Un Sistema Híbrid Intelligent d'Energia Eòlica i Solar amb Control Fuzzy-PID per a una Millora de la Gestió de Bateries i MPPT

Resum

Aquesta proposta presenta un sistema de generació d'energia híbrid eòlic-fotovoltaic basat en tecnologia de control avançada, amb l'objectiu d'atendre de manera eficient i econòmica les necessitats energètiques de zones remotes i escenaris d'aplicació especials. El nucli del sistema es troba en un sistema de control intel·ligent centrat en un microprocessador ATmega16. Aquest sistema realitza el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) tant per a l'energia eòlica com per a la fotovoltaica i utilitza un algoritme optimitzat que combina el control PID i el control difús per a una gestió precisa i eficient de la càrrega/descàrrega de la component clau: la bateria. Com a resultat, augmenta significativament l'eficiència global de la generació d'energia, allarga la vida útil de la bateria i assegura la fiabilitat i l'eficiència econòmica de l'abastament d'energia.

I. Context del projecte i importància

1. Context energètic: A nivell global, els combustibles fòssils tradicionals s'estan esgotant cada vegada més, posant greus reptes a la seguretat energètica i al desenvolupament sostenible. Fomentar el desenvolupament i l'ús d'energies renovables limpes com l'eòlica i la fotovoltaica ha esdevingut una prioritat estratègica per solucionar els problemes actuals d'energia i medi ambient.
2. Valor del sistema: El sistema híbrid eòlic-fotovoltaic aprovecha plenament les característiques naturals complementàries de l'energia eòlica i fotovoltaica en termes de temporització i geografia (per exemple, llum solar intensa durant el dia, vents possiblement més forts durant la nit), superant la intermitència de la generació d'energia d'una sola font. És una solució d'abastament d'energia independent, estructuralment raonable i de baix cost operatiu, que resol eficaçment els problemes d'abastament d'energia per a instal·lacions com residències, estacions base de comunicacions i estacions de monitorització meteorològica en zones no electrificades o feblement electrificades.
3. Importància de les components principals: La bateria, com a unitat d'emmagatzematge d'energia del sistema, és crucial per assegurar l'abastament continu d'energia a la càrrega en períodes sense vent o llum solar. El seu cost constitueix una part significativa del sistema de generació d'energia total. Per tant, millorar l'eficiència de la càrrega de la bateria i optimitzar les seves estratègies de càrrega/descàrrega per allargar-ne la vida útil són vitals per reduir el cost cicle de vida del sistema i millorar la fiabilitat operativa.

II. Disseny general del sistema

1. Objectius principals del sistema:
• Optimització de la captació d'energia: Realitzar un control òptim per aconseguir la màxima eficiència en l'electricitat generada pel aerogenerador i els panells fotovoltaics, assolint el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) per aprofitar plenament els recursos naturals.
• Gestió del sistema d'emmagatzematge d'energia: Gestionar intel·ligentment el procés de càrrega i descàrrega de la bateria, prevenir la sobrecàrrega i la sobredescàrrega, protegir efectivament la bateria i millorar significativament la seva eficiència de càrrega i la seva vida útil.
2. Arquitectura de maquinari del sistema:

El sistema consta de tres mòduls funcionals principals, coordinats per un CPU de control central per formar un sistema de control intel·ligent complet.

III. Tecnologia de control central: Gestió intel·ligent de bateries

1. Selecció i bàsics de la bateria:
• Tipus: Aquesta solució selecciona bateries d'àcid de plom sense manteniment, que són tecnològicament madures i de baix cost, adequades per a sistemes híbrids eòlic-fotovoltaics de petjana escala.
• Principi de funcionament: La càrrega i descàrrega de la bateria són essencialment processos de conversió d'energia elèctrica a química i viceversa. No obstant això, degut a fenòmens com la polarització de l'electrode, l'eficiència de conversió d'energia no pot arribar al 100%.
2. Reptes de control i estratègia d'optimització:
• Inconvenients del control tradicional: Els mètodes de control PID clàssics depenen fortement d'un model matemàtic precís de l'objecte controlat (la bateria). La bateria és un sistema no lineal i variant en el temps, els seus paràmetres (resistència interna, densitat de l'electrolit, etc.) canvien dinàmicament amb la temperatura ambiental i l'estat d'ús, dificultant l'establiment d'un model precís. Això porta a reptes en la regulació dels paràmetres PID tradicionals, una adaptabilitat pobra i un rendiment de control subòptim.
• Mètode de control avançat adoptat: Aquesta solució utilitza una estratègia de control compost Difús-PID, combinant les avantatges de tots dos:
• Avantatge del control difús: No requereix un model matemàtic exacte de l'objecte controlat, pot gestionar informació d'entrada imprecisa, presenta una forta adaptabilitat als canvis en els paràmetres de la bateria i pot incorporar coneixements d'experts.
• Avantatge del control PID: Pot aconseguir un control de alta precisió i zero error estacionari quan la desviació del sistema és petita.
• Flux de treball del controlador: El sistema monitoritza continuament la diferència e(t) entre la tensió preestablerta de la bateria i la seva tensió real. Quan la desviació e(t) és gran, el control difús domina per una resposta ràpida. Quan e(t) disminueix dins d'un cert rang, es passa suavement al control PID per a una microrregulació. Finalment, la senyal de sortida u(t) s'ajusta per controlar el cicle de treball del MOSFET, aconseguint una optimització dinàmica de la corrent de càrrega.

IV. Resum de la solució i perspectives

• Efectivitat del control: El sistema de control de generació d'energia híbrid eòlic-fotovoltaic dissenyat en aquesta solució aconsegueix amb èxit una gestió òptima de la càrrega/descàrrega de la bateria mitjançant l'algoritme de control intel·ligent Difús-PID complementari. Això no només protegeix eficaçment la bateria i allarga la seva vida útil, sinó que també millora l'eficiència de captació d'energia eòlica i fotovoltaica a través del MPPT, millorant així l'eficiència global del sistema de generació d'energia.
• Verificació experimental: Els resultats experimentals mostren que el controlador està dissenyat correctament i de manera factible, opera de manera segura i fiable, i presenta un bon rendiment dinàmic i una precisió estacionària.
• Perspectives d'aplicació: Aquesta solució integrada de generació d'energia híbrid eòlic-fotovoltaic amb tecnologia de gestió intel·ligent de bateries és particularment adequada per a escenaris com zones remotes sense cobertura de xarxa, illes, pastures i estacions base de comunicacions. Ofereix beneficis econòmics i socials significatius i té amplies perspectives d'aplicació.