Optimalizace hybridního systému větrně-slapové energie: Komplexní návrh řešení pro mimořídkové aplikace
- Úvod a pozadí
1.1 Výzvy jednozdrojových systémů pro výrobu elektřiny
Tradiční samostatné fotovoltaické (PV) nebo větrné systémy pro výrobu elektřiny mají vrozené nedostatky. PV výroba elektřiny je ovlivněna denními cykly a počasím, zatímco větrná výroba elektřiny se spoléhá na nestabilní větrné zdroje, což vedou k výrazným fluktuacím výkonu. Pro zajištění neustálého dodávání energie jsou nutné velké bateriové banky pro ukládání a vyrovnávání energie. Avšak baterie, které procházejí častými cykly nabíjení a vybíjení, mohou dlouhou dobu zůstat v podnabitém stavu za tvrdých provozních podmínek, což vede k praktickému životnosti, která je mnohem kratší než teoretická hodnota. Kritičtěji, vysoká cena baterií znamená, že jejich celoživotní náklady mohou přiblížit nebo dokonce překonat cenu samotných PV modulů nebo větrných turbín. Proto prodloužení životnosti baterií a snížení nákladů systému se stalo jádrem výzev při optimalizaci samostatných energetických systémů.
1.2 Významné výhody hybridní větrné-slněční výroby elektřiny
Hybridní technologie větrné-slněční výroby elektřiny efektivně překonává intermitenci jednozdrojových zdrojů tím, že organicky kombinuje dva obnovitelné zdroje energie - sluneční a větrnou. Sluneční a větrná energie ukazují přirozenou komplementaritu v čase (den/noční, roční období): silné sluneční světlo během dne často souvisí s potenciálně silnějšími větry v noci; dobré sluneční záření v létě může být spojeno s hojnými větrnými zdroji v zimě. Tato komplementarita umožňuje:
- Značné prodloužení efektivní doby nabíjení baterií, snížení doby, kterou stráví v podnabitém stavu, což výrazně prodlužuje životnost baterií.
- Snížení požadované kapacity baterií. Protože pravděpodobnost, že oba zdroje budou současně nedostupné, je nízká, může systém často přímo napájet zátěž, což umožňuje použití menší kapacity bateriové banky.
- Domecké a mezinárodní studie potvrzují, že hybridní větrné-slněční systémy převyšují jednozdrojové systémy v oblasti spolehlivosti dodávky energie a celoživotní ekonomiky.
1.3 Nedostatky stávajících metod návrhu a navrhované řešení
Současné návrhy systémů čelí výzvám. Profesionální simulační software zahraničního původu je drahý a jeho jádrové modely jsou často důvěrné, což brání širší adopci. Zároveň většina zjednodušených metod návrhu není dostatečná – buď příliš spoléhají na průměry meteorologických dat a ignorují detaily, nebo používají lineární zjednodušené modely, což vede k omezené přesnosti a špatné aplikabilitě.
Toto řešení má za cíl navrhnout sadu přesných a praktických metod počítačové podpory návrhu pro řešení výše uvedených problémů.
II. Sestava systému a klíčové technické modely
2.1 Architektura systému
Hybridní větrně-slněční systém pro výrobu elektřiny navržený v tomto řešení je úplně samostatný off-grid systém bez zálohovacích zdrojů energie, jako jsou dieselové generátory. Klíčové komponenty zahrnují:
- Jednotka výroby elektřiny: Větrné turbíny, PV pole.
- Jednotka ukládání a správy energie: Bateriová banka, regulátor nabíjení (pro správu nabíjení a vybíjení).
- Jednotka ochrany a převodu: Diverting zátěž (prevence přetížení baterií, ochrana inverteru), inverter (převod DC na AC pro splnění většiny požadavků zátěže).
- Jednotka spotřeby elektřiny: Zátěž.
2.2 Přesné modely výpočtu výroby elektřiny
Pro dosažení optimalizovaného návrhu jsme zavedli přesné hodinové modely výpočtu výroby elektřiny.
- Model PV pole:
- Převod solární radiace: Využívá pokročilý anizotropní model difúzního nebe k přesnému převodu horizontálních dat o solární radiaci změřených meteorologickými stanicemi na radiaci dopadající na nakloněnou plochu PV článků, s komplexním zohledněním přímé paprskové radiace, difúzní radiace nebe a odražené radiace z povrchu.
- Simulace charakteristik článku: Používá přesný fyzikální model pro charakterizaci nelineárních výstupních charakteristik PV článků, s plným zohledněním vlivu radiace a okolní teploty na výstupní napětí a proud článků, což zajistí přesnost výpočtu výroby elektřiny.
- Model větrné turbíny:
- Korekce rychlosti větru: Korekce referenční výškové rychlosti větru z meteorologických dat na skutečnou rychlost větru v osu rotoru na základě exponenciálního zákona popisujícího změnu rychlosti větru s výškou.
- Aproximace výkonové křivky: Používá segmentovanou funkci (různé binomické rovnice pro různé intervaly rychlosti větru) pro dosažení vysokopřesné aproximace skutečné výkonové křivky turbíny, což umožňuje přesný hodinový výpočet produkce energie na základě dat o rychlosti větru.
2.3 Dynamický model charakteristik baterií
Baterie je klíčovou komponentou ukládání energie s dynamicky se měnícími stavy. Model se primárně zaměřuje na:
- Výpočet stavu nabíjení (SOC): Dynamicky simuluje procesy nabíjení a vybíjení baterií na základě vztahu mezi produkcí a spotřebou energie v každém časovém kroku, přesně vypočítává zbylou kapacitu, zohledňuje praktické faktory, jako je míra samo-odpařování, efektivita nabíjení a efektivita invertoru.
- Správa nabíjení a vybíjení: Pro prodloužení životnosti baterií je definován rozumný rozsah provozu SOC (např. omezení maximální hloubky vybíjení na 50%), a je vytvořen model spojující napětí plovoucího nabíjení s SOC a okolní teplotou pro přesné určení podmínek nabíjení.
III. Metodika optimalizace a dimensionování systému
3.1 Ukazatele spolehlivosti dodávky energie
Návrh dává přednost splnění uživatelových specifikovaných požadavků na spolehlivost dodávky energie. Klíčové ukazatele zahrnují:
- Pravděpodobnost ztráty dodávky energie (LPSP): Poměr doby výpadku systému k celkové dobu hodnocení, intuitivně reflektuje kontinuitu dodávky.
- Pravděpodobnost ztráty zátěže (LLP): Poměr elektrického výkonu zátěže, který systém nesplní, k celkovému požadavku. Je to nejdůležitější klíčový ukazatel pro optimalizační návrh systému.
3.2 Postupný optimalizační návrhový proces
Toto řešení používá systematický optimalizační proces, který má za cíl minimalizovat počáteční investiční náklady na vybavení a najít optimální konfiguraci.
- Krok 1: Optimalizace konfigurace PV a baterií pro pevnou kapacitu větrné turbíny
- Hlavní úkol: Za podmínky, že model a počet větrných turbín jsou pevné, najít kombinaci kapacit PV článků a baterií, která splňuje předem daný ukazatel spolehlivosti (LPSP) a vede k nejnižším celkovým nákladům na vybavení.
- Metoda implementace: Prostřednictvím simulačních výpočtů vytvořit "bilanční křivku" reprezentující všechny konfigurace PV a baterií, které splňují požadavek na spolehlivost. Poté, pomocí metody tečny nákladů nebo výběru počítačovým programem na základě jednotkových cen vybavení, určit jedinečnou optimální kombinaci s nejnižšími náklady.
- Krok 2: Globální optimalizace změnou kapacity větrné turbíny
- Hlavní úkol: Změnit kapacitu nebo počet větrných turbín, opakovat optimalizační proces z kroku 1 a získat sérii optimálních konfigurací a jejich odpovídajících nákladů pro různé kapacity větrných turbín.
- Konečné rozhodnutí: Porovnat celkové náklady všech kandidátských řešení a vybrat kombinaci větrné-PV-baterií s globálně nejnižšími náklady jako konečnou optimalizovanou konfiguraci systému.
3.3 Simulace a výstup výkonu systému
Po určení optimální konfigurace lze simulovat roční provoz systému hodinově a vygenerovat podrobné zprávy, včetně:
- Časová dimenze: Hodinový stav nabíjení baterií, bilance energie systému.
- Statistická dimenze: Denní/měsíční/roční nezaplacená energie zátěže, ukazatele spolehlivosti (LPSP, LLP), podíl výroby energie ze větru a slunce, situace s nadbytkem a deficitem energie atd.
IV. Závěr
Optimalizační metoda pro hybridní větrně-slněční systémy pro výrobu elektřiny navržená v tomto řešení, založená na komplexních matematických modelech a přesných místních meteorologických datech, může jedinečně určit konfiguraci systému s nejnižšími počátečními investičními náklady na vybavení, zatímco splňuje specifické požadavky uživatele na elektrickou energii a požadavky na spolehlivost dodávky energie. Tato metoda efektivně řeší nedostatky jednozdrojových systémů pro výrobu elektřiny, překonává omezení stávajících metod návrhu a poskytuje mocný nástroj pro vědecký, efektivní a ekonomický návrh hybridních větrně-slněčních systémů pro výrobu elektřiny, což má významnou hodnotu pro inženýrské aplikace.
