Hibrit Rüzgar-Güneş Enerji Sistemi Optimizasyonu: Ağ Dışı Uygulamalar için kapsamlı bir tasarım çözümü
- Giriş və Fəaliyyət Tarixi
1.1 Tək Mənbəli Elektrik Nəql Sistemi Uğursuzluqları
Tradisiya ilə qoyulmuş fotoelement (PV) və ya şəmal elektrik nəql sistemlərinin özünəməlum cəhətləri var. PV elektrik nəqlində gündəlik dövr və hava şəraitinə asılılıq, əksər şəmal elektrik nəqlində isə sabit olmayan şəmal mənbəyinə asılılıq, elektrik nəqlinin böyük dalgalanmalarına səbəb olur. Daimi elektrik təminatı üçün, enerjinin saxlanılması və müzakirəsi üçün böyük kapasiteli akkumulyator bankları lazımdır. Amma çox zəif işləmə şəraitində tez-tez şarj-çəkarış dövrləri keçirən akkumulyatorlar uzun müddət az şarjda qalmağa meyllidirlər, bu da praktiki xidmət ömrünü teorik dəyərdən daha az edir. Həmçinin, akkumulyatorların yüksək qiyməti onların ümumi dövr maliyyəsini PV modullarının və ya şəmal turbinlərinin özünlərindən yaxınlaşdır və hətta aşa bilər. Bu səbəbdən, akkumulyatorların ömrünü uzadırmaq və sistem maliyyəsini azaltmaq, tək mənbəli sistemlərin optimallaşdırılmasındakı əsas çətinliklər halına gəlir.
1.2 Hibrit Şəmal-Güneş Elektrik Nəqlinin Qeyri-adi Avantajları
Hibrit şəmal-güneş elektrik nəql texnologiyası, iki bərpa edilə bilən enerji mənbələri olan PV və şəmal enerjisini organik bir formada birləşdirərək, tək enerji mənbələrinin ara-aralığından effektiv olaraq qurtula bilir. Şəmal və güneş enerjisi zaman (gündüz/gecə, mövsüm) itibarı ilə natural bir tamamlayıcılıq göstərir: gündüz qüvvətli günəş işığı, gecə isə potensial olaraq daha qüvvətli şəmal; yazda yaxşı günəş işığının, qışda isə boluq şəmal mənbələrinin olması. Bu tamamlayıcılıq:
- Akkumulyatorların effektiv şarjlanma vaxtını əhəmiyyətli dərəcədə uzadır, az şarjda qalan vaxtını azaldır, bu da akkumulyatorların xidmət ömrünü əhəmiyyətli dərəcədə uzadır.
- Talantlı akkumulyator kapasitesinin azalmasını təmin edir. Çünki hem şəmal, hem də güneşin eyni zamanda mövcud olmaması ehtimalı aşağıdır, sistem çox vaxt yükü doğrudan təmin edə bilir, ki, bu da kiçik kapasiteli akkumulyator banklarının istifadəsinə imkan verir.
- İç və xarici araştırmalar, hibrit şəmal-güneş sistemlərinin, tək mənbəli elektrik nəql sistemlərinə nisbətən, hem elektrik təminatının etibarlılığı, hem də dövr maliyyəsinin etibarlılığında üstünlük olduğunu təsdiq edir.
1.3 Mövcud Dizayn Metodlarının Kəsiri və Təklif Olunan Həll
Cari sistem dizaynı çətinliklərə görür. Xarici profesional simulyasiya proqramları pahalıdır və onların əsas modeli genelliklə sirli qalır, bu da onların geniş yayılmasına mane olur. Eyni zamanda, əksər sadələşdirilmiş dizayn metodları yetərsizdir - ya meteoroloji ortalamalara çox asılı olurlar və detalları nəzərə almırlar, ya da xətti sadələşdirilmiş model lərə dayanırlar, bu da dəqiqliyin və uyğunluğun sınırlı olmasını təmin edir.
Bu həll, yuxarıda qeyd edilən problemləri həll etmək üçün dəqiq və praktiki kompüter kimi dizayn metodlarını təklif etməyi hədəfləyir.
II. Sistem Komponentləri və Əsas Texniki Modellər
2.1 Sistem Arxitekturu
Bu həllə dizayn edilən hibrit şəmal-güneş elektrik nəql sistemi, dieseldən ibarət təqaüdət enerji mənbələri olmadan tamamilə tək mənbəlidir. Əsas komponentlər aşağıdakılardır:
- Enerji Üretim Vahidi: Şəmal turbinləri, PV massivi.
- Enerji Saxlama və İdarəetmə Vahidi: Akkumulyator bankı, şarj idarəçisi (şarjlanma və çəkarışın idarə edilməsi).
- Koruma və Dəyişdiricilik Vahidi: Ayırıcı yük (akkumulyatorun aşırı şarjlanmasını önələr, inversora himayə edir), inverter (DC-ni AC-ə çevirir, çoxsaylı yük tələblərinə cavab verir).
- Enerji Istifadə Vahidi: Yük.
2.2 Dəqiq Enerji Üretim Kalkulyasiya Modelləri
Optimallaşdırılmış dizayn üçün saatlıq dəqiq enerji ürənən kalkulyasiya modelləri quruldu.
- PV Massivi Modeli:
- Güneş İşığı Transpozisiyası: İleri anizotropik göy diffuz modeli, meteoroloji stansiyalar tərəfindən ölçülən yatay günəş işığı məlumatlarını, PV panelin eğilmiş səthinə düşən işığa dəqiq transpozisya edir, düz məhvələr, göy diffuz işığı və zəminin təsvir etdiyi işığı nəzərə alır.
- Modul Xüsusiyyətlərinin Simulyasiyası: Dəqiq fiziki model, PV modullarının xətti olmayan çıxış xüsusiyyətlərini simulyasiya edir, izlənilmiş işiq və hava temperaturunun modulun çıxış voltajı və cərəyanı üzərindəki təsirini nəzərə alır, enerji ürənən kalkulyasiyaların dəqiqliyini təmin edir.
- Şəmal Turbin Modeli:
- Şəmal Sürətinin Təkmilləşdirilməsi: Meteoroloji məlumatlardan əldə edilən referans hündürlükdəki şəmal sürətini, hündürlüklə əlaqədə olan şəmal sürətinin eksponensial qanunu əsasında faktiki hub hündürlükdəki şəmal sürətinə dəyişir.
- Quvvə Kəsrinin Anlaşdırılması: Segmentləşdirilmiş funksiya (fərqli şəmal sürət aralıkları üçün fərqli binomial tənliklər) ilə turbinin faktiki quvvə çıxış qarisasına yüksək dəqiqliklə uyğunlaşmaq, şəmal sürəti məlumatlarına əsasən saatlıq enerji hesablamasını dəqiq etməyə imkan verir.
2.3 Akkumulyator Dinamik Xüsusiyyətləri Modeli
Akkumulyator, dinamik dəyişən vəziyyətli əsas enerji saxlama komponentidir. Model əsasən aşağıdakı məsələlərə diqqət yetirir:
- Şarj Dərəcəsi (SOC) Hesabı: Hər bir addımda enerji ürənən və yük istifadəsi arasındakı əlaqəyə əsasən, akkumulyatorun şarjlanma və çəkarış proseslərini dinamik simulyasiya edir, qalan kapasitəni dəqiq hesablayır, öz-sharjlanma sürəti, şarjlanma effektivliyi və inversor effektivliyi kimi praktiki amilləri nəzərə alır.
- Şarj-Çəkarış İdarəetməsi: Akkumulyatorun ömrünü uzadırmaq üçün, münasib bir SOC fəaliyyət aralığı (məsələn, maksimum boşalma dərəcəsini %50-a limitləyir) təyin edilir və SOC və hava temperaturu ilə flot şarj voltajı arasındakı əlaqənin modeli, şarj şərtlərini dəqiq təyin etmək üçün qurulur.
III. Sistem Optimallaşdırılması və Ölçüsü Alınması Metodologiyası
3.1 Elektrik Təminatının Etibarlılığı Indikatorları
Dizayn, istifadəçinin təyin etdiyi elektrik təminatının etibarlılığı tələblərini ödəməyə öncəlik verir. Əsas indikatorlar aşağıdakılardır:
- Elektrik Təminatının İtirilmə Ehtimalı (LPSP): Sistem çöküş vaxtı və ümumi qiymətləndirmə vaxtı arasındakı nisbət, təminatın davamlılığını intuisitiv şəkildə göstərir.
- Yükün İtirilmə Ehtimalı (LLP): Sistem tərəfindən qarşılanmayan yük enerji tələblərinin ümumi tələblərə nisbəti. Bu, sistem optimallaşdırılması dizayn üçün ən vacib əsas göstəricidir.
3.2 Adım-adım Optimallaşdırma Dizayn Prosesi
Bu həll, sistem cihazlarının başlangıç investisiya maliyyəsini minimuma endirmək hüdudunda sistematik optimallaşdırma prosesini tətbiq edir.
- Adım 1: Sabit Şəmal Turbin Kapasitəsi Üçün PV və Akkumulyator Konfiqurasiyasını Optimallaşdırmaq
- Əsas Tapşırıq: Şəmal turbin modeli və sayı sabit olduğunda, təyin olunan etibarlılık göstəricisi (LPSP) və ən aşağı ümumi cihaz maliyyəsi olan PV modulu və akkumulyator kapasitələrinin kombinasyonunu tapmaq.
- Tətbiq Metodu: Simulyasiya hesablamaları vasitəsilə, etibarlılıq tələbindən keçən bütün PV və akkumulyator konfiqurasiyalarını təmsil edən "balans qarisasını" qurun. Sonra, cihaz birim qiymətlərinə əsasən maliyyə teğəkli metodu və ya kompüter proqramı seçimi ilə, ən aşağı maliyyəli unikal optimal kombinasyonu müəyyən edin.
- Adım 2: Şəmal Turbin Kapasitəsini Dəyişdirərək Global Optimallaşdırma
- Əsas Tapşırıq: Şəmal turbin kapasitəsini və ya sayını dəyişdirin, Adım 1-in optimallaşdırma prosesini təkrarlayın və fərqli şəmal turbin kapasitələri üçün bir sıra optimal konfiqurasiyalar və onların məsuliyyətli maliyyələrini əldə edin.
- Nihai Qərar: Bütün aday həlllərin ümumi maliyyələrini müqayisə edin və global ən aşağı maliyyəli şəmal-PV-akkumulyator kombinasyonunu nihai optimallaşdırılmış sistem konfiqurasiyası kimi seçin.
3.3 Sistem Performansının Simulyasiya və Çıxışı
Optimal konfiqurasiya müəyyən olduktan sonra, sistemın illik fəaliyyəti saat-saat simulyasiya edilə bilər, detallı hesabatlar yaradılır, bunlar daxil olmaqla:
- Vaxt Boyutu: Saatlıq akkumulyator şarj dərəcəsi, sistem enerji balansı.
- Statistik Boyut: Gündəlik/aylıq/illik qarşılanmayan yük enerjisi, etibarlılıq göstəriciləri (LPSP, LLP), şəmal/güneş enerji ürənən payı, enerji artığı və eksikliyi və s.
IV. Nəticə
Bu həlldə təklif olunan hibrit şəmal-güneş elektrik nəql sistemlərinin optimallaşdırılmış dizayn metodu, kompleks matematik modellər və dəqiq yerli meteoroloji məlumatlar əsasında, konkret istifadəçi elektrik tələblərini və elektrik təminatının etibarlılığını ödəyərkən, ən aşağı başlangıç cihaz investisiya maliyyəsinə malik sistem konfiqurasiyasını unikal olaraq müəyyən edə bilər. Bu metod, tək mənbəli elektrik nəql sistemlərinin kəsirlərini effektiv şəkildə həll edir, mövcud dizayn yanaşmalarının məhdudiyyətlərini aşır və hibrit şəmal-güneş elektrik nəql sistemlərinin elmi, effektiv və ekonomik dizaynına güclü bir vasitə təmin edir, mühəndislik tətbiqləri üçün əhəmiyyətli dəyərə malikdir.
