হাইব্রিড বায়ু-সৌর শক্তি সিস্টেম অপটিমাইজেশন: অফ-গ্রিড অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি সম্পূর্ণ ডিজাইন সমাধান

1. পরিচিতি এবং পটভূমি

১.১ একক উৎস বিদ্যুৎ উৎপাদন পদ্ধতির সমস্যা

প্রাচীন স্ব-নির্ভরশীল ফোটোভোলটাইক (PV) বা বাতাসের শক্তি উৎপাদন পদ্ধতিগুলো অন্তর্নিহিত দৈনন্দিন চক্র এবং আবহাওয়ার প্রভাবে প্রভাবিত হয়। PV বিদ্যুৎ উৎপাদন দৈনন্দিন চক্র এবং আবহাওয়ার পরিস্থিতির উপর নির্ভরশীল, অন্যদিকে বাতাসের শক্তি উৎপাদন অনিশ্চিত বাতাসের সূত্রগুলোর উপর নির্ভরশীল, যা শক্তি উৎপাদনে বিশাল পরিমাণে পরিবর্তন ঘটায়। অবিচ্ছিন্ন বিদ্যুৎ সরবরাহ নিশ্চিত করার জন্য, বড় ক্ষমতার ব্যাটারি ব্যাংক প্রয়োজন হয় শক্তি সঞ্চয় এবং সামঞ্জস্য বজায় রাখার জন্য। তবে, ব্যাটারি যখন অনেক সময় চার্জ-ডিচার্জ সাইকেল অনুসরণ করে, তখন কঠোর পরিচালনার শর্তাবলী অধীনে দীর্ঘ সময়ের জন্য অপর্যাপ্ত চার্জ অবস্থায় থাকে, যার ফলে বাস্তব সেবা জীবন তাত্ত্বিক মানের চেয়ে অনেক কম হয়। আরও গুরুতরভাবে, ব্যাটারির উচ্চ খরচের কারণে তাদের মোট জীবনচক্র খরচ PV মডিউল বা বাতাসের টারবাইন নিজেদের খরচের সমান হতে পারে বা তার বেশি হতে পারে। সুতরাং, ব্যাটারি জীবনকাল বढ়ানো এবং সিস্টেম খরচ কমানো স্ব-নির্ভরশীল পাওয়ার সিস্টেম অপটিমাইজেশনের মূল চ্যালেঞ্জ হয়ে উঠেছে।

১.২ সংমিশ্রণ বাতাস-সৌর বিদ্যুৎ উৎপাদনের গুরুত্বপূর্ণ সুবিধা

সংমিশ্রণ বাতাস-সৌর বিদ্যুৎ উৎপাদন প্রযুক্তি দুটি পুনরুৎপাদনযোগ্য শক্তি উৎস, PV এবং বাতাসের শক্তি, কে স্বাভাবিকভাবে সংমিশ্রণ করে একক শক্তি উৎসের অনিশ্চিততা দূর করে। বাতাস এবং সৌর শক্তি সময়ের দিক থেকে (দিন/রাত, ঋতু) একটি স্বাভাবিক পরস্পর সম্পূরক প্রদর্শন করে: দিনে শক্তিশালী সূর্যালোক রাতে শক্তিশালী বাতাসের সাথে মিলিত হয়; গ্রীষ্মে ভাল সৌর বিকিরণ শীতে যথেষ্ট বাতাসের সূত্রগুলোর সাথে মিলিত হয়। এই পরস্পর সম্পূরকতা নিম্নলিখিত সুবিধাগুলো প্রদান করে:

• ব্যাটারির চার্জিং সময় বিশেষভাবে বাড়ানো, ব্যাটারি অপর্যাপ্ত চার্জ অবস্থায় থাকার সময় কমানো, যার ফলে ব্যাটারির সেবা জীবন বিশেষভাবে বাড়ে।
• প্রয়োজনীয় ব্যাটারি ক্ষমতা হ্রাস। যেহেতু বাতাস এবং সৌর শক্তি একই সাথে উপলব্ধ না থাকার সম্ভাবনা কম, সিস্টেম সাধারণত লোড সরাসরি পাওয়ার দিতে পারে, যার ফলে ছোট ক্ষমতার ব্যাটারি ব্যাংক ব্যবহার করা যায়।
• আঞ্চলিক এবং আন্তর্জাতিক গবেষণা স্বীকার্য করে যে, সংমিশ্রণ বাতাস-সৌর সিস্টেমগুলো একক শক্তি উৎপাদন পদ্ধতিগুলোর তুলনায় বিদ্যুৎ সরবরাহের নির্ভরযোগ্যতা এবং জীবনচক্র খরচের দিক থেকে বেশি কার্যকর।

১.৩ বর্তমান ডিজাইন পদ্ধতির অসুবিধা এবং প্রস্তাবিত সমাধান

বর্তমান সিস্টেম ডিজাইনে বিভিন্ন চ্যালেঞ্জ রয়েছে। বিদেশী পেশাদার সিমুলেশন সফটওয়্যার খুব বেশি খরচের এবং তাদের মূল মডেলগুলো অনেক সময় গোপন, যা ব্যাপক ব্যবহারের পথ বাধা দেয়। অন্যদিকে, বেশিরভাগ সরলীকৃত ডিজাইন পদ্ধতিগুলো অপর্যাপ্ত—এগুলো বেশিরভাগ সময় আবহাওয়ার গড় মানের উপর নির্ভর করে বিস্তারিত অবহেলা করে, অথবা সরলীকৃত রৈখিক মডেল ব্যবহার করে যা সীমিত সুনিশ্চিততা এবং কম প্রযোজ্যতা দেয়।

এই সমাধানটি উপর্যুক্ত সমস্যাগুলো সমাধান করার জন্য একটি সুনিশ্চিত এবং ব্যবহারিক কম্পিউটার-সহায়ক ডিজাইন পদ্ধতির সেট প্রস্তাব করার উদ্দেশ্যে আসে।

II. সিস্টেমের গঠন এবং মূল প্রযুক্তিগত মডেল

২.১ সিস্টেম আর্কিটেকচার

এই সমাধানে ডিজাইন করা সংমিশ্রণ বাতাস-সৌর বিদ্যুৎ উৎপাদন সিস্টেমটি একটি সম্পূর্ণ স্ব-নির্ভরশীল অফ-গ্রিড সিস্টেম, যাতে ডিজেল জেনারেটর সহ কোনো ব্যাকআপ পাওয়ার সোর্স নেই। মূল উপাদানগুলো হল:

• পাওয়ার জেনারেশন ইউনিট: বাতাসের টারবাইন জেনারেটর, PV অ্যারে।
• শক্তি সঞ্চয় এবং ব্যবস্থাপনা ইউনিট: ব্যাটারি ব্যাংক, চার্জ কন্ট্রোলার (চার্জিং এবং ডিচার্জিং ব্যবস্থাপনা করার জন্য)।
• সুরক্ষা এবং রূপান্তর ইউনিট: বিচ্ছিন্ন লোড (ব্যাটারি অতিরিক্ত চার্জ থেকে রক্ষা করে, ইনভার্টার সুরক্ষা করে), ইনভার্টার (DC থেকে AC রূপান্তর করে সর্বাধিক লোড প্রয়োজন পূরণ করে)।
• পাওয়ার খরচ ইউনিট: লোড।

২.২ সুনিশ্চিত পাওয়ার জেনারেশন গণনা মডেল

অপটিমাইজড ডিজাইন অর্জনের জন্য, আমরা সুনিশ্চিত ঘণ্টার পাওয়ার জেনারেশন গণনা মডেল স্থাপন করেছি।

• PV অ্যারে মডেল:
1. সৌর বিকিরণ ট্রান্সপোজিশন: একটি উন্নত অ-ইসোট্রোপিক স্কাই ডিফিউজ মডেল ব্যবহার করে স্টেশন দ্বারা পরিমাপ করা হরিজন্টাল সৌর বিকিরণ ডেটা টিল্টেড পৃষ্ঠে প্রাপ্ত বিকিরণে সুনিশ্চিতভাবে ট্রান্সপোজ করে, সরাসরি বিম্ব বিকিরণ, স্কাই ডিফিউজ বিকিরণ এবং ভূমি-প্রতিফলিত বিকিরণ সম্পূর্ণ বিবেচনা করে।
2. মডিউল বৈশিষ্ট্য সিমুলেশন: একটি সুনিশ্চিত পদার্থবিজ্ঞান মডেল ব্যবহার করে PV মডিউলের অ-রৈখিক আউটপুট বৈশিষ্ট্য বর্ণনা করে, প্রাপ্ত বিকিরণ এবং পরিবেশের তাপমাত্রার প্রভাব সম্পূর্ণ বিবেচনা করে মডিউল আউটপুট ভোল্টেজ এবং বিদ্যুৎ নির্ভুল গণনা নিশ্চিত করে।
• বাতাসের টারবাইন মডেল:
1. বাতাসের গতিবেগ সংশোধন: বাতাসের গতিবেগের উচ্চতা পরিবর্তনের সূচকীয় আইন অনুসারে আবহাওয়া ডেটা থেকে রেফারেন্স উচ্চতার বাতাসের গতিবেগকে প্রকৃত হাব উচ্চতার বাতাসের গতিবেগে সংশোধন করে।
2. পাওয়ার কার্ভ ফিটিং: বিভিন্ন বাতাসের গতিবেগের ব্যবধানের জন্য বিভিন্ন দ্বিপদী সমীকরণ ব্যবহার করে টারবাইনের প্রকৃত পাওয়ার আউটপুট কার্ভের উচ্চ-নির্ভুল ফিটিং অর্জন করে, বাতাসের গতিবেগ ডেটা অনুসারে ঘণ্টার শক্তি গণনা নির্ভুল করে।

২.৩ ব্যাটারি ডাইনামিক বৈশিষ্ট্য মডেল

ব্যাটারি মূল শক্তি সঞ্চয় উপাদান, যার অবস্থা সাময়িকভাবে পরিবর্তিত হয়। মডেলটি প্রধানত ফোকাস করে:

• চার্জ অব স্টেট (SOC) গণনা: প্রতিটি সময় পদক্ষেপে পাওয়ার জেনারেশন এবং লোড খরচের মধ্যে সম্পর্কের উপর ভিত্তি করে ব্যাটারির চার্জ এবং ডিচার্জ প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণ করে, বাকি ক্ষমতা নির্ভুলভাবে গণনা করে, যার মধ্যে স্ব-ডিচার্জ হার, চার্জিং কার্যকারিতা এবং ইনভার্টার কার্যকারিতা বিবেচনা করা হয়।
• চার্জ-ডিচার্জ ব্যবস্থাপনা: ব্যাটারির জীবনকাল বাড়ানোর জন্য, একটি যুক্তিযুক্ত SOC পরিচালনা পরিসীমা সংজ্ঞায়িত করা হয় (উদাহরণস্বরূপ, সর্বোচ্চ ডিচার্জ গভীরতা ৫০% পর্যন্ত সীমাবদ্ধ করা), এবং SOC এবং পরিবেশের তাপমাত্রার সাথে ফ্লোট চার্জ ভোল্টেজের মধ্যে একটি মডেল স্থাপন করা হয় যা নির্ভুলভাবে চার্জিং শর্ত নির্ধারণ করে।

III. সিস্টেম অপটিমাইজেশন এবং সাইজিং পদ্ধতি

৩.১ পাওয়ার সরবরাহ নির্ভরযোগ্যতা সূচক

ডিজাইন প্রাথমিকভাবে ব্যবহারকারীর নির্দিষ্ট পাওয়ার সরবরাহ নির্ভরযোগ্যতা প্রয়োজনীয়তা মেনে চলে। মূল সূচকগুলো হল:

• পাওয়ার সরবরাহ হার্তালের সম্ভাবনা (LPSP): সিস্টেম বন্ধ থাকার সময় এবং মোট মূল্যায়ন সময়ের অনুপাত, যা সরবরাহের অবিচ্ছিন্নতা প্রতিফলিত করে।
• লোড পাওয়ার প্রয়োজনের হার্তালের সম্ভাবনা (LLP): সিস্টেম দ্বারা পূরণ না হওয়া লোড পাওয়ার প্রয়োজন এবং মোট প্রয়োজনের অনুপাত। এটি সিস্টেম অপটিমাইজেশন ডিজাইনের জন্য সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ মূল সূচক।

৩.২ পদ দ্বারা পদ অপটিমাইজেশন ডিজাইন প্রক্রিয়া

এই সমাধানটি একটি ব্যবস্থাপনা অপটিমাইজেশন প্রক্রিয়া অনুসরণ করে, যার উদ্দেশ্য সরঞ্জামের প্রাথমিক বিনিয়োগ খরচ সর্বনিম্ন করে সর্বোত্তম বিন্যাস খুঁজে পেতে হয়।

1. পদ ১: স্থির বাতাসের টারবাইন ক্ষমতার জন্য PV এবং ব্যাটারি বিন্যাস অপটিমাইজ করা
• মূল কাজ: বাতাসের টারবাইন মডেল এবং পরিমাণ স্থির থাকার শর্তে, প্রাথমিক নির্ভরযোগ্যতা সূচক (LPSP) পূরণ করা এবং সর্বনিম্ন মোট সরঞ্জাম খরচ ফলাফল দেওয়া PV মডিউল এবং ব্যাটারি ক্ষমতার সমন্বয় খুঁজে পেতে।
• প্রয়োগ পদ্ধতি: সিমুলেশন গণনা দ্বারা, নির্ভরযোগ্যতা প্রয়োজনীয়তা পূরণ করা সমস্ত PV এবং ব্যাটারি বিন্যাসের "ব্যালেন্স কার্ভ" প্লট করা। তারপর, সরঞ্জামের একক মূল্য ভিত্তিতে কস্ট ট্যানজেন্ট পদ্ধতি বা কম্পিউটার প্রোগ্রাম ব্যবহার করে সর্বনিম্ন খরচের একক সর্বোত্তম সমন্বয় নির্ধারণ করা।
2. পদ ২: বাতাসের টারবাইন ক্ষমতা পরিবর্তন করে সর্বগ্রাসী অপটিমাইজেশন
• মূল কাজ: বাতাসের টারবাইন ক্ষমতা বা সংখ্যা পরিবর্তন করে, পদ ১-এর অপটিমাইজেশন প্রক্রিয়া পুনরাবৃত্তি করে এবং বিভিন্ন বাতাসের টারবাইন ক্ষমতার জন্য একটি সিরিজ সর্বোত্তম বিন্যাস এবং তাদের সংশ্লিষ্ট খরচ পাওয়া।
• শেষ সিদ্ধান্ত: সমস্ত প্রার্থী সমাধানের মোট খরচ তুলনা করে সর্বগ্রাসী সর্বনিম্ন খরচের বাতাস-PV-ব্যাটারি সমন্বয়টি চূড়ান্ত অপটিমাইজড সিস্টেম বিন্যাস হিসেবে নির্বাচন করা।

৩.৩ সিস্টেম পারফরমেন্স সিমুলেশন এবং আউটপুট

সর্বোত্তম বিন্যাস নির্ধারণ করার পর, সিস্টেমের বার্ষিক পরিচালনা ঘণ্টার ঘণ্টায় সিমুলেশন করা যায়, যা নিম্নলিখিত বিস্তারিত প্রতিবেদন উত্পাদন করে:

• সময় মাত্রা: ঘণ্টার ব্যাটারি চার্জ অব স্টেট, সিস্টেম শক্তি সামঞ্জস্য।
• পরিসংখ্যান মাত্রা: দৈনিক/মাসিক/বার্ষিক অপূর্ণ লোড শক্তি, নির্ভরযোগ্যতা সূচক (LPSP, LLP), বাতাস/সৌর শক্তি উৎপাদনের অংশ, শক্তি অতিরিক্ত এবং ঘাটতির অবস্থা ইত্যাদি।

IV. সারাংশ

এই সমাধানে প্রস্তাবিত সংমিশ্রণ বাতাস-সৌর বিদ্যুৎ উৎপাদন সিস্টেমের অপটিমাইজড ডিজাইন পদ্ধতি, সম্পূর্ণ গাণিতিক মডেল এবং ন