Hibridni sistem vetrne-solske energije: celosten dizajnski pristop za aplikacije brez povezave na omrežje

1. Predstavitev in ozadje

1.1 izzivi sistemov z enojnim virom proizvodnje električne energije

Tradicionalni samostojni fotovoltaični (PV) ali vetrni sistemi proizvodnje električne energije imajo vrozena pomanjkljivosti. Proizvodnja PV energije je odvisna od dnevnih ciklov in vremenskih razmer, medtem ko se vetrna proizvodnja opira na nestabilne vetrne vire, kar vodi do velikih nihanj v proizvodnji energije. Za zagotavljanje zvezne oskrbe s strujom so potrebni veliki baterijski skladišči za shranjevanje in uravnavanje energije. Vendar pa baterije, ki podlegajo pogostim cikelom nabiranja in razpiranja, lahko ob težkem delovanju dolgo časa ostanejo v stanju podnabiranja, kar vodi k praktični življenjski dobi, ki je znatno krajša od teoretične vrednosti. Še kritičnejše, visoka cena baterij pomeni, da njihova skupna stroška v celotnem življenjskem ciklu lahko pristanejo ali celo presežejo stroške samega PV modula ali vetrne turbine. Zato je podaljševanje življenjske dobe baterij in zmanjševanje stroškov sistema postala ključna izziva pri optimizaciji samostojnih sistemov.

1.2 Značilne prednosti hibridne vetrne-solarne proizvodnje električne energije

Tehnologija hibridne vetrne-solarne proizvodnje električne energije učinkovito premaga intermitentnost enega samega vira energije z organičnim združevanjem dveh obnovljivih virov energije, PV in vetrne energije. Vetrovi in sončna energija kažeta naravno komplementarnost v času (dan/noč, sezone): močno sončno svetlobo danes pogosto spremlja močnejši veter nočjo; dobra sončna radiacija poleti se lahko upari s dovolj velikimi vetrnimi viri zimo. Ta komplementarnost omogoča:

• Značilno podaljšanje učinkovitih časov nabiranja baterij, zmanjšanje časa, ki ga baterije preživijo v stanju podnabiranja, kar bistveno podaljša življenjsko dobo baterij.

• Zmanjšanje potrebnih kapacitet baterij. Ker je verjetnost, da hkrati ne bo nič vetrne niti sončne energije, majhna, sistem lahko pogosto neposredno napaja opterečenje, kar omogoča uporabo manjših kapacitet baterijskih skladov.

• Domaca in tujina študija potrjujejo, da hibridni vetrni-solarni sistemi presegajo sisteme z enim samo virm energije glede zanesljivosti oskrbe s strujom in ekonomičnosti v celotnem življenjskem ciklu.

1.3 Pomanjkljivosti obstoječih metod načrtovanja in predlagano rešitev

Trenutno načrtovanje sistema sooča s izzivi. Profesionalno simulacijsko programske opreme iz tujine so draga, njihovi jedrni modeli so pogosto zaupni, kar preprečuje njihovo široko uporabo. Hkrati pa so večina poenostavljenih metod načrtovanja nedostatne - bu to, ker se preveč opirajo na meteorološke povprečja, ignorirajoč podrobnosti, ali pa uporabljajo linearno poenostavljene modele, kar vodi do omejene natančnosti in slabe uporabnosti.

To rešitev namenja predlaganje nabora natančnih in praktičnih metod računalniško podprtega načrtovanja za odpravljanje zgornjih problemov.

II. Sestava sistema in jedrni tehnični modeli

2.1 Arhitektura sistema

Hibridni vetrni-solarni sistem proizvodnje električne energije, zasnovan v tej rešitvi, je popolnoma samostojen sistem brez mreže, brez varnostnih virov struje, kot so dizelski generatorji. Ključne komponente vključujejo:

• Enota proizvodnje energije: Vetrne turbine, fotonaponska polja.

• Enota shranjevanja in upravljanja energije: Baterijski sklad, nadzornik nabiranja (za upravljanje nabiranja in razpiranja).

• Enota za zaščito in pretvorbo: Odvodenje opterečenja (preprečuje prepogosto nabiranje baterij, zaščitna funkcija inverterja), inverter (pretvarja enosmerno struja v dvosmerno struj, da bi zadovoljila večino potreb opterečenja).

• Enota porabe energije: Opterečenje.

2.2 Natančni modeli izračuna proizvodnje energije

Za dosego optimiziranega načrta smo vzpostavili natančne modeli satemskega izračuna proizvodnje energije po urah.

• Model fotonaponskega polja:

1. Transpozicija sončne radiacije: Uporablja napreden anizotropni model difuzne sončne radiacije iz zraka za natančno transpozicijo horizontalnih podatkov o sončni radiaciji, merjenih s stanicami vremena, na radiacijo, ki pada na naklonjeno površino fotonaponskih panelov, s tem, da se v celoti upošteva direktna sončna radiacija, difuzna radiacija iz zraka in reflektirana radiacija iz tal.

2. Simulacija lastnosti modulov: Uporablja natančen fizikalni model za karakterizacijo nelinearnih izhodnih lastnosti fotonaponskih modulov, s tem, da se v celoti upošteva vpliv radiacije in okoliške temperature na izhodno napetost in tok modulov, kar zagotavlja natančnost izračunov proizvodnje energije.

• Model vetrne turbine:

1. Korekcija hitrosti vetra: Korektira referenčno hitrost vetra iz meteoroloških podatkov na dejansko hitrost vetra na višini rotorja glede na eksponencialno zakonitost sprememb hitrosti vetra s višino.

2. Prilagajanje krivulje moči: Uporablja segmentno funkcijo (različne binomske enačbe za različne intervale hitrosti vetra) za dosego visoko natančnega prilagajanja dejanske krivulje moči turbine, kar omogoča natančen satemskegi izračun energije po urah na podlagi podatkov o hitrosti vetra.

2.3 Dinamični model lastnosti baterij

Baterija je ključna komponenta za shranjevanje energije, s stanji, ki se dinamično spreminjajo. Model se glavno posveča:

• Izračun stanja nabiranja (SOC): Dinamično simulira procese nabiranja in razpiranja baterij glede na odnos med proizvodnjo energije in porabo opterečenja na vsakem koraku, natančno izračunava preostali kapacitet, upoštevaje praktične dejavnike, kot so stopnja samozapiranja, učinkovitost nabiranja in učinkovitost inverterja.

• Upravljanje nabiranja in razpiranja: Za podaljševanje življenjske dobe baterij je definiran razumen operativni obseg SOC (na primer, omejevanje maksimalne globine razpiranja na 50%), in je vzpostavljen model, ki povezuje napetost plavajočega nabiranja z SOC in okoliško temperaturo, da bi natančno določil pogoje nabiranja.

III. Metodologija optimizacije in razsežnosti sistema

3.1 Pokazatelji zanesljivosti oskrbe s strujom

Načrtovanje najprej obravnava izpolnjevanje določenih uporabnikovih zahtev glede zanesljivosti oskrbe s strujom. Ključni pokazatelji vključujejo:

• Verjetnost izgube oskrbe s strujom (LPSP): Razmerje med časom odpovedi sistema in skupnim časom ocenjevanja, kar intuitivno odraža zveznost oskrbe.

• Verjetnost izgube opterečenja (LLP): Razmerje med nezadostno potrebno moč opterečenja, ki jo sistem ne more zadovoljiti, in skupno potrebo. To je najpomembnejši ključni pokazatelj za optimizacijo načrta sistema.

3.2 Korak za korakom optimizacijski načrtovski postopek

Ta rešitev uporablja sistematičen optimizacijski postopek, ki se namenja minimizaciji prvotnih investicijskih stroškov opreme, da najde optimalno konfiguracijo.

1. Korak 1: Optimizacija konfiguracije PV in baterij za fiksno zmogljivost vetrne turbine

• Glavna naloga: Pod pogojem, da je model in število vetrnih turbin fiksno, najde kombinacijo kapacitet PV modulov in baterij, ki izpolnjuje predhodno določeni pokazatelj zanesljivosti (LPSP) in vodi do najnižjih skupnih stroškov opreme.

• Metoda izvajanja: Skozi simulacijske izračune, nariše "ravnotežna krivulja", ki predstavlja vse konfiguracije PV in baterij, ki izpolnjujejo zahteve zanesljivosti. Nato, uporabljaju metode tangentne cene ali računalniškega programa za izbiranje na podlagi enotskih cen opreme, določi edinstveno optimalno kombinacijo z najnižjimi stroški.

2. Korak 2: Globalna optimizacija z spremembo zmogljivosti vetrne turbine

• Glavna naloga: Spremeni zmogljivost ali število vetrnih turbin, ponovi optimizacijski postopek iz Koraka 1 in pridobi serijo optimalnih konfiguracij in njihovih odgovarjajočih stroškov za različne zmogljivosti vetrnih turbin.

• Končna odločitev: Primerjaj skupne stroške vseh kandidatskih rešitev in izberi kombinacijo vetrne-PV-baterijskega sistema z globalno najnižjimi stroški kot končno optimizirano konfiguracijo sistema.

3.3 Simulacija delovanja sistema in izhod

Po določitvi optimalne konfiguracije se lahko simuliira letno delovanje sistema po urah, generira podrobne poročila, vključno z:

• Časovna dimenzija: Satemskega stanje nabiranja baterij, energetsko ravnovesje sistema.

• Statistična dimenzija: Nedopuščene potrebe opterečenja na dnevni/mesečni/letni osnovi, pokazatelji zanesljivosti (LPSP, LLP), delež proizvodnje energije iz vetrnih in solarnih virov, situacije presežka in pomanjkanja energije itd.

IV. Zaključek

Predlagana optimizirana metoda načrtovanja hibridnih vetrno-solarnih sistemov proizvodnje električne energije, temeljena na kompleksnih matematičnih modelih in natančnih lokalnih meteoroloških podatkih, lahko edinstveno določi konfiguracijo sistema z najnižjimi prvotnimi investicijskimi stroški opreme, hkrati pa izpolnjuje specifične uporabniške zahteve glede električne energije in zahtev glede zanesljivosti oskrbe s strujom. Ta metoda učinkovito rešuje pomanjkljivosti sistemov z enojnim virm energije, premore omejitve obstoječih pristopov do načrtovanja in ponuja močno orodje za znanstveno, učinkovito in ekonomično načrtovanje hibridnih vetrno-solarnih sistemov proizvodnje električne energije, kar ima veliko vrednost za inženirske aplikacije.