodologi ini secara efektif mengatasi kelemahan sistem penjanaan kuasa sumber tunggal, mengatasi had-had pendekatan reka bentuk sedia ada, dan menyediakan alat yang kuat untuk reka bentuk sistem penjanaan kuasa hibrid angin-surya yang saintifik, cekap, dan ekonomi, mempunyai nilai yang signifikan untuk aplikasi kejuruteraan.
