• Product
  • Suppliers
  • Manufacturers
  • Solutions
  • Free tools
  • Knowledges
  • Experts
  • Communities
Search


Гибридная ветро-солнечная система оптимизации: комплексное решение проектирования для автономных применений

  1. Введение и предыстория

1.1 Проблемы систем генерации электроэнергии из одного источника

Традиционные автономные фотоэлектрические (ФЭ) или ветрогенераторные системы имеют врожденные недостатки. Генерация ФЭ энергии зависит от суточных циклов и погодных условий, в то время как генерация ветровой энергии зависит от нестабильных ветровых ресурсов, что приводит к значительным колебаниям выходной мощности. Для обеспечения непрерывного питания необходимо использовать аккумуляторные батареи большой емкости для хранения и балансировки энергии. Однако аккумуляторы, подвергающиеся частым циклам заряда-разряда, часто остаются в состоянии недозаряда на протяжении длительного времени в условиях жесткой эксплуатации, что приводит к существенно более короткому реальному сроку службы по сравнению с теоретическим. Более того, высокая стоимость аккумуляторов означает, что их общая стоимость за весь жизненный цикл может приближаться или даже превышать стоимость самих ФЭ модулей или ветрогенераторов. Поэтому продление срока службы аккумуляторов и снижение стоимости системы стали ключевыми проблемами в оптимизации автономных систем питания.

1.2 Значительные преимущества гибридной ветро-солнечной генерации электроэнергии

Технология гибридной ветро-солнечной генерации электроэнергии эффективно преодолевает непостоянство одиночных источников энергии, органично объединяя два возобновляемых источника энергии — ФЭ и ветровую. Ветер и солнце демонстрируют естественную комплементарность во времени (день/ночь, сезоны): сильное солнечное излучение днем часто совпадает с потенциально более сильными ветрами ночью; хорошее солнечное излучение летом может сочетаться с обильными ветровыми ресурсами зимой. Эта комплементарность позволяет:

  • Значительно увеличить эффективное время зарядки аккумуляторов, уменьшить время, которое они проводят в состоянии недозаряда, тем самым значительно продлив срок их службы.

  • Снизить необходимую емкость аккумуляторов. Поскольку вероятность одновременного отсутствия ветра и солнца невелика, система может часто напрямую питать нагрузку, что позволяет использовать аккумуляторную батарею меньшей емкости.

  • Домашние и международные исследования подтверждают, что гибридные ветро-солнечные системы превосходят системы генерации электроэнергии из одного источника как по надежности питания, так и по экономической эффективности за весь жизненный цикл.

1.3 Недостатки существующих методов проектирования и предлагаемое решение

Текущие методы проектирования сталкиваются с вызовами. Профессиональное импортное программное обеспечение для моделирования дорогостоящее, а его основные модели часто конфиденциальны, что затрудняет широкое применение. В то же время большинство упрощенных методов проектирования недостаточны — либо они слишком полагаются на средние метеорологические данные, игнорируя детали, либо используют линейные упрощенные модели, что приводит к ограниченной точности и низкой применимости.

Это решение направлено на предложение набора точных и практичных методов компьютерного проектирования для решения вышеупомянутых проблем.

II. Состав системы и основные технические модели

2.1 Архитектура системы

Гибридная ветро-солнечная система генерации электроэнергии, разработанная в этом решении, является полностью автономной системой без сетевого резервирования, такого как дизельные генераторы. Основные компоненты включают:

  • Блок генерации энергии: Ветрогенераторы, ФЭ массив.

  • Блок хранения и управления энергией: Аккумуляторная батарея, контроллер заряда (для управления процессами заряда и разряда).

  • Блок защиты и преобразования: Отводящая нагрузка (предотвращает перезарядку аккумуляторов, защищает инвертор), инвертор (преобразует постоянный ток в переменный, чтобы удовлетворить требования большинства нагрузок).

  • Блок потребления энергии: Нагрузка.

2.2 Точные модели расчета генерации электроэнергии

Для достижения оптимизированного проектирования мы разработали точные часовые модели расчета генерации электроэнергии.

  • Модель ФЭ массива:

    1. Перенос солнечного излучения: Использует продвинутую анизотропную модель рассеянного света для точного переноса горизонтальных данных о солнечном излучении, измеряемых метеостанциями, на интенсивность излучения, падающего на наклонную поверхность ФЭ модулей, учитывая прямое излучение, рассеянное излучение неба и отраженное излучение от земли.

    2. Моделирование характеристик модулей: Использует точную физическую модель для характеристики нелинейных выходных характеристик ФЭ модулей, полноценно учитывая влияние интенсивности излучения и окружающей температуры на выходное напряжение и ток модулей, обеспечивая точность расчетов генерации электроэнергии.

  • Модель ветрогенератора:

    1. Коррекция скорости ветра: Корректирует скорость ветра на эталонной высоте, полученную из метеорологических данных, до фактической скорости ветра на высоте ступицы ветрогенератора, основываясь на экспоненциальном законе изменения скорости ветра с высотой.

    2. Подгонка кривой мощности: Использует сегментированную функцию (различные биномиальные уравнения для различных интервалов скорости ветра) для достижения высокоточной подгонки фактической кривой выходной мощности ветрогенератора, что позволяет точно рассчитывать выработку электроэнергии по данным о скорости ветра.

2.3 Динамическая модель характеристик аккумулятора

Аккумулятор является ключевым элементом хранения энергии, состояние которого динамически изменяется. Модель в основном сосредоточена на:

  • Расчет уровня заряда (SOC): Динамически моделирует процессы заряда и разряда аккумулятора на основе соотношения между генерацией электроэнергии и потреблением нагрузкой на каждом временном шаге, точно рассчитывает оставшуюся емкость, учитывая практические факторы, такие как коэффициент саморазряда, эффективность заряда и эффективность инвертора.

  • Управление зарядом-разрядом: Для продления срока службы аккумулятора определяется разумный диапазон работы SOC (например, ограничение максимальной глубины разряда до 50%), и создается модель, связывающая напряжение плавающего заряда с SOC и окружающей температурой, для точного определения условий заряда.

III. Методология оптимизации и размерирования системы

3.1 Индикаторы надежности электроснабжения

Проектирование ориентировано на удовлетворение специфических требований пользователя к надежности электроснабжения. Ключевые индикаторы включают:

  • Вероятность потери электроснабжения (LPSP): Соотношение времени отключения системы к общему времени оценки, интуитивно отражающее непрерывность подачи электроэнергии.

  • Вероятность потери нагрузки (LLP): Соотношение непокрытого спроса на электроэнергию к общему спросу. Это самый важный ключевой индикатор для оптимизационного проектирования системы.

3.2 Постепенный процесс оптимизационного проектирования

Это решение использует систематический процесс оптимизации, целью которого является минимизация начальной инвестиционной стоимости оборудования для нахождения оптимальной конфигурации.

  1. Шаг 1: Оптимизация конфигурации ФЭ и аккумуляторов при фиксированной мощности ветрогенератора

    • Основная задача: При условии, что модель и количество ветрогенераторов фиксированы, найти комбинацию мощности ФЭ модулей и аккумуляторов, которая соответствует предопределенным показателям надежности (LPSP) и имеет наименьшую общую стоимость оборудования.

    • Метод реализации: С помощью имитационных расчетов строится "балансовая кривая", представляющая все конфигурации ФЭ и аккумуляторов, которые соответствуют требованиям надежности. Затем, используя метод касательной к стоимости или программный отбор на основе единичных цен оборудования, определяется уникальная оптимальная комбинация с наименьшей стоимостью.

  2. Шаг 2: Глобальная оптимизация путем изменения мощности ветрогенератора

    • Основная задача: Изменить мощность или количество ветрогенераторов, повторить процесс оптимизации Шага 1 и получить серию оптимальных конфигураций и их соответствующих стоимостей для различных мощностей ветрогенераторов.

    • Окончательное решение: Сравнить общие затраты всех кандидатских решений и выбрать комбинацию ветрогенератор-ФЭ-аккумулятор с глобально наименьшей стоимостью в качестве окончательной оптимизированной конфигурации системы.

3.3 Имитация и вывод производительности системы

После определения оптимальной конфигурации можно провести имитацию годовой работы системы почасово, генерируя подробные отчеты, включающие:

  • Временная шкала: Часовой уровень заряда аккумулятора, энергетический баланс системы.

  • Статистическая шкала: Ежедневная/ежемесячная/ежегодная непокрытая энергия нагрузки, индикаторы надежности (LPSP, LLP), доля генерации электроэнергии от ветра и солнца, ситуации избытка и дефицита энергии и т.д.

IV. Заключение

Предложенный в этом решении метод оптимизированного проектирования гибридных ветро-солнечных систем генерации электроэнергии, основанный на комплексных математических моделях и точных местных метеорологических данных, может уникально определить конфигурацию системы с минимальной начальной инвестиционной стоимостью оборудования, при этом удовлетворяющую конкретным требованиям пользователей к электроснабжению и надежности. Этот метод эффективно решает проблемы систем генерации электроэнергии из одного источника, преодолевает ограничения существующих подходов к проектированию и предоставляет мощный инструмент для научного, эффективного и экономичного проектирования гибридных ветро-солнечных систем генерации электроэнергии, имеющий значительную ценность для инженерных приложений.

10/16/2025
Рекомендуемый
Engineering
Интегрированное гибридное решение для ветро-солнечной энергии на удаленных островах
АннотацияДанное предложение представляет собой инновационное интегрированное энергетическое решение, которое глубоко объединяет ветровую энергию, фотоэлектрическую генерацию, накопление энергии с помощью насосно-аккумуляторных станций и технологии опреснения морской воды. Оно направлено на систематическое решение ключевых проблем, с которыми сталкиваются удаленные острова, включая сложности покрытия сетью, высокие затраты на генерацию электроэнергии дизельными генераторами, ограничения традицион
Engineering
Интеллектуальная гибридная система ветро-солнечного типа с управлением Fuzzy-PID для улучшенного управления аккумуляторами и МППТ
АннотацияДанное предложение представляет собой гибридную систему ветро-солнечной генерации электроэнергии на основе передовых технологий управления, направленную на эффективное и экономичное удовлетворение потребностей в энергии удаленных районов и специфических сценариев применения. Сердцем системы является интеллектуальная система управления, основанная на микропроцессоре ATmega16. Эта система выполняет отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для ветровой и солнечной энергии и использу
Engineering
Экономичное гибридное решение на основе ветро-солнечной энергии: Buck-Boost преобразователь и интеллектуальная зарядка снижают стоимость системы
Аннотация​Это решение предлагает инновационную высокоэффективную гибридную систему ветро-солнечной генерации электроэнергии. Обращаясь к основным недостаткам существующих технологий, таким как низкая эффективность использования энергии, короткий срок службы аккумуляторов и нестабильность системы, система использует полностью цифровые контролируемые понижающе-повышающие DC/DC преобразователи, параллельную интерлированную технологию и интеллектуальный трехступенчатый алгоритм зарядки. Это позволяе
Engineering
Гибридная ветро-солнечная энергетическая система оптимизации: комплексное решение по проектированию для автономных применений
Введение и предыстория1.1 Проблемы систем генерации электроэнергии с одним источникомТрадиционные автономные фотоэлектрические (ФЭ) или ветроэнергетические системы имеют врожденные недостатки. Генерация ФЭ-энергии зависит от суточных циклов и погодных условий, а генерация ветровой энергии основана на нестабильных ветровых ресурсах, что приводит к значительным колебаниям выходной мощности. Для обеспечения непрерывного питания необходимы аккумуляторные батареи большой емкости для хранения и баланс
Запрос
Загрузить
Получить приложение IEE Business
Используйте приложение IEE-Business для поиска оборудования получения решений связи с экспертами и участия в отраслевом сотрудничестве в любое время и в любом месте полностью поддерживая развитие ваших энергетических проектов и бизнеса