Un Sistema Ibrido Intelligente Eolico-Fotovoltaico con Controllo Fuzzy-PID per una Gestione Batterie Migliorata e MPPT

Riassunto​

Questa proposta presenta un sistema di generazione elettrica ibrido vento-solare basato su tecnologie di controllo avanzate, con l'obiettivo di rispondere in modo efficiente ed economico alle esigenze energetiche di aree remote e scenari di applicazione speciali. Il cuore del sistema è costituito da un sistema di controllo intelligente centrato su un microprocessore ATmega16. Questo sistema esegue il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) sia per l'energia eolica che solare e utilizza un algoritmo ottimizzato che combina PID e controllo fuzzy per una gestione precisa ed efficiente della carica/scarica della componente chiave - la batteria. Di conseguenza, migliora significativamente l'efficienza complessiva della produzione di energia, estende la durata della batteria e garantisce affidabilità e convenienza del fornitura di energia.

​I. Contesto del Progetto e Significatività​

1. ​Contesto Energetico:​​ A livello globale, i combustibili fossili tradizionali stanno diventando sempre più esauriti, ponendo gravi sfide alla sicurezza energetica e allo sviluppo sostenibile. Lo sviluppo e l'utilizzo vigoroso di nuove fonti di energia pulite e rinnovabili come l'energia eolica e solare sono diventati una priorità strategica per risolvere le attuali questioni energetiche e ambientali.
2. ​Valore del Sistema:​​ Il sistema ibrido vento-solare sfrutta appieno le caratteristiche naturali complementari dell'energia eolica e solare in termini di orario e geografia (ad esempio, forte luce solare durante il giorno, potenzialmente venti più forti di notte), superando l'intermittenza della generazione di energia da singola fonte. È una soluzione di fornitura di energia indipendente a struttura razionale e a basso costo operativo, che risolve efficacemente i problemi di fornitura di energia per strutture come abitazioni, stazioni di comunicazione e stazioni di monitoraggio meteorologico in aree remote non elettrificate o debolmente elettrificate.
3. ​Importanza delle Componenti Chiave:​​ La batteria, che funge da unità di accumulo di energia del sistema, è cruciale per garantire una fornitura continua di energia alla carica durante periodi senza vento o luce solare. Il suo costo rappresenta una parte significativa del sistema di generazione di energia. Pertanto, migliorare l'efficienza di carica della batteria e ottimizzare le strategie di carica/scarica per prolungarne la durata di vita sono fondamentali per ridurre il costo del ciclo di vita del sistema e migliorare l'affidabilità operativa.

​II. Progettazione Complessiva del Sistema​

1. ​Obiettivi Principali del Sistema:​​
• ​Ottimizzazione della Cattura di Energia:​​ Eseguire un controllo ottimale per massimizzare l'efficienza dell'elettricità generata dall'unità eolica e dai pannelli fotovoltaici, raggiungendo il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) per sfruttare appieno le risorse naturali.
• ​Gestione del Sistema di Accumulo di Energia:​​ Gestire intelligentemente il processo di carica e scarica della batteria, prevenendo la sovralimentazione e la sovrascarica, proteggendo efficacemente la batteria e migliorando significativamente l'efficienza di carica e la durata di vita.
2. ​Architettura Hardware del Sistema:​​

Il sistema è composto da tre moduli funzionali principali, coordinati da un CPU centrale di controllo per formare un sistema di controllo intelligente completo.

​III. Tecnologia di Controllo Centrale: Gestione Intelligente della Batteria​

1. ​Selezione e Basi della Batteria:​​
• ​Tipo:​​ Questa soluzione seleziona batterie a piombo-acido manutenzione zero, tecnicamente mature e a basso costo, adatte per sistemi ibridi vento-solare su piccola scala.
• ​Principio di Funzionamento:​​ La carica e la scarica della batteria sono essenzialmente processi di conversione dell'energia elettrica in chimica e viceversa. Tuttavia, a causa di fenomeni come la polarizzazione degli elettrodi, l'efficienza di conversione dell'energia non può raggiungere il 100%.
2. ​Sfide di Controllo e Strategia di Ottimizzazione:​​
• ​Limiti del Controllo Tradizionale:​​ I metodi di controllo PID classici si basano pesantemente su un modello matematico accurato dell'oggetto controllato (la batteria). La batteria è un sistema non lineare e variabile nel tempo, i cui parametri (resistenza interna, densità dell'elettrolita, ecc.) cambiano dinamicamente con la temperatura ambientale e lo stato di utilizzo, rendendo difficile stabilire un modello preciso. Ciò porta a sfide nella taratura dei parametri PID tradizionali, a una scarsa adattabilità e a una performance di controllo subottimale.
• ​Metodo di Controllo Avanzato Adottato:​​ Questa soluzione impiega una strategia di controllo composito Fuzzy-PID, combinando i vantaggi di entrambi:
• ​Vantaggio del Controllo Fuzzy:​​ Non richiede un modello matematico esatto dell'oggetto controllato, può gestire informazioni d'ingresso imprecise, presenta una forte adattabilità ai cambiamenti nei parametri della batteria e può incorporare conoscenze esperte.
• ​Vantaggio del Controllo PID:​​ Può realizzare un controllo ad alta precisione, con errore nullo a regime quando la deviazione del sistema è piccola.
• ​Flusso di Lavoro del Controller:​​ Il sistema monitora continuamente la differenza e(t) tra la tensione impostata della batteria e la tensione effettiva. Quando la deviazione e(t) è grande, il controllo fuzzy domina per una risposta rapida. Quando e(t) diminuisce all'interno di un certo intervallo, si passa in modo fluido al controllo PID per un'ottimizzazione fine. Infine, il segnale di uscita u(t) viene regolato per controllare il ciclo di lavoro del MOSFET, ottenendo un'ottimizzazione dinamica della corrente di carica.

​IV. Riepilogo della Soluzione e Prospettive​

• ​Efficacia del Controllo:​​ Il sistema di controllo di generazione elettrica ibrido vento-solare progettato in questa soluzione riesce a gestire ottimamente la carica/scarica della batteria attraverso l'algoritmo di controllo intelligente Fuzzy-PID complementare. Questo non solo protegge efficacemente la batteria e ne estende la durata, ma migliora anche l'efficienza di cattura dell'energia eolica e solare tramite MPPT, migliorando così l'efficienza complessiva del sistema di generazione di energia.
• ​Verifica Sperimentale:​​ I risultati sperimentali dimostrano che il controller è progettato correttamente e in modo fattibile, opera in sicurezza e con affidabilità, e presenta buone prestazioni di risposta dinamica e precisione a regime.
• ​Prospettive di Applicazione:​​ Questa soluzione integrata di generazione elettrica ibrido vento-solare con tecnologia di gestione intelligente della batteria è particolarmente adatta a scenari come aree remote senza copertura di rete, isole, pascoli e stazioni di comunicazione. Offre benefici economici e sociali significativi e ha ampie prospettive di applicazione.