ระบบการปรับแต่งพลังงานลม-แสงอาทิตย์แบบผสม: โซลูชันการออกแบบอย่างครอบคลุมสำหรับแอปพลิเคชันที่ไม่ต่อเน็ต
บทนำและพื้นหลัง
1.1 ปัญหาของระบบผลิตไฟฟ้าจากแหล่งเดียว
ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) หรือลมแบบดั้งเดิมมีข้อเสียอยู่ในตัวเอง การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับผลกระทบจากวงจรประจำวันและการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศ ในขณะที่การผลิตไฟฟ้าจากลมขึ้นอยู่กับทรัพยากรลมที่ไม่แน่นอน ทำให้มีการผันผวนของกำลังผลิตอย่างมาก เพื่อให้มั่นใจในการจ่ายไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่สำหรับการเก็บและบาลานซ์พลังงาน อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ที่ผ่านการชาร์จ-ปล่อยประจุบ่อยครั้งมักจะอยู่ในสถานะที่ไม่ได้รับประจุอย่างเพียงพอเป็นเวลานานภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่รุนแรง ทำให้เวลาการใช้งานจริงสั้นกว่าค่าทฤษฎี นอกจากนี้ ต้นทุนสูงของแบตเตอรี่หมายความว่าต้นทุนตลอดวงจรอาจเท่ากับหรือสูงกว่าต้นทุนของโมดูล PV หรือกังหันลมเอง ดังนั้น การขยายเวลาการใช้งานแบตเตอรี่และการลดต้นทุนระบบจึงกลายเป็นปัญหาหลักในการปรับปรุงระบบผลิตไฟฟ้าแบบอิสระ
1.2 ข้อได้เปรียบสำคัญของการผลิตไฟฟ้าผสมผสานพลังงานลม-แสงอาทิตย์
เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าผสมผสานพลังงานลม-แสงอาทิตย์สามารถแก้ไขปัญหาการขาดแคลนของแหล่งพลังงานเดียวโดยการรวมพลังงานแสงอาทิตย์และลมสองแหล่งพลังงานทดแทนเข้าด้วยกัน พลังงานลมและแสงอาทิตย์มีความสอดคล้องทางธรรมชาติในเวลา (กลางวัน/กลางคืน, ฤดูกาล): แสงแดดที่แข็งแกร่งในเวลากลางวันมักจะสอดคล้องกับลมที่อาจแรงขึ้นในเวลากลางคืน; การแผ่รังสีแสงอาทิตย์ที่ดีในฤดูร้อนอาจสอดคล้องกับทรัพยากรลมที่เพียงพอในฤดูหนาว ความสอดคล้องนี้ช่วยให้:
ขยายเวลาการชาร์จแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ ลดเวลาที่แบตเตอรี่อยู่ในสถานะที่ไม่ได้รับประจุอย่างเพียงพอ ทำให้ระยะเวลาการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้นอย่างมาก
ลดความจุแบตเตอรี่ที่จำเป็น เนื่องจากโอกาสที่ทั้งลมและแสงอาทิตย์จะไม่มีพร้อมกันนั้นต่ำ ระบบสามารถจ่ายไฟฟ้าให้กับโหลดได้โดยตรง ทำให้สามารถใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็กลง
การศึกษาภายในประเทศและต่างประเทศยืนยันว่าระบบผสมผสานลม-แสงอาทิตย์มีความน่าเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้าและประสิทธิภาพต้นทุนตลอดวงจรที่สูงกว่าระบบผลิตไฟฟ้าจากแหล่งเดียว
1.3 ข้อเสียของวิธีการออกแบบที่มีอยู่และความเป็นไปได้ของวิธีการแก้ไข
การออกแบบระบบปัจจุบันเผชิญกับความท้าทาย ซอฟต์แวร์จำลองมืออาชีพจากต่างประเทศมีราคาแพง และโมเดลหลักมักเป็นความลับ ทำให้การนำไปใช้แพร่หลายยาก ในขณะเดียวกัน วิธีการออกแบบที่เรียบง่ายส่วนใหญ่ไม่เพียงพอ—ไม่ว่าจะพึ่งพาค่าเฉลี่ยทางอุตุนิยมศาสตร์โดยละเลยรายละเอียด หรือใช้โมเดลที่เรียบง่ายจนทำให้ความแม่นยำและความสามารถในการนำไปใช้จำกัด
วิธีการแก้ไขนี้มุ่งเสนอวิธีการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่แม่นยำและปฏิบัติได้เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว
II. องค์ประกอบของระบบและโมเดลเทคนิคหลัก
2.1 สถาปัตยกรรมระบบ
ระบบผลิตไฟฟ้าผสมผสานลม-แสงอาทิตย์ที่ออกแบบในวิธีการแก้ไขนี้เป็นระบบออฟกริดแบบอิสระโดยสมบูรณ์ โดยไม่มีแหล่งจ่ายไฟสำรองเช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล องค์ประกอบหลักๆ ประกอบด้วย:
หน่วยผลิตไฟฟ้า: กังหันลม, อาร์เรย์ PV
หน่วยเก็บและจัดการพลังงาน: แบตเตอรี่, คอนโทรลเลอร์ชาร์จ (สำหรับการจัดการการชาร์จและปล่อยประจุ)
หน่วยป้องกันและแปลง: โหลดเบี่ยงเบน (ป้องกันแบตเตอรี่ชาร์จเกิน, ป้องกันอินเวอร์เตอร์), อินเวอร์เตอร์ (แปลง DC เป็น AC เพื่อตอบสนองความต้องการของโหลดส่วนใหญ่)
หน่วยใช้ไฟฟ้า: โหลด
2.2 โมเดลการคำนวณกำลังผลิตที่แม่นยำ
เพื่อให้การสร้างแบบจำลองมีประสิทธิภาพ เราได้สร้างโมเดลการคำนวณกำลังผลิตรายชั่วโมงที่แม่นยำ
โมเดลอาร์เรย์ PV:
การแปลงรังสีแสงอาทิตย์: ใช้โมเดลกระจายแสงท้องฟ้าแบบอะไนโซโทรปิกขั้นสูงเพื่อแปลงข้อมูลรังสีแสงอาทิตย์บนพื้นราบจากสถานีอุตุนิยมวิทยาไปยังรังสีที่ตกกระทบบนพื้นผิวเอียงของอาร์เรย์ PV ด้วยการพิจารณาอย่างครบถ้วนถึงรังสีตรง, รังสีกระจายจากท้องฟ้า, และรังสีสะท้อนจากพื้นดิน
การจำลองลักษณะโมดูล: ใช้โมเดลทางกายภาพที่แม่นยำเพื่อจำลองลักษณะการผลิตกำลังไฟฟ้าที่ไม่เชิงเส้นของโมดูล PV พร้อมพิจารณาผลกระทบของรังสีและความอุณหภูมิแวดล้อมต่อแรงดันและกระแสที่ออกจากโมดูล เพื่อให้แน่ใจว่าการคำนวณกำลังผลิตมีความแม่นยำ
โมเดลกังหันลม:
การแก้ไขความเร็วลม: ทำการแก้ไขความเร็วลมที่ระดับอ้างอิงจากข้อมูลอุตุนิยมวิทยาไปยังความเร็วลมที่ระดับฮับจริงโดยใช้กฎเลขชี้กำลังที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลมตามระดับความสูง
การปรับโค้งกำลัง: ใช้ฟังก์ชันแบ่งส่วน (สมการทวินามต่างๆ สำหรับช่วงความเร็วลมต่างๆ) เพื่อทำการปรับโค้งกำลังที่แท้จริงของกังหันลมให้มีความแม่นยำสูง ทำให้สามารถคำนวณพลังงานรายชั่วโมงได้อย่างแม่นยำตามข้อมูลความเร็วลม
2.3 โมเดลลักษณะพลวัตของแบตเตอรี่
แบตเตอรี่เป็นองค์ประกอบหลักในการเก็บพลังงาน ซึ่งมีสถานะที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง โมเดลนี้มุ่งเน้นที่:
การคำนวณสถานะประจุ (SOC): จำลองกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องตามความสัมพันธ์ระหว่างกำลังผลิตและกำลังใช้ไฟฟ้าในแต่ละช่วงเวลา คำนวณความจุคงเหลืออย่างแม่นยำ พร้อมพิจารณาปัจจัยปฏิบัติเช่น อัตราการปล่อยประจุเอง, ประสิทธิภาพการชาร์จ, และประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์
การจัดการการชาร์จและปล่อยประจุ: เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ จะกำหนดขอบเขตการดำเนินงาน SOC ที่เหมาะสม (เช่น จำกัดความลึกของการปล่อยประจุสูงสุดที่ 50%) และสร้างโมเดลที่เชื่อมโยงแรงดันชาร์จลอยกับ SOC และอุณหภูมิแวดล้อม เพื่อกำหนดสภาพการชาร์จอย่างแม่นยำ
III. วิธีการปรับปรุงและขนาดระบบ
3.1 ตัวชี้วัดความน่าเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้า
การออกแบบนี้ให้ความสำคัญกับการตอบสนองความต้องการความน่าเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้าที่ผู้ใช้ระบุ ตัวชี้วัดสำคัญๆ ได้แก่:
ความน่าจะเป็นของการสูญเสียการจ่ายไฟฟ้า (LPSP): อัตราส่วนของเวลาที่ระบบหยุดทำงานต่อเวลาประเมินทั้งหมด แสดงถึงความต่อเนื่องในการจ่ายไฟฟ้า
ความน่าจะเป็นของการสูญเสียโหลด (LLP): อัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าที่ระบบไม่สามารถตอบสนองต่อความต้องการของโหลดต่อความต้องการทั้งหมด นี่คือตัวชี้วัดหลักที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบแบบปรับปรุง
3.2 กระบวนการออกแบบปรับปรุงแบบขั้นตอน
วิธีการแก้ไขนี้ใช้กระบวนการปรับปรุงแบบระบบ เพื่อลดต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นของอุปกรณ์เพื่อหาการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุด
ขั้นตอนที่ 1: ปรับปรุงการกำหนดค่า PV และแบตเตอรี่สำหรับความจุกังหันลมที่คงที่
งานหลัก: เมื่อรุ่นและจำนวนกังหันลมคงที่ หาการรวมกันของความจุโมดูล PV และแบตเตอรี่ที่ตอบสนองตัวชี้วัดความน่าเชื่อถือที่กำหนด (LPSP) และมีต้นทุนอุปกรณ์รวมต่ำสุด
วิธีการดำเนินการ: ผ่านการคำนวณจำลอง วาดรูป "เส้นสมดุล" ที่แสดงการรวมกันของ PV และแบตเตอรี่ที่ตอบสนองตัวชี้วัดความน่าเชื่อถือ จากนั้น ใช้วิธีการสัมผัสต้นทุนหรือการคัดเลือกด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ตามราคาอุปกรณ์ต่อหน่วย เพื่อกำหนดการรวมกันที่มีต้นทุนต่ำสุดที่เหมาะสม
ขั้นตอนที่ 2: การปรับปรุงแบบครอบคลุมโดยการเปลี่ยนความจุกังหันลม
งานหลัก: เปลี่ยนความจุหรือจำนวนกังหันลม ทำซ้ำกระบวนการปรับปรุงในขั้นตอนที่ 1 และได้รับการกำหนดค่าที่เหมาะสมและต้นทุนที่สอดคล้องกับความจุกังหันลมที่แตกต่างกัน
การตัดสินใจสุดท้าย: เปรียบเทียบต้นทุนรวมของทุกโซลูชันที่เป็นไปได้ และเลือกการรวมกันของลม-PV-แบตเตอรี่ที่มีต้นทุนรวมต่ำสุดเป็นการกำหนดค่าระบบที่เหมาะสมที่สุด
3.3 การจำลองประสิทธิภาพของระบบและการแสดงผล
หลังจากกำหนดการกำหนดค่าที่เหมาะสมแล้ว สามารถจำลองการทำงานของระบบรายชั่วโมงตลอดปี สร้างรายงานรายละเอียดรวมถึง:
มิติเวลา: สถานะประจุแบตเตอรี่รายชั่วโมง, ความสมดุลพลังงานของระบบ
มิติสถิติ: พลังงานโหลดที่ไม่ได้รับการตอบสนองรายวัน/รายเดือน/รายปี, ตัวชี้วัดความน่าเชื่อถือ (LPSP, LLP), สัดส่วนการผลิตไฟฟ้าจากลม/แสงอาทิตย์, สถานการณ์พลังงานเหลือและขาด, ฯลฯ
IV. สรุป
วิธีการสร้างแบบจำลองที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับระบบผลิตไฟฟ้าผสมผสานลม-แสงอาทิตย์ที่นำเสนอในวิธีการแก้ไขนี้ บนพื้นฐานของโมเดลคณิตศาสตร์ที่ครอบคลุมและข้อมูลอุตุนิยมวิทยาท้องถิ่นที่แม่นยำ สามารถกำหนดการกำหนดค่าระบบที่มีต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นต่ำสุดในขณะที่ตอบสนองความต้องการใช้ไฟฟ้าเฉพาะเจาะจงและความน่าเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้าของผู้ใช้ วิธีการนี้แก้ไขข้อเสียของระบบผลิตไฟฟ้าจากแหล่งเดียว แก้ไขข้อจำกัดของวิธีการสร้างแบบจำลองที่มีอยู่ และให้เครื่องมือที่ทรงพลังสำหรับการออกแบบระบบผลิตไฟฟ้าผสมผสานลม-แสงอาทิตย์อย่างวิทยาศาสตร์ มีประสิทธิภาพ และประหยัด ซึ่งมีคุณค่าอย่างมากสำหรับการประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรม
