Hibried Wind-Sonne Energie Sisteme Optimering: 'n Omvattende Ontwerplossing vir Afgelysde Toepassings

1. Inleiding en Agtergrond​

​1.1 Uitdagings van Eengeslagskrigstelsels​

Tradisionele selfstandige fotovoltaïese (PV) of windenergie-opwekkingstelsels het inherente nadele. PV-energieopwekking word beïnvloed deur dag-en-nag-siklusse en weerstoestande, terwyl windenergieopwekking afhanklik is van onstabiele windbronne, wat lei tot beduidende fluktuasies in kraguitset. Om 'n kontinue kragvoorsiening te verseker, is groot-kapasiteitbatteriebankke nodig vir energieopberging en -balansering. Batterye wat gereeld afgelaai en opgelaai word, is egter geneig om onder swaar bedryfstoestande vir lang tydperke in 'n onderlaaistand te bly, wat lei tot 'n praktiese leeftyd wat baie korter is as die teoretiese waarde. Belangrikker nog, die hoë koste van batterye beteken dat hul totale leeftydkoste kan nader of selfs oorskry die koste van die PV-module of windturbines self. Daarom het die uitbreiding van batteryleeftyd en die vermindering van stelselkoste die kernuitdagings geword in die optimalisering van selfstandige kragstelsels.

​1.2 Beduidende Voordelige van Hibriede Wind-Sonne Kragopwekking​

Hibriede wind-sonne kragopwekkingstegnologie oorkom effektief die onderbreekbaarheid van eengeslagsenergiebronne deur organies sonne- en windenergie, twee hernubare energiebronne, te kombineer. Wind- en sonenergie vertoon 'n natuurlike komplementerheid in tyd (dag/nag, seisoene): sterke sonlig tydens die dag val dikwels saam met potensieel sterker wind by nag; goeie sonbestraaling in die somer kan gepaard gaan met voldoende windbronne in die winter. Hierdie komplementerheid maak moontlik:

• Beduidende uitbreiding van die effektiewe laaityd vir batterye, wat die tyd verminder dat hulle in 'n onderlaaistand bly, en dus die batteryleeftyd aansienlik verleng.
• Vermindering in die benodigde batteriekapasiteit. Aangesien die waarskynlikheid dat sowel wind as sonnie gelyktydig onbeskikbaar is, laag is, kan die stelsel dikwels direk die belasting krag voorsien, wat die gebruik van 'n kleiner kapasiteitsbatteriebank toelaat.
• Binnelandse en buitelandse studies bevestig dat hibriede wind-sonnestelsels bo eengeslagskragopwekkingstelsels uitsteek in beide kragvoorsieningbetroubaarheid en leeftydkosteeffektiwiteit.

​1.3 Nadele van Bestaande Ontwerpmetodes en die Voorgestelde Oplossing​

Huidige stelselontwerp ervaar uitdagings. Vakprofiel simulasiesagteware van buiteland is duur, en hul kernmodelle is dikwels vertroulik, wat wydverspreide aanvaarding belemmer. Terselfdertyd is die meeste vereenvoudigde ontwerpmetodes onvoldoende – of hulle is te veel afhanklik van meteorologiese gemiddeldes en ignoreer detail, of hulle gebruik lineêre vereenvoudigde modelle wat gevolglik beperkte akkuraatheid en swak toepasbaarheid het.

Hierdie oplossing poog om 'n stel akkurate en praktiese rekenaarondersteunde ontwerpmetodologieë voor te stel om die bogenoemde kwessies aan te spreek.

​II. Stelselkomposisie en Kern Tegniese Modelle​

​2.1 Stelselargitektuur​

Die hibriede wind-sonnekragopwekkingstelsel wat in hierdie oplossing ontwerp is, is 'n volledig selfstandige off-grid stelsel, sonder rugvalkragbronne soos dieselmotore. Die kernkomponente sluit in:

• ​Kragopwekkingseenheid:​​ Windturbine-generators, PV-array.
• ​Energieopberging en -bestuurseenheid:​​ Batteriebank, laadbestuurder (vir bestuur van laai en ontlading).
• ​Beskerming en -omsettingseenheid:​​ Afdwaalbelasting (verhoed batterieoverlaai, beskerm inverter), inverter (omset DC na AC om die meeste belastings te bevredig).
• ​Kragverbruikseenheid:​​ Belasting.

​2.2 Akkurate Kragopwekkingberekeningsmodelle​

Vir geoptimaliseerde ontwerp het ons akkurate urelikse kragopwekkingberekeningsmodelle opgestel.

• ​PV Array Model:​​
1. ​Sonnebestraalingstransposisie:​​ Gebruik 'n gevorderde anisotrope hemelverspreidingsmodel om horisontale sonnestraaldata gemeten deur weerstasies akkuraat te transponeer na die straalinslag op die gekantelde oppervlak van die PV-module, algehele oorweging van direkte straalstraal, hemelverspreide straal, en grondreflekteerde straal.
2. ​Module Karakterisering Simulasie:​​ Gebruik 'n presiese fisiese model om die nie-lineêre uitsetkenmerke van PV-module te karakteriseer, volledig rekening houdend met die effekte van straal en omgewings temperatuur op module-uitsetspanning en -stroom, wat die akkuraatheid van kragopwekkingberekenings verseker.
• ​Windturbine Model:​​
1. ​Windsnelheidskorreksie:​​ Korrigeer die verwysingshoogte windsnelheid van meteorologiese data na die werklike hubhoogte windsnelheid gebaseer op die eksponensiële wet wat windsnelheidvariasie met hoogte reguleer.
2. ​Kragkromme Passing:​​ Gebruik 'n gegmenteerde funksie (verskillende binomiale vergelykings vir verskillende windsnelheidsintervalle) om hoëakkuraat passing van die turbine se werklike kraguitsetkromme te bewerkstellig, wat akkurate urelikse energieberekenings op basis van windsnelheidsdata moontlik maak.

​2.3 Batterie Dinamiese Kenmerkmodel​

Die batterie is die kernenergieopbergingskomponent, met dinamies veranderende state. Die model fokus hoofsaaklik op:

• ​Toestand van Laai (SOC) Berekening:​​ Dinamies simuleer die batterie se laai en ontlaaiprosesse gebaseer op die verhouding tussen kragopwekking en belastingverbruik by elke tydstap, akkuraat berekening van die oorblywende kapasiteit, terwyl praktyse faktore soos self-ontlaidingkoers, laaieffektiwiteit, en inverteerder-effektiwiteit in ag geneem word.
• ​Laaiontlaaibestuur:​​ Om die batterieleeftyd te verleng, word 'n redelike SOC-operasiegebied gedefinieer (bv. die maksimum diepgte van ontlading tot 50% beperk), en 'n model wat drafvlakspanning korreleer met SOC en omgewingstemperatuur word opgestel om laaiconstellasies akkuraat te bepaal.

​III. Stelsel Optimalisering en Sizing Metodologie​

​3.1 Kragvoorsiening Betroubaarheid Indikatore​

Die ontwerp gee eerste prioriteit aan die voldoening van die gebruiker se gespesifiseerde kragvoorsiening betroubaarheid vereistes. Kernindikatore sluit in:

• ​Verlies van Kragvoorsiening Waarskynlikheid (LPSP):​​ Die verhouding van stelseluitvaltyd tot die totale evaluasietyd, wat intuïtief die voortdurende voorsiening weerspieël.
• ​Verlies van Belasting Waarskynlikheid (LLP):​​ Die verhouding van die belastingkragbehoeftes wat nie deur die stelsel bevredig word nie tot die totale behoefte. Dit is die mees kritieke kernindikator vir stelseloptimaliseringsontwerp.

​3.2 Stap-vir-stap Optimalisering Ontwerp Proses​

Hierdie oplossing gebruik 'n sistematiese optimaliseringsproses, met die doel om die aanvanklike toerustingbeleggingskoste te minimeer om die optimale konfigurasie te vind.

1. ​Stap 1: Optimaliseer PV en Batterie Konfigurasie vir 'n Vaste Windturbine Kapasiteit​
• ​Kern Taak:​​ Onder die voorwaarde dat die windturbine model en hoeveelheid vasgestel is, vind die kombinasie van PV-module en batteriekapasiteite wat aan die voorafbepaalde betroubaarheidindikaator (LPSP) voldoen en die laagste totale toerustingkoste veroorsaak.
• ​Implementering Metode:​​ Deur middel van simulasieberekenings, plot die "balanskurwe" wat alle PV- en batteriekonfigurasies weerspieël wat aan die betroubaarheidvereiste voldoen. Dan, deur gebruik te maak van die kostetangentmetode of rekenaarpogram-verwerkings op grond van toerustingeenheidpryse, bepaal die unieke optimale kombinasie met die laagste koste.
2. ​Stap 2: Globale Optimalisering deur Verandering van Windturbine Kapasiteit​
• ​Kern Taak:​​ Verander die windturbinekapasiteit of -getal, herhaal die optimaliseringsproses van Stap 1, en verkry 'n reeks optimale konfigurasies en hul ooreenkomstige kostes vir verskillende windturbinekapasiteite.
• ​Laaste Besluit:​​ Vergelyk die totale kostes van al die kandidaatoplossings en kies die wind-PV-batterie kombinasie met die globaal laagste koste as die finale geoptimaliseerde stelselkonfigurasie.

​3.3 Stelsel Prestasie Simulasie en Uitset​

Ná die bepaling van die optimale konfigurasie, kan die stelsel se jaarlikse operasie uur-vir-uur gesimuleer word, met die generering van gedetailleerde verslae insluitend:

• ​Tyd Dimensie:​​ Uurlikse batterietoestand van laai, stelselenergiebalans.
• ​Statistiese Dimensie:​​ Dageliks/maandeliks/jaarlikse onbevredigde belastingenergie, betroubaarheidindikatore (LPSP, LLP), wind/sonne kragopwekking deelname, energieoverskoot en -tekort situasies, ens.

​IV. Gevolgtrekking​

Die geoptimaliseerde ontwerpmetode vir hibriede wind-sonnekragopwekkingstelsels wat in hierdie oplossing voorgestel word, gebaseer op omvattende wiskundige modelle en akkurate plaaslike meteorologiese data, kan uniek die stelselkonfigurasie bepaal met die minimum aanvanklike toerustingbeleggingskoste terwyl spesifieke gebruiker elektrisitebehoeftes en kragvoorsiening betroubaarheid vereistes bevredig. Hierdie metode adresseer effektief die nadele van eengeslagskragopwekkingstelsels, oorkom die beperkings van bestaande ontwerpbenaderings, en verskaf 'n kragtige instrument vir die wetenskaplike, effektiewe, en ekonomiese ontwerp van hibriede wind-sonnekragopwekkingstelsels, wat aansienlike waarde vir ingenieurs-toepassings het.