Pagsasaayos ng Híbrido na Sistemang Pwersa ng Hangin at Araw: Isang Komprehensibong Solusyon sa disenyo para sa mga Application na Walang Grid

1. Palakad at Background

1.1 mga Hamon ng mga System ng Power Generation na May Iisang Pinagmulan

Ang tradisyonal na standalone photovoltaic (PV) o wind power generation systems ay may inherent na kahinaan. Ang pag-generate ng kapangyarihan mula sa PV ay apektado ng mga siklo ng araw at kondisyon ng panahon, samantalang ang pag-generate ng kapangyarihan mula sa hangin ay naka-depensa sa unstable na resources ng hangin, na nagiging sanhi ng malaking pagbabago sa output ng kapangyarihan. Upang masiguro ang patuloy na suplay ng kapangyarihan, kinakailangan ang mga battery banks na may malaking kapasidad para sa energy storage at balance. Gayunpaman, ang mga battery na nakakaranas ng madalas na charge-discharge cycles ay madalas na nasa isang estado ng undercharge sa mahabang panahon sa ilalim ng harsh na operating conditions, na nagreresulta sa isang practical na service life na mas maikli kaysa sa theoretical value. Mas kritikal pa rito, ang mataas na gastos ng mga battery ay nangangahulugan na ang kanilang total lifecycle cost ay maaaring lumapit o kahit lumampas sa cost ng mga PV modules o wind turbines mismo. Kaya, ang pag-extend ng buhay ng battery at pagbawas ng sistema ng gastos ay naging ang pangunahing hamon sa pag-optimize ng mga standalone power systems.

1.2 Malaking Advantages ng Hybrid Wind-Solar Power Generation

Ang teknolohiya ng hybrid wind-solar power generation ay efektibong naggagamot sa intermittency ng iisang pinagmulan ng enerhiya sa pamamagitan ng organic na pagsasama ng PV at wind power, ang dalawang renewable na sources ng enerhiya. Ang hangin at solar energy ay ipinapakita ang natural na complementarity sa oras (araw/gabi, mga panahon): ang malakas na liwanag ng araw sa araw madalas na kasabay ng malakas na hangin sa gabi; ang mabuting solar irradiation sa tag-init maaaring kasabay ng sapat na resources ng hangin sa taglamig. Ang complementarity na ito ay nagbibigay:

• Malaking extension sa effective charging time ng mga battery, pagbabawas ng oras na sila ay nasa isang estado ng undercharged, na resulta nito ay malaking pag-extend ng service life ng battery.

• Pagbabawas sa required na kapasidad ng battery. Dahil ang probability na parehong hangin at solar ay hindi magagamit sa parehong oras ay mababa, ang sistema ay maaaring direktang mag-power ng load, na nagbibigay-daan para sa paggamit ng mas maliit na capacity ng battery bank.

• Ang mga pag-aaral sa lokal at internasyonal ay nagpapatunay na ang mga hybrid wind-solar systems ay higit na superior sa mga single-source power generation systems sa aspeto ng reliabilidad ng suplay ng kapangyarihan at lifecycle cost-effectiveness.

1.3 Kahinaan ng Mga Existing na Design Methods at ang Inirerekomendang Solusyon

Ang kasalukuyang system design ay naghaharap sa mga hamon. Ang professional simulation software mula sa ibang bansa ay mahal, at ang mga core models nito ay madalas na confidential, na nagiging hadlang sa widespread na adoption. Sa parehong oras, ang karamihan sa mga simplified design methods ay hindi sapat—kung hindi man sila nagdedependiyo nang sobrang marami sa meteorological averages na inignore ang mga detalye, o sila ay gumagamit ng linear simplified models na nagiging sanhi ng limitado ang accuracy at poor applicability.

Ang solusyon na ito ay nagnanais na ipropose ang isang set ng accurate at practical na computer-aided design methodologies upang tugunan ang mga isyung nabanggit.

II. System Composition at Core Technical Models

2.1 System Architecture

Ang hybrid wind-solar power generation system na idinisenyo sa solusyong ito ay isang ganap na standalone off-grid system, walang backup power sources tulad ng diesel generators. Ang core components ay kinabibilangan:

• Power Generation Unit: Wind turbine generators, PV array.

• Energy Storage and Management Unit: Battery bank, charge controller (para sa pag-manage ng charging at discharging).

• Protection and Conversion Unit: Diversion load (prevents battery overcharge, protects inverter), inverter (converts DC to AC to meet most load requirements).

• Power Consumption Unit: Load.

2.2 Accurate Power Generation Calculation Models

Upang makamit ang optimized design, kami ay naitatag ang accurate hourly power generation calculation models.

• PV Array Model:

1. Solar Radiation Transposition: Ginagamit ang advanced anisotropic sky diffuse model upang accurately transpose ang horizontal solar radiation data na iminumasure ng weather stations sa irradiance incident sa tilted surface ng PV modules, comprehensive na inconsider ang direct beam radiation, sky diffuse radiation, at ground-reflected radiation.

2. Module Characteristic Simulation: Ginagamit ang precise physical model upang characterize ang nonlinear output characteristics ng PV modules, fully accounting para sa epekto ng irradiance at ambient temperature sa module output voltage at current, ensuring ang accuracy ng power generation calculations.

• Wind Turbine Model:

1. Wind Speed Correction: Nagko-correct ng reference height wind speed mula sa meteorological data sa actual hub height wind speed batay sa exponential law governing wind speed variation with height.

2. Power Curve Fitting: Ginagamit ang segmented function (different binomial equations for different wind speed intervals) upang makamit ang high-precision fitting ng actual power output curve ng turbine, enabling accurate hourly energy calculation batay sa wind speed data.

2.3 Battery Dynamic Characteristic Model

Ang battery ay ang core energy storage component, na may dynamically changing states. Ang modelo ay pangunahing nakatuon sa:

• State of Charge (SOC) Calculation: Dynamically simulates ang battery's charge at discharge processes batay sa relationship sa pagitan ng power generation at load consumption sa bawat time step, accurately calculating ang remaining capacity, habang inconsider ang practical factors tulad ng self-discharge rate, charging efficiency, at inverter efficiency.

• Charge-Discharge Management: Upang i-extend ang battery life, in-defines ang reasonable SOC operating range (halimbawa, limiting ang maximum depth of discharge sa 50%), at in-establish ang model correlating float charge voltage with SOC at ambient temperature upang accurately determine ang charging conditions.

III. System Optimization at Sizing Methodology

3.1 Power Supply Reliability Indicators

Ang disenyo ay priority na sumunod sa specified power supply reliability requirements ng user. Key indicators ay kinabibilangan:

• Loss of Power Supply Probability (LPSP): Ang ratio ng system outage time sa total evaluation time, intuitively reflecting supply continuity.

• Loss of Load Probability (LLP): Ang ratio ng load power demand na hindi nasasatisfy ng sistema sa total demand. Ito ang pinakamahalagang core indicator para sa system optimization design.

3.2 Step-by-Step Optimization Design Process

Ang solusyon na ito ay nagsasama ng systematic optimization process, nagnanais na minimize ang initial investment cost ng equipment upang makahanap ng optimal configuration.

1. Step 1: Optimize PV at Battery Configuration para sa Fixed Wind Turbine Capacity

• Core Task: Sa kondisyon na ang wind turbine model at quantity ay fixed, hanapin ang combination ng PV module at battery capacities na sumasatisfy sa predetermined reliability indicator (LPSP) at nagresulta sa lowest total equipment cost.

• Implementation Method: Sa pamamagitan ng simulation calculations, plot ang "balance curve" na kumakatawan sa lahat ng PV at battery configurations na sumasatisfy sa reliability requirement. Pagkatapos, gamit ang cost tangent method o computer program screening batay sa equipment unit prices, determine ang unique optimal combination na may lowest cost.

2. Step 2: Global Optimization sa pamamagitan ng Varying Wind Turbine Capacity

• Core Task: Baguhin ang wind turbine capacity o number, ulitin ang optimization process ng Step 1, at makakuha ng serye ng optimal configurations at ang kanilang corresponding costs para sa iba't ibang wind turbine capacities.

• Final Decision: Ikumpara ang total costs ng lahat ng candidate solutions at piliin ang wind-PV-battery combination na may globally lowest cost bilang ang final optimized system configuration.

3.3 System Performance Simulation at Output

Matapos matukoy ang optimal configuration, maaaring simulan ang hourly simulation ng annual operation ng sistema, generating detailed reports kasama:

• Time Dimension: Hourly battery state of charge, system energy balance.

• Statistical Dimension: Daily/monthly/annual unmet load energy, reliability indicators (LPSP, LLP), wind/solar power generation share, energy surplus and deficit situations, etc.

IV. Conclusion

Ang optimized design method para sa hybrid wind-solar power generation systems na inirerekomenda sa solusyong ito, batay sa comprehensive mathematical models at precise local meteorological data, ay maaaring uniquely determine ang system configuration na may minimum initial equipment investment cost habang sinusunod ang specific user electricity demands at power supply reliability requirements. Ang metodyong ito ay effectively addresses ang mga kahinaan ng single-source power generation systems, naggagamot sa mga limitasyon ng existing design approaches, at nagbibigay ng powerful tool para sa scientific, efficient, at economical design ng hybrid wind-solar power generation systems, na may significant value para sa engineering applications.