Ένα Νοημονικό Σύστημα Μείγματος Ανέμου-Ηλίου με Έλεγχο Fuzzy-PID για Ενισχυμένη Διαχείριση Μπαταριών και MPPT

Περίληψη​

Αυτή η πρόταση παρουσιάζει ένα σύστημα μικτής παραγωγής ενέργειας από αέριο και ήλιο βασισμένο σε προηγμένες τεχνολογίες ελέγχου, με στόχο να ανταποκριθεί αποτελεσματικά και οικονομικά στις ανάγκες ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές και ειδικές εφαρμογές. Το κύριο μέρος του συστήματος είναι ένα σύστημα εξελιγμένου ελέγχου με κέντρο έναν μικροεπεξεργαστή ATmega16. Αυτό το σύστημα εκτελεί την Παρακολούθηση του Σημείου Μέγιστης Δύναμης (MPPT) για την ενέργεια του ανέμου και του ήλιου και χρησιμοποιεί έναν βελτιστοποιημένο αλγόριθμο συνδυασμένου PID και ασαφούς ελέγχου για ακριβή και αποτελεσματική διαχείριση φόρτισης/ξεφόρτισης του κλειδίου συστατικού – της μπαταρίας. Επομένως, επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση της συνολικής απόδοσης παραγωγής ενέργειας, παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας και εγγύηση αξιοπιστίας και οικονομικής αποδοτικότητας της παροχής ενέργειας.

​I. Φόντο Έργου και Σημασία​

1. ​Ενεργειακό Φόντο:​​ Παγκοσμίως, οι παραδοσιακές ορυκτές καυσίμα εξαντλούνται ολοένα και περισσότερο, προκαλώντας σοβαρές προκλήσεις στην ενεργειακή ασφάλεια και τη βιώσιμη ανάπτυξη. Η ενεργός ανάπτυξη και αξιοποίηση καθαρών, ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αεριούχη και η ηλιακή ενέργεια, έχει γίνει στρατηγική προτεραιότητα για την επίλυση των τρέχουσας ενεργειακής και περιβαλλοντικής προβλήματα.
2. ​Αξία του Συστήματος:​​ Το μικτό σύστημα αεριούχη-ήλιο αξιοποιεί πλήρως τις φυσικές συμπληρωματικές χαρακτηριστικές της αεριούχης και ηλιακής ενέργειας σε όρους χρόνου και γεωγραφίας (π.χ., ισχυρή ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας, πιθανά ισχυρότεροι άνεμοι κατά τη διάρκεια της νύχτας), ξεπερνώντας την διακοπή της μονοπηγής παραγωγής ενέργειας. Είναι μια λογική, χαμηλού κόστους λειτουργίας, ανεξάρτητη λύση παροχής ενέργειας, που επιλύει αποτελεσματικά τα προβλήματα εφοδιασμού ενέργειας για εγκαταστάσεις όπως οικιστικές εγκαταστάσεις, βάσεις επικοινωνίας και σταθμοί μετεωρολογικής παρατήρησης σε απομακρυσμένες περιοχές χωρίς ηλεκτροφόρηση ή με αδύναμη ηλεκτροφόρηση.
3. ​Σημασία των Κλειδίων Συστατικών:​​ Η μπαταρία, που λειτουργεί ως μονάδα αποθήκευσης ενέργειας του συστήματος, είναι κρίσιμη για την εγγύηση συνεχούς παροχής ενέργειας στο φορτίο κατά τη διάρκεια περιόδων χωρίς άνεμο ή ήλιο. Το κόστος της αποτελεί σημαντικό μέρος του συνολικού συστήματος παραγωγής ενέργειας. Επομένως, η βελτίωση της αποδοτικότητας φόρτισης της μπαταρίας και η βελτιστοποίηση των στρατηγικών φόρτισης/ξεφόρτισης για την παράταση της διάρκειας ζωής της είναι βασικής σημασίας για τη μείωση του κόστους κύκλου ζωής του συστήματος και την ενίσχυση της λειτουργικής αξιοπιστίας.

​II. Συνολική Σχεδίαση του Συστήματος​

1. ​Κύριοι Στόχοι του Συστήματος:​​
• ​Βελτιστοποίηση Αποθέρησης Ενέργειας:​​ Εκτέλεση βελτιστοποιημένου ελέγχου για την επίτευξη μέγιστης αποδοτικότητας στην ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την ανεμογεννήτρια και τα φωτοβολταϊκά πάνελ, επιτυγχάνοντας την Παρακολούθηση του Σημείου Μέγιστης Δύναμης (MPPT) για την πλήρη αξιοποίηση των φυσικών πόρων.
• ​Διαχείριση Συστήματος Αποθήκευσης Ενέργειας:​​ Νοηματική διαχείριση της διαδικασίας φόρτισης και ξεφόρτισης της μπαταρίας, προστατεύοντας την από υπερφόρτιση και υπερξεφόρτιση, αποτελεσματικά προστατεύοντας τη μπαταρία και βελτιώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα φόρτισης και τη διάρκεια ζωής της.
2. ​Χαρτογράφηση Σκληρού Λογισμικού του Συστήματος:​​

Το σύστημα αποτελείται από τρία κύρια λειτουργικά μόντουλ, συντονιζόμενα από έναν κεντρικό ελεγκτή CPU, σχηματίζοντας ένα σύνολο εξελιγμένου συστήματος ελέγχου.

​III. Κύρια Τεχνολογία Ελέγχου: Νοηματική Διαχείριση Μπαταρίας​

1. ​Επιλογή και Βασικά Στοιχεία Μπαταρίας:​​
• ​Τύπος:​​ Αυτή η λύση επιλέγει αναπόσπαστες μολυβδοκάτωδες μπαταρίες, οι οποίες είναι τεχνολογικά ώριμες και φθηνές, κατάλληλες για μικρά μικτά συστήματα αεριούχη-ήλιο.
• ​Σύντομη Λειτουργία:​​ Η φόρτιση και η ξεφόρτιση της μπαταρίας είναι ουσιαστικά διαδικασίες μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια και αντίστροφα. Ωστόσο, λόγω φαινομένων όπως η πολικοποίηση των ηλεκτρόδων, η αποδοτικότητα μετατροπής της ενέργειας δεν μπορεί να φτάσει το 100%.
2. ​Προκλήσεις Ελέγχου και Στρατηγική Βελτιστοποίησης:​​
• ​Αδυναμίες του Κλασικού Ελέγχου:​​ Οι κλασικές μεθόδοι ελέγχου PID εξαρτώνται σημαντικά από ένα ακριβές μαθηματικό μοντέλο του ελεγχόμενου αντικειμένου (της μπαταρίας). Η μπαταρία είναι ένα μη γραμμικό, μεταβαλλόμενο στο χρόνο σύστημα, τα παράμετρα του οποίου (εσωτερική αντίσταση, πυκνότητα ηλεκτρολύτη κλπ.) μεταβάλλονται δυναμικά με την θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την κατάσταση χρήσης, κάνοντας δύσκολη τη δημιουργία ενός ακριβού μοντέλου. Αυτό οδηγεί σε προκλήσεις στην προσαρμογή των παραμέτρων PID, προσαρμοστικότητα και υποτελής επίδοση ελέγχου.
• ​Προτεινόμενη Προηγμένη Μέθοδος Ελέγχου:​​ Αυτή η λύση χρησιμοποιεί μια συνδυασμένη στρατηγική ελέγχου Fuzzy-PID, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα των δύο:
• ​Πλεονέκτημα του Fuzzy Control:​​ Δεν απαιτεί ακριβές μαθηματικό μοντέλο του ελεγχόμενου αντικειμένου, μπορεί να χειριστεί ακριβή πληροφορία εισόδου, παρουσιάζει ισχυρή προσαρμοστικότητα σε αλλαγές των παραμέτρων της μπαταρίας και μπορεί να ενσωματώσει ειδικές γνώσεις.
• ​Πλεονέκτημα του PID Control:​​ Μπορεί να επιτύχει υψηλή ακρίβεια, μηδενικό σταθερό σφάλμα ελέγχου όταν το σφάλμα του συστήματος είναι μικρό.
• ​Ροή Εργασίας του Ελεγκτή:​​ Το σύστημα επιτηρεί συνεχώς τη διαφορά e(t) μεταξύ της ορισμένης τάσης της μπαταρίας και της πραγματικής τάσης. Όταν το σφάλμα e(t) είναι μεγάλο, το fuzzy control κυριαρχεί για γρήγορη ανταπόκριση. Όταν το e(t) μειώνεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή, μεταβιβάζεται ομαλά στον ελεγχο PID για λεπτομερή προσαρμογή. Τελικά, το εξοδικό σήμα u(t) προσαρμόζεται για τον έλεγχο της χρονικής διάρκειας λειτουργίας του MOSFET, επιτυγχάνοντας δυναμική βελτιστοποίηση του ρεύματος φόρτισης.

​IV. Σύνοψη Λύσης και Προοπτικές​

• ​Αποτελεσματικότητα Ελέγχου:​​ Το σύστημα ελέγχου παραγωγής ενέργειας αεριούχη-ήλιο που σχεδιάστηκε σε αυτή τη λύση επιτυγχάνει επιτυχώς βελτιστοποιημένη διαχείριση φόρτισης/ξεφόρτισης της μπαταρίας μέσω του συνδυασμένου νοηματικού Fuzzy-PID ελέγχου. Αυτό μη μόνον προστατεύει τη μπαταρία και παρατείνει τη διάρκεια ζωής της, αλλά επίσης ενισχύει την απόδοση αποθέρησης της ενέργειας από τον αέρα και τον ήλιο μέσω της MPPT, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του συνόλου του συστήματος παραγωγής ενέργειας.
• ​Πειραματική Επαλήθευση:​​ Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ελεγκτής σχεδιάστηκε σωστά και είναι εφικτός, λειτουργεί με ασφάλεια και αξιοπιστία, και παρουσιάζει καλή δυναμική απόκριση και σταθερή ακρίβεια.
• ​Προοπτικές Εφαρμογής:​​ Αυτή η ολοκληρωμένη λύση μικτής παραγωγής ενέργειας αεριούχη-ήλιο με τεχνολογία νοηματικής διαχείρισης μπαταρίας είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σενάρια όπως απομακρυσμένες περιοχές χωρίς κάλυψη δικτύου, νησιά, ποιμαντικές περιοχές και βάσεις επικοινωνίας. Προσφέρει σημαντικά οικονομικά και κοινωνικά οφέλη και έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής.