Älykäs tuuli-aurinkohybridijärjestelmä fuzzy-PID-ohjauksella parannettuun akkujen hallintaan ja MPPP:hen

Yhteenveto​

Tämä ehdotus esittelee tuulivoima- ja aurinkoenergian yhdistelmäjärjestelmän, joka perustuu edistyneeseen ohjausteknologiaan, tavoitteena on tehokas ja taloudellisesti järkevä ratkaisu syrjäisten alueiden ja erityisten sovellusten sähkötarpeisiin. Järjestelmän ydin koostuu älykkäästä ohjausjärjestelmästä, joka keskittyy ATmega16-mikroprosessoriin. Tämä järjestelmä suorittaa Maksimiverkon Pisteiden Seurannan (MPPT) sekä tuulivoiman että aurinkoenergian käsittelyyn ja käyttää optimoitua algoritmia, joka yhdistää PID- ja sumea-ohjausmenetelmät akun täsmälliseen ja tehokkaaseen lataus/puraushallintaan. Tämän ansiosta kokonaisen sähköntuotannon tehokkuus paranee merkittävästi, akun käyttöikä pidentyy ja sähköntarjonnan luotettavuus ja kustannustehokkuus taataan.

​I. Projektin tausta ja merkitys​

1. ​Energia-asia:​​ Maailmanlaajuisesti perinteiset fossiiliset polttoaineet ovat yhä enemmän vähenemässä, mikä asettaa vakavia haasteita energiaturvallisuudelle ja kestävälle kehitykselle. Puhtaiden uusiutuvien energialähteiden, kuten tuulivoiman ja aurinkoenergian, vilkas kehittäminen ja käyttö on tullut strategiseksi painopisteeksi nykyisten energia- ja ympäristöongelmien ratkaisemiseksi.
2. ​Järjestelmän arvo:​​ Tuuli-aurinkoyhdistelmäjärjestelmä hyödyntää täysin tuulivoiman ja aurinkoenergian luonnollisia aikalisäyksellisiä ja maantieteellisiä komplementaaripiirteitä (esim. vahva auringonsäteily päivisin, potentiaalisesti vahvemmat tuulet yöllä), ylittäen yksipuolisen energialähteen sähköntuotannon epäjatkuvuuden. Se on rakenteeltaan järkevä, matalakustannuksinen itsenäinen sähköntarjoaja, joka ratkaisee tehokkaasti syrjäisten alueiden, kuten asuinalueiden, viestintäpäivityspaikkojen ja sääseurantapaikkojen, sähköntarpeet alueilla, joilla ei ole tai on heikkoa sähköverkkoa.
3. ​Ytimen komponenttien merkitys:​​ Akku toimii järjestelmän energiasäiliönä ja on avainasemassa sähköntarjonnan jatkuvuuden varmistamisessa kuivapuussa tai ilman auringonpaisteita. Sen kustannukset muodostavat huomattavan osan koko sähköntuotantojärjestelmän kustannuksista. Siksi akun lataustehokkuuden parantaminen ja sen lataus/purausstrategioiden optimointi akun käyttöajan pidentämiseksi ovat olennaisia koko järjestelmän elinkaarien kustannusten vähentämiseksi ja toiminnan luotettavuuden parantamiseksi.

​II. Kokonaisjärjestelmän suunnittelu​

1. ​Järjestelmän ytimeksi asetetut tavoitteet:​​
• ​Energian noutamisen optimointi:​​ Suorita optimaalinen hallinta tuuliturvun ja aurinkopaneelien tuottaman sähkön tehokkuuden maksimoimiseksi, saavuttaen Maksimiverkon Pisteiden Seurannan (MPPT) luonnonvarojen täydelliseksi hyödyntämiseksi.
• ​Energiasäilytysjärjestelmän hallinta:​​ Älykäs hallinta akun lataus- ja purausprosessia, estetään ylikuormitus ja ylipuraus, suojellaan akkua tehokkaasti ja parannetaan huomattavasti sen lataustehokkuutta ja käyttöikää.
2. ​Järjestelmän laitearkkitehtuuri:​​

Järjestelmä koostuu kolmesta pääfunktiomoduulista, jotka koordinoituvat keskitetyn ohjaus-CPU:n kautta muodostaen täydellisen älykästä ohjausjärjestelmää.

​III. Ydinohjausteknologia: Älykäs akkujenhallinta​

1. ​Akun valinta ja perusteet:​​
• ​Tyyppi:​​ Tämä ratkaisu valitsee huoltovapaat lyijy-acid-batteriat, jotka ovat teknologisesti kypsät ja edulliset, sopivat pienimuotoisille tuuli-aurinkoyhdistelmäjärjestelmille.
• ​Toimintaperiaate:​​ Akun lataus ja puraus ovat periaatteessa prosesseja, joissa sähköenergia muuttuu kemialliseksi energiaksi ja päinvastoin. Kuitenkin, elektrodien polarisaation kaltaisten ilmiöiden vuoksi, energian muuntotehokkuus ei voi olla 100%.
2. ​Ohjaushaasteet ja optimointistrategia:​​
• ​Perinteisen ohjausmenetelmän haitat:​​ Perinteiset PID-ohjausmenetelmät nojaavat vahvasti kontrolloitavan objektin (akun) tarkkaan matemaattiseen malliin. Akku on epälineaarinen, aikavaihteleva järjestelmä, jonka parametrit (sisäinen vastus, elektrolyytti tiheys jne.) muuttuvat dynaamisesti ympäristön lämpötilan ja käyttötilanteen mukaan, mikä tekee tarkan mallin luomisesta vaikeaa. Tämä johtaa haasteisiin perinteisten PID-parametrien säätämisessä, heikossa sopeutumiskykyssä ja alhaisessa ohjaustehokkuudessa.
• ​Käytetty edistynyt ohjausmenetelmä:​​ Tämä ratkaisu käyttää Fuzzy-PID-yhdistelmästrategiaa, joka yhdistää molempien etuja:
• ​Fuzzy-ohjausmenetelmän etu:​​ Ei vaadi kontrolloitavan objektin tarkkaa matemaattista mallia, voi käsitellä epätäsmällistä tietoa, näyttää vahvaa sopeutumiskykyä akun parametrien muutoksissa ja voi sisällyttää asiantuntijan tiedot.
• ​PID-ohjausmenetelmän etu:​​ Voima saavuttaa korkean tarkkuuden, nollan stabiilin virheen ohjaus, kun järjestelmän poikkeama on pieni.
• ​Ohjaimeen työprosessi:​​ Järjestelmä seuraa jatkuvasti akun asetetun voltin ja sen todellisen voltin välisen erotuksen e(t). Kun poikkeama e(t) on suuri, fuzzy-ohjaus hallitsee nopeaa vastausta. Kun e(t) laskee tiettyyn rajaan, siirtyy sileästi PID-ohjaus fine-tuningiin. Lopulta, ulostulo signaali u(t) säädellään kontrolloimaan MOSFETin duty-cyklen, saavuttaen dynaamisen optimoinnin latausvirtaa.

​IV. Ratkaisun yhteenveto ja näkymät​

• ​Ohjaustehokkuus:​​ Tässä ratkaisussa suunniteltu tuuli-aurinkoyhdistelmäjärjestelmä onnistuu akun lataus/puraus hallinnan optimoinnissa älykkään Fuzzy-PID-ohjausalgoritmin avulla. Tämä ei vain suojaa akkua ja pidentää sen käyttöikää, mutta myös parantaa tuulivoiman ja aurinkoenergian noutamistehokkuutta MPPT:n avulla, mikä parantaa koko sähköntuotantojärjestelmän tehokkuutta.
• ​Kokeellinen varmistus:​​ Kokeelliset tulokset osoittavat, että ohjaimesi on oikein ja toteutettavissa, toimii turvallisesti ja luotettavasti, ja näyttää hyvää dynaamista vastausta ja stabiilitasolle tarkkuutta.
• ​Sovellusnäkymät:​​ Tämä integroitu tuuli-aurinkoyhdistelmäjärjestelmä, jossa on älykäs akkujenhallintateknologia, on erityisesti soveltuva syrjäisille alueille, joilla ei ole verkkokattavuutta, saarille, laidunnoille ja viestintäpäivityspaikoille. Se tarjoaa huomattavia taloudellisia ja sosiaalisia etuja ja on laajat sovellusnäkymät.