System optymalizacji hybrydowej energii wiatrowo-słonecznej: Kompleksowe rozwiązanie projektowe dla zastosowań poza siecią
Wprowadzenie i tło
1.1 Wyzwania systemów jednoźródłowych generacji energii
Tradycyjne samodzielne systemy fotowoltaiczne (PV) lub wiatrowe mają wrodzone wady. Generacja energii PV jest wpływowana przez cykle dobowe i warunki pogodowe, podczas gdy generacja energii wiatrowej opiera się na niestabilnych zasobach wiatru, co prowadzi do znaczących fluktuacji wydajności energetycznej. Aby zapewnić ciągłe dostarczanie energii, niezbędne są duże baterie do przechowywania i bilansowania energii. Jednak baterie podlegające częstym cyklom ładowania i rozładowania mogą długo pozostawać w stanie niedolażenia w trudnych warunkach eksploatacyjnych, co skraca ich rzeczywistą żywotność w porównaniu z wartością teoretyczną. Co więcej, wysoka cena baterii oznacza, że całkowity koszt cyklu życia może zbliżyć się lub nawet przekroczyć koszt modułów PV lub turbin wiatrowych. Dlatego przedłużenie żywotności baterii i obniżenie kosztów systemu stały się kluczowymi wyzwaniami w optymalizacji samodzielnych systemów energetycznych.
1.2 Istotne zalety hybrydowej generacji energii wiatrowo-słonecznej
Technologia hybrydowej generacji energii wiatrowo-słonecznej efektywnie pokonuje nieciągłość pojedynczych źródeł energii poprzez organiczne połączenie dwóch odnawialnych źródeł energii: PV i wiatrowych. Energia wiatrowa i słoneczna wykazują naturalną komplementarność w czasie (dzień/noc, pory roku): silne światło dziennie często występuje jednocześnie z potencjalnie silniejszymi wiatrami nocnymi; dobre nasłonecznienie latem może być powiązane z dużymi zasobami wiatru zimą. Ta komplementarność umożliwia:
Znaczne przedłużenie skutecznej czasu ładowania baterii, zmniejszając czas spędzany w stanie niedolażenia, co znacząco przedłuża żywotność baterii.
Zmniejszenie wymaganej pojemności baterii. Ponieważ prawdopodobieństwo jednoczesnego braku wiatru i słońca jest niskie, system może często bezpośrednio zasilać obciążenie, co pozwala na użycie mniejszej pojemności baterii.
Krajowe i międzynarodowe badania potwierdzają, że hybrydowe systemy wiatrowo-słoneczne przewyższają systemy jednoźródłowe generacji energii zarówno pod względem niezawodności dostarczania energii, jak i efektywności kosztowej cyklu życia.
1.3 Wady istniejących metod projektowania i proponowane rozwiązanie
Aktualne metody projektowania systemów napotykają na wyzwania. Zagrańce profesjonalne oprogramowanie symulacyjne z zagranicy jest drogie, a jego główne modele są często poufne, co utrudnia szerokie zastosowanie. Tymczasem większość uproszczonych metod projektowania jest niewystarczająca - albo opiera się zbyt mocno na średnich meteorologicznych, ignorując szczegóły, albo używa uproszczonych modeli liniowych, co prowadzi do ograniczonej dokładności i słabej stosowalności.
To rozwiązanie ma na celu zaproponowanie zestawu dokładnych i praktycznych metod projektowania wspomaganego komputerowo, aby rozwiązać powyższe problemy.
II. Skład systemu i podstawowe modele techniczne
2.1 Architektura systemu
Hybrydowy system generacji energii wiatrowo-słonecznej zaprojektowany w tym rozwiązaniu jest całkowicie samodzielny i nie posiada dodatkowych źródeł zasilania awaryjnego, takich jak agregaty diesla. Podstawowe komponenty to:
Jednostka generacji energii: Turbiny wiatrowe, tablica PV.
Jednostka przechowywania i zarządzania energią: Bateria, kontroler ładowania (do zarządzania ładowaniem i rozładowywaniem).
Jednostka ochrony i konwersji: Obciążenie odprowadzające (zapobiega przeciążeniu baterii, chroni inwerter), inwerter (konwertuje prąd stałoprądowy na przemienny, aby spełnić większość wymagań obciążenia).
Jednostka zużycia energii: Obciążenie.
2.2 Dokładne modele obliczeniowe generacji energii
Aby osiągnąć zoptymalizowany projekt, opracowaliśmy dokładne godzinowe modele obliczeniowe generacji energii.
Model tablicy PV:
Transpozycja promieniowania słonecznego: Wykorzystuje zaawansowany anizotropowy model dyfuzyjny nieba, aby dokładnie przeliczyć poziome dane pomiarowe promieniowania słonecznego ze stacji meteorologicznych na natężenie padającego promieniowania na nachylonej powierzchni modułów PV, kompleksowo uwzględniając promieniowanie bezpośrednie, dyfuzyjne i odbite od ziemi.
Symulacja charakterystyk modułu: Wykorzystuje precyzyjny model fizyczny do charakteryzacji nieliniowych cech wyjściowych modułów PV, pełnym zakresem uwzględniając wpływ natężenia promieniowania i temperatury otoczenia na napięcie i prąd wyjściowy modułu, zapewniając dokładność obliczeń generacji energii.
Model turbiny wiatrowej:
Korekcja prędkości wiatru: Koreguje prędkość wiatru na wysokości odniesienia z danych meteorologicznych do rzeczywistej prędkości wiatru na wysokości gondoli turbiny, bazując na prawie eksponencjalnym zmiany prędkości wiatru z wysokością.
Dopasowanie krzywej mocy: Używa funkcji segmentowej (różne równania binominalne dla różnych przedziałów prędkości wiatru) do osiągnięcia wysokiej precyzji dopasowania rzeczywistej krzywej mocy turbiny, umożliwiając dokładne godzinowe obliczenia energii na podstawie danych prędkości wiatru.
2.3 Model dynamicznych cech baterii
Bateria jest kluczowym elementem przechowywania energii, którego stan dynamicznie się zmienia. Model skupia się głównie na:
Obliczaniu stanu naładowania (SOC): Dynamicznie symuluje procesy ładowania i rozładowywania baterii na podstawie relacji między generacją energii a zużyciem obciążenia w każdym kroku czasowym, dokładnie obliczając pozostałą pojemność, uwzględniając praktyczne czynniki, takie jak współczynnik samorozładowania, wydajność ładowania i wydajność inwertera.
Zarządzanie ładowaniem i rozładowywaniem: Aby przedłużyć żywotność baterii, definiuje rozsądny zakres działania SOC (np. ograniczając maksymalną głębokość rozładowania do 50%), a także tworzy model korelacji napięcia ładunku z SOC i temperaturą otoczenia, aby dokładnie określić warunki ładowania.
III. Metodologia optymalizacji i rozmiarowania systemu
3.1 Wskaźniki niezawodności dostarczania energii
Projekt priorytetowo uwzględnia spełnienie określonych przez użytkownika wymagań dotyczące niezawodności dostarczania energii. Kluczowe wskaźniki to:
Prawdopodobieństwo utraty dostarczania energii (LPSP): Stosunek czasu wyłączenia systemu do całkowitego czasu oceny, intuicyjnie odzwierciedlający ciągłość dostarczania.
Prawdopodobieństwo utraty obciążenia (LLP): Stosunek mocy obciążenia, której system nie jest w stanie zaspokoić, do całkowitego zapotrzebowania. Jest to najważniejszy kluczowy wskaźnik dla optymalizacji projektu systemu.
3.2 Etapowa procedura optymalizacji projektu
To rozwiązanie przyjmuje systematyczną procedurę optymalizacji, mając na celu minimalizację początkowych kosztów inwestycyjnych sprzętu w celu znalezienia optymalnej konfiguracji.
Etapa 1: Optymalizacja konfiguracji PV i baterii przy ustalonej pojemności turbiny wiatrowej
Główna zadanie: Przy ustalonej modelu i liczbie turbin wiatrowych, znaleźć kombinację pojemności modułów PV i baterii, która spełnia określony wskaźnik niezawodności (LPSP) i prowadzi do najniższego całkowitego kosztu sprzętu.
Metoda realizacji: Poprzez symulacje obliczeniowe, narysować "krzywą równowagi" reprezentującą wszystkie konfiguracje PV i baterii, które spełniają wymagania niezawodności. Następnie, używając metody stycznej kosztu lub selekcji programu komputerowego na podstawie cen jednostkowych sprzętu, określić unikalną optymalną kombinację z najniższym kosztem.
Etapa 2: Globalna optymalizacja poprzez zmianę pojemności turbiny wiatrowej
Główna zadanie: Zmienić pojemność lub liczbę turbin wiatrowych, powtórzyć proces optymalizacji z Etapy 1 i uzyskać serię optymalnych konfiguracji oraz ich odpowiednich kosztów dla różnych pojemności turbin wiatrowych.
Ostateczna decyzja: Porównać całkowite koszty wszystkich kandydujących rozwiązań i wybrać kombinację wiatr-PV-bateria z globalnie najniższym kosztem jako ostateczną optymalną konfigurację systemu.
3.3 Symulacja i wyjście wydajności systemu
Po określeniu optymalnej konfiguracji, można symulować roczną pracę systemu godzina po godzinie, generując szczegółowe raporty, w tym:
Wymiar czasowy: Stan naładowania baterii, bilans energetyczny systemu.
Wymiar statystyczny: Niezaspokojona energia obciążenia dziennie/miesięcznie/rocznie, wskaźniki niezawodności (LPSP, LLP), udział generacji energii wiatrowej i słonecznej, sytuacje nadmiaru i niedoboru energii, itp.
IV. Podsumowanie
Propozycja optymalizacji projektu hybrydowych systemów generacji energii wiatrowo-słonecznej, oparta na kompleksowych modelach matematycznych i dokładnych lokalnych danych meteorologicznych, może jednoznacznie określić konfigurację systemu z minimalnym początkowym kosztem inwestycyjnym sprzętu, jednocześnie spełniając określone wymagania użytkowników dotyczące zapotrzebowania na energię elektryczną i niezawodności dostarczania energii. Ta metoda efektywnie rozwiązuje wady systemów jednoźródłowych generacji energii, pokonuje ograniczenia istniejących podejść projektowych i dostarcza potężne narzędzie do naukowego, efektywnego i ekonomicznego projektowania hybrydowych systemów generacji energii wiatrowo-słonecznej, mając znaczącą wartość dla zastosowań inżynierskich.
