Hibrit Rüzgar-Güneş Enerji Sistemi Optimizasyonu: Ağ Dışı Uygulamalar için kapsamlı bir tasarım çözümü
Giriş ve Arka Plan
1.1 Tek Kaynaklı Güç Üretim Sistemlerinin Zorlukları
Geleneksel tek başına fotovoltaik (PV) veya rüzgar güç üretim sistemleri kendi içinde bazı dezavantajlara sahiptir. PV güç üretimi günlük döngüler ve hava koşullarına bağlıdır, rüzgar güç üretimi ise kararsız rüzgar kaynaklarına dayanır, bu da güç çıkışı üzerinde önemli dalgalanmalara neden olur. Sürekli bir güç sağlayabilmek için büyük kapasiteli pil bankaları enerji depolama ve dengeleme amacıyla gereklidir. Ancak pil, sık şarj-boşaltma döngülerine maruz kalınca, sert çalışma koşulları altında uzun süre yetersiz şarj durumunda kalabilir, bu da teorik değere kıyasla çok daha kısa bir pratik ömür anlamına gelir. Daha önemlisi, pillerin yüksek maliyeti, toplam yaşam döngü maliyetlerinin PV modüllerinin veya rüzgar türbinlerinin kendilerinin maliyetine yaklaştığını hatta aşabileceğini gösterir. Bu nedenle, pil ömrünü uzatmak ve sistem maliyetlerini azaltmak, tek başına güç sistemlerinin optimize edilmesinde merkezi zorluklar haline gelmiştir.
1.2 Hibrit Rüzgar-Güneş Güç Üretiminin Önemli Avantajları
Hibrit rüzgar-güneş güç üretim teknolojisi, iki yenilenebilir enerji kaynağı olan PV ve rüzgar gücünü organik olarak birleştirerek tek kaynaklı enerjinin kesiklik sorununu etkili bir şekilde aşar. Rüzgar ve güneş enerjisi, zaman açısından doğal bir tamamlılık gösterir (gündüz/gece, mevsimler): gündüz güçlü güneş ışığı genellikle geceleri potansiyel olarak daha güçlü rüzgarlarla birlikte gerçekleşir; yaz aylarında iyi güneş ışınımına karşılık kış aylarında bol rüzgar kaynakları bulunur. Bu tamamlılık, şunları sağlar:
Pillerin etkin şarj zamanının önemli ölçüde uzaması, dolayısıyla yetersiz şarj durumunda geçirilen sürenin azalması, bu da pil ömrünü önemli ölçüde uzatır.
Gerekli pil kapasitesinin azalması. Hem rüzgar hem de güneşin aynı anda kullanılamaz olması olasılığı düşük olduğundan, sistem genellikle yükü doğrudan besleyebilir, böylece daha küçük kapasiteli bir pil bankası kullanılabilir.
Yerel ve uluslararası çalışmalar, hibrit rüzgar-güneş sistemlerinin hem güç sağlama güvenilirliği hem de yaşam döngüsü maliyet etkinliği açısından tek kaynaklı güç üretim sistemlerinden üstün olduğunu doğrulamaktadır.
1.3 Mevcut Tasarım Yöntemlerinin Kusurları ve Önerilen Çözüm
Mevcut sistem tasarımı zorluklarla karşı karşıyadır. Yabancı profesyonel simülasyon yazılımları pahalıdır ve çekirdek modelleri genellikle gizlidir, yaygın benimsenmesini engeller. Ayrıca, çoğu basitleştirilmiş tasarım yöntemi yetersizdir - ya meteorolojik ortalamalara aşırı bağımlı olup detayları göz ardı eder, ya da doğrusal basitleştirilmiş modeller kullanarak sınırlı doğruluk ve uygulanabilirliğe sahiptir.
Bu çözüm, yukarıdaki sorunları çözmek için doğru ve uygulanabilir bir bilgisayar destekli tasarım metodolojisi önermektedir.
II. Sistem Bileşenleri ve Çekirdek Teknik Modeller
2.1 Sistem Mimarisi
Bu çözümde tasarlanan hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemi, dizel jeneratörler gibi yedek güç kaynakları olmadan tamamen tek başına bir şebeke dışı sistemdir. Çekirdek bileşenleri şunlardır:
Güç Üretim Birimi: Rüzgar türbin jeneratörleri, PV dizisi.
Enerji Depolama ve Yönetim Birimi: Pil bankası, şarj kontrolcüsü (şarj ve boşaltmayı yönetmek için).
Koruma ve Dönüşüm Birimi: Ayrılma yükü (pil aşırı şarjını önler, inverteri korur), inverter (DC'yi AC'ye dönüştürerek çoğunlukla yük taleplerini karşılar).
Güç Tüketim Birimi: Yük.
2.2 Doğru Güç Üretim Hesaplama Modelleri
Optimize edilmiş tasarım elde etmek için, saatlik güç üretim hesaplama modelleri oluşturduk.
PV Dizisi Modeli:
Güneş Işınımının Dönüşümü: İleri seviye anizotropik gökyüzü saçılmalı modeli kullanarak, meteoroloji istasyonları tarafından ölçüm yapılan yatay güneş ışınım verilerini PV modüllerin eğik yüzeyine düşen ışınım değerine doğru bir şekilde dönüştürür, doğrudan ışınım, gökyüzü saçılmalı ışınım ve zemin yansıtılan ışınımı kapsamlı bir şekilde dikkate alır.
Modül Özellik Simülasyonu: PV modüllerinin doğrusal olmayan çıkış özelliklerini karakterize etmek için hassas bir fiziksel model kullanılır, ışınım ve çevresel sıcaklığın modül çıkış voltajı ve akım üzerindeki etkileri tam olarak dikkate alınarak, güç üretim hesaplamalarının doğruluğu sağlanır.
Rüzgar Türbini Modeli:
Rüzgar Hızı Düzeltmesi: Meteorolojik verilerden referans yükseklik rüzgar hızını, yükseklikle değişen rüzgar hızını belirleyen üstel yasa temelinde gerçek hub yüksekliğine rüzgar hızına düzeltir.
Güç Eğrisi Uydurma: Farklı rüzgar hız aralıkları için farklı ikinci dereceden denklemler kullanılarak, türbinin gerçek güç çıkış eğrisine yüksek doğrulukta uydurma yapar, rüzgar hızı verilerine dayalı olarak saatlik enerji hesaplamasını doğru bir şekilde sağlar.
2.3 Pil Dinamik Özellik Modeli
Pil, dinamik olarak değişen durumlara sahip çekirdek enerji depolama bileşenidir. Model, şunları odak nokta olarak alır:
Şarj Durumu (SOC) Hesaplaması: Her adımda güç üretim ile yük tüketimi arasındaki ilişkiye dayanarak pilin şarj ve boşaltma süreçlerini dinamik olarak simüle eder, kalan kapasiteyi doğru bir şekilde hesaplar, aynı zamanda kendi kendine boşalma oranı, şarj verimliliği ve inverter verimliliği gibi pratik faktörleri dikkate alır.
Şarj-Boşaltma Yönetimi: Pille ömrünü uzatmak için makul bir SOC işletme aralığı tanımlanır (örneğin, maksimum boşaltma derinliğini %50'e sınırlama), ve SOC ile çevresel sıcaklık arasındaki ilişkiye dayalı bir model oluşturulur, şarj koşullarını doğru bir şekilde belirlemek için.
III. Sistem Optimizasyonu ve Boyutlandırma Metodolojisi
3.1 Güç Sağlama Güvenilirlik Göstergeleri
Tasarım, kullanıcının belirlediği güç sağlama güvenilirlik gereksinimlerini karşılamayı önceliklidir. Ana göstergeler şunlardır:
Güç Sağlama Olasılığının Kaybı (LPSP): Sistem kesinti süresi ile toplam değerlendirme süresi arasındaki oran, sağlama sürekliliğini somut bir şekilde yansıtır.
Yük Güvenilirliğinin Kaybı (LLP): Sistem tarafından karşılanmayan yük güç talebi ile toplam talep arasındaki oran. Bu, sistem optimizasyon tasarımı için en kritik ana gösterge olmaktadır.
3.2 Adım Adım Optimizasyon Tasarım Süreci
Bu çözüm, sistem ekipmanlarının başlangıç yatırım maliyetini minimize etmeye yönelik sistematik bir optimizasyon süreci benimsemiştir, en iyi yapılandırmayı bulmayı amaçlamaktadır.
Adım 1: Sabit Rüzgar Türbini Kapasitesi İçin PV ve Pil Yapılandırmasını Optimize Etme
Çekirdek Görev: Rüzgar türbini modeli ve miktarı sabit olduğu durumda, önceden belirlenen güvenilirlik göstergesi (LPSP) gereksinimini karşılayan ve en düşük toplam ekipman maliyetine sahip PV modülü ve pil kapasitelerinin kombinasyonunu bulmaktır.
Uygulama Yöntemi: Simülasyon hesaplamaları aracılığıyla, güvenilirlik gereksinimini karşılayan tüm PV ve pil yapılandırmalarını temsil eden "dengeli eğri" çizilir. Ardından, ekipman birim fiyatlarına dayalı olarak maliyet teğet yöntemi veya bilgisayar programı seçme yoluyla, en düşük maliyetli benzersiz optimal kombinasyon belirlenir.
Adım 2: Rüzgar Türbini Kapasitesini Değiştirerek Küresel Optimizasyon
Çekirdek Görev: Rüzgar türbini kapasitesini veya sayısını değiştirerek, Adım 1'in optimizasyon sürecini tekrarlayın ve farklı rüzgar türbini kapasiteleri için bir dizi optimal yapılandırma ve bunların karşılık gelen maliyetlerini elde edin.
Son Karar: Tüm aday çözümlerin toplam maliyetlerini karşılaştırın ve küresel olarak en düşük maliyetli rüzgar-PV-pil kombinasyonunu son optimize edilmiş sistem yapılandırması olarak seçin.
3.3 Sistem Performans Simülasyonu ve Çıktı
En iyi yapılandırma belirlendikten sonra, sistemin yıllık işlemi saatlik olarak simüle edilebilir, aşağıdaki detaylı raporlar üretilir:
Zaman Boyutu: Saatlik pil şarj durumu, sistem enerji dengesi.
İstatistiksel Boyut: Günlük/aylık/yıllık karşılanmayan yük enerjisi, güvenilirlik göstergeleri (LPSP, LLP), rüzgar/güneş güç üretim payları, enerji fazlası ve eksiklik durumları vb.
IV. Sonuç
Bu çözümde önerilen hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin optimize edilmiş tasarım yöntemi, kapsamlı matematiksel modeller ve hassas yerel meteorolojik veriler temelinde, belirli kullanıcı elektrik taleplerini ve güç sağlama güvenilirlik gereksinimlerini karşılayarak minimum başlangıç ekipman yatırım maliyetiyle benzersiz bir sistem yapılandırmasını belirleyebilir. Bu yöntem, tek kaynaklı güç üretim sistemlerinin eksikliklerini etkili bir şekilde ele alır, mevcut tasarım yaklaşımlarının sınırlamalarını aşar ve hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin bilimsel, verimli ve ekonomik tasarımına güçlü bir araç sağlar, mühendislik uygulamaları için önemli bir değere sahiptir.
