Гібридна система оптимізації вітро-сонячної енергії: Комплексне проектування для автономних застосувань
Вступ і фон
1.1 Виклики систем одноджерельного генерування електроенергії
Традиційні автономні фотovoltaic (PV) або вітрові системи генерування електроенергії мають власні недоліки. Генерація електроенергії за допомогою PV залежить від добових циклів та погодних умов, тоді як вітрова енергетика залежить від нестабільних вітрових ресурсів, що призводить до значних коливань виводу потужності. Для забезпечення неперервного поставляння електроенергії необхідні великім об'ємом батареї для зберігання та балансування енергії. Однак, батареї, які часто заряджуються та розряджуються, можуть довго перебувати у стані недостатнього заряду в складних умовах роботи, що призводить до практичного терміну служби, який значно коротший за теоретичне значення. Більш критично, висока вартість батарей означає, що загальна вартість їхнього життєвого циклу може наблизитися або навіть перевищити вартість самих PV модулів або вітрових турбін. Тому продовження строку служби батарей та зменшення вартості системи стали ключовими викликами в оптимізації автономних енергетичних систем.
1.2 Значні переваги гібридної вітро-сонячної генерації електроенергії
Гібридна технологія генерації електроенергії за допомогою вітра та сонячної енергії ефективно подолує непостійність одноджерельних енергетичних систем, органічно поєднуючи PV та вітрову енергію, два види відновлюваної енергії. Вітрова та сонячна енергія демонструють природну взаємоповну в часі (день/ніч, сезони): сильне сонячне світло днем часто співпадає з потенційно сильнішими вітрами вночі; хороша сонячна радіація літом може поєднуватися з достатніми вітровими ресурсами зимою. Ця взаємоповність дозволяє:
Значно продовжити ефективний час зарядки батарей, зменшивши час, коли вони перебувають у стані недостатнього заряду, що значно продовжує строк їхнього служби.
Зменшити необхідну ємність батарей. Оскільки ймовірність одночасної недоступності вітру та сонячної енергії низька, система часто може безпосередньо живити навантаження, дозволяючи використовувати меншу ємність батарей.
Домашні та міжнародні дослідження підтверджують, що гібридні вітро-солнечні системи перевершують системи одноджерельного генерування електроенергії як надійністю поставок електроенергії, так і ефективністю життєвого циклу.
1.3 Недоліки існуючих методів проектування та запропоноване рішення
Поточне проектування систем стикається з викликами. Професійне програмне забезпечення для моделювання з-за кордону дороге, а його основні моделі часто конфіденційні, що заважає широкому використанню. Тем временем, більшість спрощених методів проектування недостатні — або вони надто спираються на середні метеорологічні показники, ігноруючи деталі, або використовують лінійні спрощені моделі, що призводить до обмеженої точності та поганої придатності.
Це рішення має мету запропонувати набір точних та практичних комп'ютеризованих методів проектування для вирішення вищевказаних проблем.
II. Склад системи та основні технічні моделі
2.1 Архітектура системи
Гібридна вітро-сонячна система генерування електроенергії, запроектована в цьому рішенні, є повністю автономною оф-грид системою без резервних джерел електроенергії, таких як дизель-генератори. Основні компоненти включають:
Одиниця генерації електроенергії: Вітрові турбіни, PV масив.
Одиниця зберігання та управління енергією: Батареї, контролер заряду (для управління зарядкою та розрядкою).
Одиниця захисту та перетворення: Диверсійне навантаження (захищає від перевантаження батарей, захищає інвертор), інвертор (перетворює постійний струм на перемінний, щоб задовольнити більшість потреб навантаження).
Одиниця споживання електроенергії: Навантаження.
2.2 Точні моделі розрахунку генерації електроенергії
Для досягнення оптимізованого проекту ми розробили точні годинні моделі розрахунку генерації електроенергії.
Модель PV масиву:
Перетворення сонячної радіації: Використовується передовий анізотропний модель розсіяння світла, щоб точно перетворити горизонтальні дані про сонячну радіацію, виміряні метеорологічними станціями, на радіацію, що падає на нахилений поверхню PV модулів, враховуючи прямий променевий випромінювання, розсіянне випромінювання неба та відбите випромінювання від землі.
Симуляція характеристик модуля: Використовується точна фізична модель для характеристики нелінійних виводів PV модулів, повністю враховуючи вплив радіації та температури оточення на вивід напруги та струму модуля, забезпечуючи точність розрахунків генерації електроенергії.
Модель вітрової турбіни:
Корекція швидкості вітру: Корегує швидкість вітру на референтній висоті з метеорологічних даних до фактичної швидкості вітру на висоті вітрової турбіни на основі степеневого закону, що регулює зміну швидкості вітру з висотою.
Наближення кривої потужності: Використовується сегментована функція (різні біноміальні рівняння для різних інтервалів швидкості вітру) для досягнення високоточної апроксимації фактичної кривої виводу потужності турбіни, що дозволяє точно розрахувати годинну енергію на основі даних про швидкість вітру.
2.3 Модель динамічних характеристик батареї
Батарея є ключовим компонентом зберігання енергії, з динамічно змінними станами. Модель головним чином зосереджена на:
Розрахунок стану заряду (SOC): Динамічно симулює процеси зарядки та розрядки батареї на основі зв'язку між генерацією електроенергії та споживанням навантаження на кожному часовому кроці, точно розраховуючи залишкову ємність, враховуючи практичні фактори, такі як швидкість саморозряду, ефективність зарядки та ефективність інвертора.
Управління зарядкою та розрядкою: Для продовження строку служби батареї визначається розумний діапазон роботи SOC (наприклад, обмеження максимального глибини розряду до 50%), та створюється модель, що зв'язує напругу плаваючого заряду з SOC та температурою оточення, для точного визначення умов зарядки.
III. Методологія оптимізації та розмірування системи
3.1 Показники надійності поставок електроенергії
Проектування спрямоване на задоволення визначених користувачем вимог до надійності поставок електроенергії. Ключові показники включають:
Ймовірність втрати поставок електроенергії (LPSP): Співвідношення часу відмови системи до загального часу оцінки, що інтуїтивно відображає постійність поставок.
Ймовірність втрати навантаження (LLP): Співвідношення невдоволеного навантаження системою до загальної потреби. Це найкритичніший ключовий показник для оптимізації проектування системи.
3.2 Поетапний процес оптимізації проектування
Це рішення використовує системний процес оптимізації, що має на меті мінімізувати початкові інвестиційні витрати на обладнання, щоб знайти оптимальну конфігурацію.
Етап 1: Оптимізація конфігурації PV та батарей при фіксованій потужності вітрової турбіни
Основна задача: За умови, що модель та кількість вітрових турбін фіксовані, знайти комбінацію потужностей PV модулів та батарей, що задовольняє визначений показник надійності (LPSP) та дає найнижчу загальну вартість обладнання.
Метод реалізації: Через моделювання розрахунків, побудувати "балансову криву", що представляє всі конфігурації PV та батарей, що задовольняють вимоги надійності. Потім, використовуючи метод дотичної до вартості або комп'ютерну програму для вибору на основі цін на одиницю обладнання, визначити єдину оптимальну комбінацію з найнижчою вартістю.
Етап 2: Глобальна оптимізація зміною потужності вітрової турбіни
Основна задача: Змінити потужність або кількість вітрових турбін, повторити процес оптимізації з Етапу 1, отримати ряд оптимальних конфігурацій та їх відповідну вартість для різних потужностей вітрових турбін.
Остаточне рішення: Порівняти загальні витрати всіх кандидатських рішень та обрати комбінацію вітру-солнечних-батарей з глобально найнижчою вартістю як остаточну оптимальну конфігурацію системи.
3.3 Симуляція та виведення продуктивності системи
Після визначення оптимальної конфігурації, можна симулювати річну роботу системи година за годиною, генеруючи детальні звіти, включаючи:
Часовий розмір: Годинний стан заряду батареї, енергетичний баланс системи.
Статистичний розмір: Щоденна/місячна/річна невдоволеність навантаження, показники надійності (LPSP, LLP), частка вітро-солнечної генерації, ситуації з надлишками та дефіцитом енергії тощо.
IV. Висновок
Запропонований метод оптимізації проектування гібридних вітро-сонячних систем генерації електроенергії, базуючись на комплексних математичних моделях та точних місцевих метеорологічних даних, може єдиним чином визначити конфігурацію системи з мінімальними початковими витратами на обладнання, задовольняючи конкретні потреби користувачів у електроенергії та вимоги до надійності поставок. Цей метод ефективно вирішує недоліки систем одноджерельного генерування електроенергії, подолує обмеження існуючих методів проектування, та надає потужний інструмент для наукового, ефективного та економічного проектування гібридних вітро-сонячних систем генерації електроенергії, маючи значну цінність для інженерних застосувань.
