Хибридна система за оптимизация на вятърно-слънчева енергия: Комплексно решение за проектиране за оф-грид приложения

1. Въведение и контекст

1.1 Предизвикателства на системите за едноизточниково производство на енергия

Традиционните самостоятелни фотovoltaични (PV) или ветроенергийни системи имат вродени недостатъци. Производството на PV енергия е влияето от дневните цикли и климатичните условия, докато производството на ветроенергия се основава на нестабилни ветрови ресурси, което води до значителни колебания в изходящата мощност. За да се осигури непрекъснато снабдяване с електроенергия, са необходими големи капацитети батерии за съхранение и балансиране на енергията. Обачно, батериите, подлагани на чести цикли зареждане-разтоварване, могат да остават в продължително недозареждане при тежки условия на работа, което води до практическия срок на ползване, който е много по-къс от теоретичния. Още по-критично, високата цена на батериите означава, че общата им стойност през целия жизнен цикъл може да достигне или дори надхвърли цената на самите PV модули или вятърните турбини. Следователно, удължаването на срока на ползване на батериите и намаляването на разходите за системата са станали основни предизвикателства в оптимизирането на самостоятелни системи за производство на енергия.

1.2 Значителни преимущества на хибридните ветро-солнечни системи за производство на енергия

Хибридната технология за производство на ветро-солнечна енергия ефективно преодолява преразпръскването на едноизточниковите енергийни ресурси, като органично комбинира PV и ветроенергия, две возобновяеми енергийни ресурси. Вятърната и слънчевата енергия показват естествена допълнителност във времето (ден/нощ, сезони): силната слънчева светлина през деня често съвпада с потенциално по-силни ветрове през нощта; добрата слънчева радиация през лятото може да се комбинира с обилни ветрови ресурси през зимата. Тази допълнителност позволява:

• Значително удължаване на ефективното време за зареждане на батериите, намаляване на времето, прекарано в недозареждане, което води до значително удължаване на срока на ползване на батериите.
• Намаляване на необходимата капацитет на батериите. Тъй като вероятността и двата източника да бъдат недостъпни едновременно е ниска, системата често може да снабди непосредствено потребителската нагрузка, позволявайки използването на батерии с по-малък капацитет.
• Домашни и международни изследвания потвърждават, че хибридните ветро-солнечни системи надминават системите за едноизточниково производство на енергия както по надеждността на снабдяването, така и по икономичността през целия жизнен цикъл.

1.3 Недостатъци на съществуващите методи за проектиране и предлагано решение

Сегашното проектиране на системите среща предизвикателства. Профессионалните симулационни софтуерни продукти от чужбина са скъпи, а техните основни модели често са конфиденциални, което затруднява широкото им приложение. Междувременно, повечето опростени методи за проектиране са недостатъчни - или се опират прекомерно на метеорологични средни стойности, игнорирайки детайлите, или използват линейни опростени модели, които водят до ограничена точност и лоша приложимост.

Това решение целите да предложи набор от точни и практични компютърни методи за помощ при проектирането, за да се справи с гореспоменатите проблеми.

II. Състав на системата и основни технически модели

2.1 Архитектура на системата

Хибридната ветро-солнечна система за производство на енергия, проектирана в това решение, е напълно самостоятелна изолирана система, без резервни източници на енергия, като дизелови генератори. Основните компоненти включват:

• Единица за производство на енергия: Вятърни турбини, PV масив.
• Единица за съхранение и управление на енергията: Батерии, контролер за зареждане (за управление на зареждането и разтоварването).
• Единица за защита и преобразуване: Отклоняваща се нагрузка (предотвратява прекомерно зареждане на батериите, защитава инвертора), инвертор (преобразува DC в AC, за да отговаря на повечето потребности на нагрузката).
• Единица за потребителска нагрузка: Нагрузка.

2.2 Точни модели за изчисление на производството на енергия

За да се постигне оптимизирано проектиране, сме установили точни часови модели за изчисление на производството на енергия.

• Модел на PV масива:
1. Прехвърляне на слънчевата радиация: Използва се напреднал анизотропен модел на дифузната слънчева радиация, за да се прехвърли горизонталната слънчева радиация, измерена от метеорологичните станции, към радиацията, падаща върху наклонената повърхност на PV модулите, като се вземат предвид директната радиация, дифузната радиация от небето и радиацията, отразена от земята.
2. Симулация на характеристиките на модулите: Използва се точен физически модел, за да се характеризира нелинейната изходна характеристика на PV модулите, като се вземат предвид ефектите на радиацията и температурата на околната среда върху изходната напрежение и ток на модулите, за да се гарантира точността на изчисленията на производството на енергия.
• Модел на вятърната турбина:
1. Корекция на скоростта на вятъра: Коригира се референтната скорост на вятъра от метеорологичните данни до действителната скорост на вятъра на върха на турбината, използвайки експоненциалния закон за вариацията на скоростта на вятъра с височината.
2. Подбор на кривата на мощността: Използва се сегментирана функция (различни биномни уравнения за различни интервали на скоростта на вятъра) за високоточен подбор на действителната крива на изходната мощност на турбината, позволявайки точни часови изчисления на енергията, основавайки се на данни за скоростта на вятъра.

2.3 Динамичен модел на характеристиките на батериите

Батерията е основен компонент за съхранение на енергия, с динамично променящи се състояния. Моделът се фокусира главно върху:

• Изчисление на състоянието на зареждане (SOC): Динамично симулира процесите на зареждане и разтоварване на батерията, основавайки се на връзката между производството на енергия и потребителската нагрузка във всеки момент, за да се изчисли точно остатъчната капацитет, като се вземат предвид практически фактори като скоростта на само-разтоварване, ефективността на зареждането и ефективността на инвертора.
• Управление на зареждането и разтоварването: За да се удължи срока на ползване на батериите, се дефинира разумен диапазон на SOC (например, ограничаване на максималната дълбочина на разтоварване до 50%), и се създава модел, свързващ напрежението на плаващо зареждане с SOC и температурата на околната среда, за да се определят точно условията за зареждане.

III. Методология за оптимизация и размерене на системата

3.1 Индикатори за надеждността на снабдяването с енергия

Проектирането дава приоритет на удовлетворяването на конкретните изисквания на потребителите за надеждността на снабдяването с енергия. Ключовите индикатори включват:

• Вероятност за загуба на снабдяването с енергия (LPSP): Соотношението между времето на спиране на системата и общото време на оценка, което интуитивно отразява непрекъснатостта на снабдяването.
• Вероятност за загуба на нагрузката (LLP): Соотношението между неудовлетворената потребност на нагрузката и общата потребност. Това е най-важният ключов индикатор за оптимизирано проектиране на системата.

3.2 Постепенен процес на оптимизирано проектиране

Това решение използва систематичен оптимизационен процес, с цел да се минимизират началните инвестиционни разходи за оборудването, за да се намери оптималната конфигурация.

1. Стъпка 1: Оптимизация на конфигурацията на PV и батерии при фиксирана капацитет на вятърната турбина
• Основна задача: При условие, че моделът и броят на вятърните турбини са фиксирани, да се намери комбинацията от капацитета на PV модулите и батериите, която отговаря на предварително определените индикатори за надеждност (LPSP) и води до най-ниската общa стойност на оборудването.
• Метод за изпълнение: Чрез симулационни изчисления, се начертава "балансна крива", представляваща всички конфигурации на PV и батерии, които отговарят на изискването за надеждност. След това, използвайки метода на допирателната към цената или избор на компютърна програма, основан на единичните цени на оборудването, се определя уникалната оптимална комбинация с най-ниската стойност.
2. Стъпка 2: Глобална оптимизация чрез промяна на капацитета на вятърната турбина
• Основна задача: Промяна на капацитета или броя на вятърните турбини, повторение на оптимизационния процес от Стъпка 1, и получаване на серия от оптимални конфигурации и техните съответстващи стойности за различни капацитети на вятърните турбини.
• Финално решение: Сравнение на общите стойности на всички кандидатски решения и избор на комбинацията вятър-PV-батерии с глобално най-ниската стойност като финална оптимална конфигурация на системата.

3.3 Симулация и изход на производствените показатели на системата

След определянето на оптималната конфигурация, годишната операция на системата може да бъде симулирана час по час, пораждайки подробни доклади, включващи:

• Времево измерение: Часово състояние на зареждане на батериите, баланс на енергията на системата.
• Статистическо измерение: Дневна/месечна/годишна неудовлетворена енергия на нагрузката, индикатори за надеждност (LPSP, LLP), дял на вятърната и слънчевата енергия, ситуации на излишъци и недостиг на енергия, и т.н.

IV. Заключение

Предложената оптимизирана методология за проектиране на хибридни ветро-солнечни системи за производство на енергия, основана на комплексни математически модели и точни местни метеорологични данни, може уникално да определи конфигурацията на системата с най-ниската начална инвестиционна стойност на оборудването, докато удовлетворява конкретните потребности на потребителите за електроенергия и изискванията за надеждност на снабдяването. Този метод ефективно преодолява недостатъците на системите за едноизточниково производство на енергия, преодолява ограниченията на съществуващите методи за проектиране и предоставя мощен инструмент за научно, ефективно и икономично проектиране на хибридни ветро-солнечни системи за производство на енергия, което има значителна стойност за инженерните приложения.