Intelligens szél-napfény hibrid rendszer fuzzy-PID vezérléssel fejlett akkumulátorkezelés és MPPT érdekében

Összefoglaló

Ez a javaslat egy szélnapraforgó hibrid villamos energia-termelő rendszert mutat be, amely a fejlett irányítási technológiák alapján hatékonyan és gazdaságosan kezeli a távoli területek és speciális alkalmazási esetek energiaszükségleteit. A rendszer központja egy intelligens irányítási rendszer, amely egy ATmega16 mikroprocesszor köré épül. Ez a rendszer végzi a szél- és napenergia Maximum Power Point Tracking (MPPT) eljárását, valamint optimalizált PID és fuzzy ellenőrzési algoritmust használ a kulcsfontosságú összetevő, a batáriát pontos és hatékony töltési/eltöltési kezelésére. Így jelentősen növeli az általános energia-termelési hatékonyságot, meghosszabbítja a batáriák élettartamát, és biztosítja az ellátás megbízhatóságát és költséghatékonyságát.

I. A projekt háttér és jelentősége

1. Energiai kontextus: Szerte a világon a hagyományos fosszilis üzemanyagok egyre nagyobb mértékben kiürülnek, ami komoly kihívást jelent az energia biztonságára és fenntartható fejlődésre. A tiszta, megújuló új energiaforrások, mint a szél- és napenergia aktív fejlesztése és felhasználása stratégiai prioritássá vált a jelenlegi energia- és környezeti problémák megoldásában.
2. Rendszer értéke: A szélnapraforgó hibrid rendszer teljesen kihasználja a szél- és napenergia természeti komplementer jellemzőit időben és térben (pl., erős napsugárzás nappal, potenciálisan erősebb széllökések éjszaka), legyőzve az egy forrásból származó energia-termelés szakadkozásait. Strukturálisan racionális, alacsony működési költséggel rendelkező önálló energiaellátási megoldás, ami hatékonyan megoldja az energiaellátási problémákat, például lakossági telepek, kommunikációs bázisállomások és meteorológiai figyelőállomások esetén, nem villamosított vagy gyenge villamosítású távoli területeken.
3. A fő összetevők fontossága: A batária, mint a rendszer energia tároló egysége, létfontosságú a terheléshez folyamatos energiaellátás biztosításához szél- és napsugárzás hiányában. Az egész energia-termelő rendszer költségeinek jelentős részét teszi ki. Ezért a batáriák töltési hatékonyságának javítása és töltési/eltöltési stratégiáinak optimalizálása, hogy meghosszabbítsa a szolgálati életét, lényeges a rendszer életciklus-költségeinek csökkentéséhez és a működési megbízhatóság javításához.

II. Az általános rendszerterv

1. Rendszer fő céljai:
• Energiafelvétel optimalizálása: Végezzen optimális ellenőrzést a szélturbina és fotovoltaikus panelek által generált elektromos energián, hogy elérje a Maximum Power Point Tracking (MPPT) módszert, és teljesen kihasználja a természeti erőforrásokat.
• Energia tároló rendszer kezelése: Intelligens módon kezelje a batáriák töltési és eltöltési folyamatát, elkerülje a túltöltést és túlterhelést, hatékonyan védelmezze a batáriát, és jelentősen javítsa a töltési hatékonyságát és szolgálati idejét.
2. Rendszer hardver architektúrája:

A rendszer három fő funkcionális modulból áll, amelyeket egy központi vezérlő CPU koordinál, hogy teljes intelligens ellenőrző rendszert hozzon létre.

III. Fő ellenőrző technológia: Intelligens batáriakezelés

1. Batáriaválasztás és alapelvek:
• Típus: Ebben a megoldásban karbantartásmentes olvadt sávsav-batáriákat használnak, amelyek technológiai szempontból fejlették és alacsony költségűek, alkalmasak a kis méretű szélnapraforgó hibrid rendszerekre.
• Működési elv: A batáriák töltése és eltöltése lényegében elektromos energia átalakítása kémiai energiává, és fordítva. Azonban az elektrodák polarizációja miatt az energiaátalakítás hatékonysága nem éri el 100%.
2. Ellenőrzési kihívások és optimalizálási stratégia:
• Hagyományos ellenőrzés hátrányai: A klasszikus PID ellenőrzési módszerek nagy mértékben függnek a vezérelt objektum (batária) pontos matematikai modelljétől. A batária nemlineáris, időben változó rendszer, amely paramétereinek (belso ellenállás, oldat sűrűsége stb.) dinamikusan változik a környezeti hőmérséklettel és a használati állapotokkal, ezért nehéz pontos modellt készíteni. Ez okoz gondokat a hagyományos PID paraméterek finomhangolásában, rossz alkalmazkodási képességet és alacsony ellenőrzési teljesítményt.
• Felvett fejlett ellenőrzési módszer: Ez a megoldás egy Fuzzy-PID összetett ellenőrzési stratégiát alkalmaz, amely kombinálja mindkét előnyeit:
• A fuzzy ellenőrzés előnye: Nem igényel pontos matematikai modellt a vezérelt objektumról, képes impreciz információk kezelésére, erős alkalmazkodási képességgel a batáriaparaméterek változásaihoz, és tud bele integrálni a szakértői ismereteket.
• A PID ellenőrzés előnye: Kisebb rendszer eltérések esetén magas pontosságú, zéró állandó állapot hiba ellenőrzést tud elérni.
• Ellenőrző munkafolyamat: A rendszer folyamatosan figyeli a batáriák beállított feszültsége és a tényleges feszültsége közötti különbséget e(t). Ha az eltérés e(t) nagy, a fuzzy ellenőrzés dominál a gyors reakció érdekében. Amikor e(t) csökken egy adott tartományba, simán átkapcsol a PID ellenőrzésre a finomhangolás érdekében. Végül az u(t) kimeneti jel módosításával ellenőrzi a MOSFET teherciklusát, elérve a töltési áram dinamikus optimalizálását.

IV. Megoldás összefoglalása és kilátások

• Ellenőrzés hatékonysága: A szélnapraforgó hibrid energia-termelő ellenőrző rendszer, amelyet ebben a megoldásban terveztek, sikeresen eléri a batáriák optimális töltési/eltöltési kezelését a komplementer intelligens Fuzzy-PID ellenőrzési algoritmus segítségével. Ez nem csak hatékonyan védi a batáriát, és meghosszabbítja a szolgálati idejét, de a MPPT révén javítja a szél- és napenergia felvétele hatékonyságát, így növelve az egész energia-termelő rendszer általános hatékonyságát.
• Kísérleti ellenőrzés: A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a vezérlő helyesen és megfelelően van kialakítva, biztonságosan és megbízhatóan működik, és jó dinamikus válaszidőt és állandó állapot pontosságot mutat.
• Alkalmazási kilátások: Ez az integrált szélnapraforgó hibrid energia-termelő megoldás, amely intelligens batáriakezelési technológiával rendelkezik, különösen alkalmas olyan helyzetekre, mint a távoli területek, szigetek, puszta, és kommunikációs bázisállomások, ahol nincs hálózati fedés. Jelentős gazdasági és társadalmi előnyöket kínál, és széles alkalmazási lehetőségekkel bír.