Hibridni vetro-suncani sistem optimizacije: Kompletno rešenje za dizajn primenjeno na sisteme izvan mreže

1. Uvod i pozadina

1.1 Izazovi sistema jedinstvene izvore proizvodnje električne energije

Tradicionalni samostojeći fotovoltaički (PV) ili vjetroelektrane imaju inherentne nedostatke. Proizvodnja PV struje ovisi o dnevnoj ciklusi i vremenskim prilikama, dok se proizvodnja vjetra oslanja na nestabilne vjetarske resurse, što dovodi do značajnih fluktuacija u iznosu proizvedene snage. Da bi se osigurala kontinuirana opskrb strujom, potrebne su velike baterijske banke za pohranu i balansiranje energije. Međutim, baterije koje često podliježu ciklusima punjenja i ispunjenja često ostaju duže vrijeme u stanju nepotpunog punjenja u teškim uslovima rada, što rezultira praktičnom životnom vremenom znatno kraćim od teorijske vrijednosti. Još kritičnije, visoka cijena baterija znači da njihova ukupna troškova u ciklusu života može pristupiti ili čak premašiti cijenu same PV modula ili vjetrogeneratora. Stoga, produženje života baterija i smanjenje troškova sistema postali su ključni izazovi u optimizaciji samostojećih sistema opskrbe strujom.

1.2 Značajne prednosti hibridne vjetro-suncane proizvodnje električne energije

Hibridna vjetro-suncana tehnologija efektivno prevaziđe intermitenciju pojedinačnih izvora energije kombiniranjem dvaju obnovljivih izvora, PV i vjetra. Vjetar i sunce pokazuju prirodnu komplementarnost u vremenu (dan/noć, godišnji periodi): jako sunčev svjetlost tijekom dana često ide uz potencijalno jači vjetar noću; dobra solarna zračenja u ljetu mogu biti paralelna sa dovoljnim vjetrom u zimi. Ova komplementarnost omogućuje:

• Značajno produženje efektivnog vremena punjenja baterija, smanjujući vrijeme koje provode u stanju nepotpunog punjenja, time značajno produžujući životnu vremenu baterija.

• Smanjenje potrebnog kapaciteta baterija. Budući je vjerojatnost da su istovremeno nepristupačni i vjetar i sunce niska, sistem može često direktno snabdevati opterećenje, omogućavajući upotrebu manjeg kapaciteta baterijske banke.

• Domaće i međunarodne studije potvrđuju da hibridne vjetro-suncane sustave premašuju sisteme pojedinačne izvore proizvodnje po pouzdanosti opskrbe strujom i učinkovitosti troškova u ciklusu života.

1.3 Nedostaci postojećih metoda dizajna i predloženo rješenje

Trenutni dizajn sustava suočen je s izazovima. Strani profesionalni simulacijski softveri su skupi, a njihovi ključni modeli često su povjerljivi, čime se sprečava široka primjena. U međuvremenu, većina pojednostavljenih metoda dizajna nije zadovoljavajuća – ili previše se oslanjaju na meteorološke prosjekove zanemarujući detalje, ili koriste linearni pojednostavljeni modeli koji dovode do ograničene točnosti i loše primjenjivosti.

Ovo rješenje ima za cilj predložiti skup točnih i praktičnih računalno podržanih metoda dizajna kako bi se riješili gornjih problema.

II. Sastav sustava i ključni tehnički modeli

2.1 Arhitektura sustava

Hibridni vjetro-suncani sustav proizvodnje električne energije dizajniran u ovom rješenju je potpuno samostojeći off-grid sustav, bez rezervnih izvora struje poput dizelskih generatora. Ključne komponente uključuju:

• Jedinica proizvodnje energije: Vjetrogeneratori, niz PV panela.

• Jedinica pohrane i upravljanja energijom: Baterijska banka, upravljač punjenja (za upravljanje punjenjem i ispunjenjem).

• Jedinica zaštite i pretvorbe: Odvodenje opterećenja (sprečava preopterećenje baterija, štiti inverter), inverter (pretvara DC u AC kako bi zadovoljio većinu potreba za opterećenjem).

• Jedinica potrošnje struje: Opterećenje.

2.2 Točni modeli izračuna proizvodnje energije

Da bi se postigao optimizirani dizajn, utvrdili smo točne satne modele izračuna proizvodnje energije.

• Model niza PV panela:

1. Prelaganje zračenja Sunca: Koristi napredan anizotropni model difuznog zračenja neba kako bi točno prelagao horizontalne podatke o solarnom zračenju merene na meteorološkim stanicama na zračenje koje pada na nagibano površinu PV panela, uz potpuno razmatranje direktnog zračenja, difuznog zračenja neba i zračenja reflektiranog s tla.

2. Simulacija karakteristika modula: Koristi precizan fizikalni model kako bi karakterizirao nelinearne izlazne karakteristike PV panela, uz potpunu razmatranju utjecaja zračenja i temperature okoline na izlazni napon i struja modula, osiguravajući točnost izračuna proizvodnje energije.

• Model vjetrogeneratora:

1. Korekcija brzine vjetra: Koregira referentnu brzinu vjetra iz meteoroloških podataka na stvarnu brzinu vjetra na visini hupe vjetrogeneratora temeljeno na eksponencijalnom zakonu variranja brzine vjetra s visinom.

2. Prilagođavanje krivulje snage: Koristi segmentirane funkcije (različite binomne jednadžbe za različite intervalne brzine vjetra) kako bi dostigao visoku točnost prilagođavanja stvarne krivulje snage vjetrogeneratora, omogućavajući točan satni izračun energije temeljen na podacima o brzini vjetra.

2.3 Dinamički karakteristični model baterije

Baterija je ključna komponenta za pohranu energije, s dinamički mijenjanim stanjima. Model se uglavnom fokusira na:

• Izračun stanja punjenja (SOC): Dinamički simulira procese punjenja i ispunjenja baterije temeljen na odnosu između proizvodnje energije i potrošnje opterećenja u svakom trenutku, točno izračunavajući preostali kapacitet, uz razmatranje praktičnih faktora kao što su stopa samopotpunjenja, učinkovitost punjenja i učinkovitost invertera.

• Upravljanje punjenjem i ispunjenjem: Da bi se produžio život baterije, definira se razumna granica radnog raspona SOC (npr. ograničavanje maksimalne dubine ispunjenja na 50%), i stvara se model koji povezuje napon plivanja s SOC i temperaturom okoline kako bi se točno odredile uvjeti punjenja.

III. Metodologija optimizacije i dimenzionisanja sustava

3.1 Indikatori pouzdanosti opskrbe strujom

Dizajn priorizira ispunjavanje specifičnih zahtjeva korisnika za pouzdanost opskrbe strujom. Ključni indikatori uključuju:

• Vjerojatnost gubitka opskrbe strujom (LPSP): Omjer vremena otkaza sustava i ukupnog vremena procjene, intuitivno reflektira kontinuitet opskrbe.

• Vjerojatnost gubitka opterećenja (LLP): Omjer snage opterećenja koja sustav ne može ispuniti i ukupnog zahtjeva. Ovo je najkritičniji ključni indikator za optimizaciju dizajna sustava.

3.2 Korak-po-korak postupak optimizacije dizajna

Ovo rješenje usvaja sistematski postupak optimizacije, sa ciljem minimiziranja početnih ulagačkih troškova opreme kako bi se pronašla optimalna konfiguracija.

1. Korak 1: Optimizacija konfiguracije PV i baterija za fiksnu kapacitet vjetrogeneratora

• Glavna zadatak: Pod uvjetom da je model i količina vjetrogeneratora fiksna, pronađi kombinaciju kapaciteta PV panela i baterija koja ispunjava predodređeni indikator pouzdanosti (LPSP) i rezultira najnižim ukupnim troškovima opreme.

• Metoda implementacije: Kroz simulacijske izračune, nacrtajte "krivulju ravnoteže" koja predstavlja sve konfiguracije PV i baterija koje ispunjavaju zahtjeve za pouzdanost. Zatim, koristeći tangentnu metodu troškova ili programski selektiranje temeljeno na cijenama opreme, odredite jedinstvenu optimalnu kombinaciju s najnižim troškovima.

2. Korak 2: Globalna optimizacija promjenom kapaciteta vjetrogeneratora

• Glavna zadatak: Promijenite kapacitet ili broj vjetrogeneratora, ponovite postupak optimizacije iz Koraka 1, i dobijte seriju optimalnih konfiguracija i njihovih odgovarajućih troškova za različite kapacitete vjetrogeneratora.

• Konačna odluka: Uporedite ukupne troškove svih kandidatskih rješenja i odaberite kombinaciju vjetra-PV-baterija s globalno najnižim troškovima kao konačnu optimiziranu konfiguraciju sustava.

3.3 Simulacija i izlaz performansi sustava

Nakon određivanja optimalne konfiguracije, godišnji rad sustava može se simulirati sat po satu, generirajući detaljne izvještaje uključujući:

• Vremenska dimenzija: Satno stanje punjenja baterija, energetski bilans sustava.

• Statistička dimenzija: Dnevno/mjesečno/godišnje neispunjeno potrošnje energije, indikatori pouzdanosti (LPSP, LLP), udio proizvodnje vjetra i sunca, situacije viška i deficita energije, itd.

IV. Zaključak

Optimizirana metoda dizajna hibridnih vjetro-suncanih sustava proizvodnje električne energije predložena u ovom rješenju, temeljena na kompleksnim matematičkim modelima i točnim lokalnim meteorološkim podacima, može jedinstveno odrediti konfiguraciju sustava s najnižim početnim ulagačkim troškovima opreme, dok istovremeno ispunjava specifične zahtjeve korisnika za strujom i zahtjeve za pouzdanost opskrbe strujom. Ova metoda efektivno rješava nedostatke sustava pojedinačne izvore proizvodnje, prevazilazi ograničenja postojećih pristupa dizajna i pruža moćan alat za znanstven, učinkovit i ekonomičan dizajn hibridnih vjetro-suncanih sustava proizvodnje električne energije, nosi značajan značaj za inženjerske primjene.