Sistema d'Optimització Híbrid d'Energia Eòlica i Solar Una Solució de Disseny Complet per a Aplicacions Off-Grid

1. Introducció i antecedents

1.1 Desafiaments dels sistemes de generació d'energia d'una sola font

Els sistemes tradicionals de generació fotovoltaica (PV) o eòlica tenen desavantatges inherents. La generació fotovoltaica està afectada pels cicles diurns i les condicions meteorològiques, mentre que la generació eòlica depèn de recursos de vent instables, provocant fluctuacions significatives en la producció d'energia. Per assegurar un subministrament d'energia continu, són necessaris bancs de bateries de gran capacitat per a l'emmagatzematge i el balanç d'energia. No obstant això, les bateries que es carreguen i descarreguen freqüentment estan propenses a romandre en un estat de subcarrega durant períodes prolongats en condicions d'operació severes, resultant en una vida útil pràctica molt més curta que el valor teòric. Més críticament, el cost elevat de les bateries significa que el seu cost total al llarg de la vida podria acostar-se o fins i tot superar el cost dels mòduls PV o els aerogeneradors mateixos. Per tant, allargar la vida útil de les bateries i reduir els costos del sistema han esdevingut els reptes principals en l'optimització dels sistemes autònoms d'energia.

1.2 Avantatges significatius de la generació híbrida eòlico-fotovoltaica

La tecnologia de generació híbrida eòlico-fotovoltaica supera eficientment la intermitència d'una única font d'energia combinant orgànicament dos recursos renovables, la energia fotovoltaica i la eòlica. L'energia eòlica i solar mostren una complementaritat natural en el temps (dia/noche, estacions): la forta il·luminació solar durant el dia sovint coincideix amb vents potencialment més forts durant la nit; la bona irradiació solar en estiu pot combinar-se amb recursos eòlics abundants en hivern. Aquesta complementaritat permet:

• Una extensió significativa del temps efectiu de càrrega de les bateries, reduint el temps que passen en un estat de subcarrega, ampliant substancialment la vida útil de les bateries.
• Una reducció de la capacitat requerida de les bateries. Com que la probabilitat que tant l'energia eòlica com la solar no estiguin disponibles simultàniament és baixa, el sistema pot sovint alimentar directament la càrrega, permetent l'ús d'un banc de bateries de menor capacitat.
• Els estudis nacionals i internacionals confirman que els sistemes híbrids eòlico-solar superen els sistemes de generació d'una sola font en fiabilitat del subministrament d'energia i eficiència del cost al llarg de la vida.

1.3 Defectes dels mètodes de disseny existents i la solució proposada

El disseny actual del sistema enfronta reptes. El software de simulació professional estranger és car, i els seus models bàsics sovint són confidencials, dificultant la seva adopció generalitzada. Alhora, la majoria dels mètodes de disseny simplificats són insuficients, ja sigui perquè es basen excessivament en mitjanes meteorològiques ignorant detalls, o perquè utilitzen models lineals simplificats que limiten la precisió i la aplicabilitat.

Aquesta solució pretén proposar un conjunt de metodologies de disseny assistit per ordinador precisos i pràctics per abordar aquests problemes.

II. Composició del sistema i models tècnics fonamentals

2.1 Arquitectura del sistema

El sistema de generació híbrida eòlico-fotovoltaica dissenyat en aquesta solució és un sistema complet autònom sense xarxa, sense fonts de subministrament de reserva com generadors diesel. Les components principals inclouen:

• Unitat de generació d'energia: Aerogeneradors, matxissos fotovoltaics.
• Unitat d'emmagatzematge i gestió d'energia: Banc de bateries, controlador de càrrega (per gestionar la càrrega i descàrrega).
• Unitat de protecció i conversió: Càrrega de desviació (evita la sobrecàrrega de les bateries, protegeix l'inversor), inversor (converteix CC a CA per satisfer la majoria de requisits de càrrega).
• Unitat de consum d'energia: Càrrega.

2.2 Models de càlcul de generació d'energia precisa

Per assolir un disseny optimitzat, hem establert models de càlcul de generació d'energia horaris precisos.

• Model de matxissos fotovoltaics:
1. Transposició de radiació solar: Utilitza un model avançat de difusió anisotròpica del cel per transposar de manera precisa les dades de radiació solar horitzontal mesurades per les estacions meteorològiques a la radiació incident sobre la superfície inclinada dels mòduls PV, considerant exhaustivament la radiació directa, la radiació difusa del cel i la radiació reflectida pel sòl.
2. Simulació de les característiques del mòdul: Emplea un model físic precís per caracteritzar les característiques de sortida no lineals dels mòduls PV, comptant plenament amb els efectes de la irradiancia i la temperatura ambiental en la tensió i corrent de sortida del mòdul, assegurant la precisió dels càlculs de generació d'energia.
• Model d'aerogenerador:
1. Correcció de la velocitat del vent: Corrigeix la velocitat del vent de referència dels dades meteorològiques a la velocitat real del vent a l'altura del hub basant-se en la llei exponencial que regula la variació de la velocitat del vent amb l'altura.
2. Ajust de la corba de potència: Utilitza una funció segmentada (equacions binomials diferents per intervals de velocitat del vent diferents) per aconseguir un ajust de precisió elevada de la corba de potència de sortida real del turbin, permetent un càlcul horari precís de l'energia basat en les dades de velocitat del vent.

2.3 Model de característiques dinàmiques de les bateries

La bateria és el component central d'emmagatzematge d'energia, amb estats que canvien dinàmicament. El model es centra principalment en:

• Càlcul de l'estat de càrrega (SOC): Simula dinàmicament els processos de càrrega i descàrrega de la bateria basant-se en la relació entre la generació d'energia i el consum de càrrega en cada pas de temps, calculant de manera precisa la capacitat restant, tenint en compte factors pràctics com la taxa de descàrrega automàtica, l'eficiència de càrrega i l'eficiència de l'inversor.
• Gestió de la càrrega i descàrrega: Per allargar la vida útil de la bateria, es defineix un rang operatiu raonable de SOC (per exemple, limitant la profunditat màxima de descàrrega al 50%), i s'estableix un model que correlaciona la tensió de flotació amb el SOC i la temperatura ambiental per determinar de manera precisa les condicions de càrrega.

III. Metodologia d'optimització i dimensionament del sistema

3.1 Indicadors de fiabilitat del subministrament d'energia

El disseny prioritza la satisfacció dels requisits de fiabilitat del subministrament d'energia especificats per l'usuari. Els indicadors clau inclouen:

• Probabilitat de pèrdua del subministrament d'energia (LPSP): La raó entre el temps d'interrupció del sistema i el temps total d'avaluació, reflectint intuïtivament la continuitat del subministrament.
• Probabilitat de pèrdua de càrrega (LLP): La raó entre la demanda de potència de càrrega no satisfera pel sistema i la demanda total. És l'indicador central més crític per al disseny d'optimització del sistema.

3.2 Processos d'optimització de disseny pas a pas

Aquesta solució adopta un procés d'optimització sistemàtic, amb l'objectiu de minimitzar el cost inicial d'inversió en equips per trobar la configuració òptima.

1. Pas 1: Optimitzar la configuració de PV i bateries per a una capacitat fixa d'aerogeneradors
• Tasca principal: Amb el model i la quantitat d'aerogeneradors fixes, trobar la combinació de capacitats de mòduls PV i bateries que compleixi l'indicador de fiabilitat preestablert (LPSP) i resulti en el cost total d'equipament més baix.
• Mètode d'implementació: A través de càlculs de simulació, es dibuixa la "corba d'equilibri" que representa totes les configuracions de PV i bateries que compleixen el requisit de fiabilitat. Després, utilitzant el mètode de la tangent de cost o la selecció de programari informàtic basada en els preus unitaris dels equips, es determina la combinació òptima única amb el cost més baix.
2. Pas 2: Optimització global variat la capacitat d'aerogeneradors
• Tasca principal: Canviar la capacitat o el nombre d'aerogeneradors, repetir el procés d'optimització del Pas 1, i obtenir una sèrie de configuracions òptimes i els seus costos corresponents per a diferents capacitats d'aerogeneradors.
• Decisió final: Comparar els costos totals de totes les solucions candidates i seleccionar la combinació eòlica-PV-bateria amb el cost global més baix com a configuració final òptima del sistema.

3.3 Simulació i sortida del rendiment del sistema

Després de determinar la configuració òptima, es pot simular l'operació anual del sistema hora per hora, generant informes detallats que inclouen:

• Dimensió temporal: Estat de càrrega de la bateria hora a hora, balanç energètic del sistema.
• Dimensió estadística: Energia de càrrega no satisfera diària/mensual/anual, indicadors de fiabilitat (LPSP, LLP), quota de generació d'energia eòlica/solar, situacions d'excedents i deficients d'energia, etc.

IV. Conclusió

El mètode de disseny optimitzat per a sistemes de generació híbrida eòlico-fotovoltaica proposat en aquesta solució, basat en models matemàtics comprehensius i dades meteorològiques locals precises, pot determinar de manera única la configuració del sistema amb el cost inicial d'inversió en equips més baix, mentre satisfa les demandes específiques d'electricitat de l'usuari i els requisits de fiabilitat del subministrament d'energia. Aquest mètode resol eficientment els defectes dels sistemes de generació d'una sola font, supera les limitacions dels mètodes de disseny existents, i proporciona una eina potent per al disseny científic, eficient i econòmic de sistemes de generació híbrida eòlico-fotovoltaica, amb un valor significatiu per a les aplicacions enginyeriles.