Υβριδικό Σύστημα Αερίου-Ηλιακής Ενέργειας Βελτιστοποίηση: Μια Συνεκτική Λύση Σχεδίασης για Εφαρμογές Χωρίς Σύνδεση στο Δίκτυο

1. Εισαγωγή και Φόντο​

​1.1 Προκλήσεις των Συστημάτων Παραγωγής Ενέργειας από Μία Πηγή​

Τα παραδοσιακά αυτόνομα συστήματα φωτοβολταϊκής (PV) ή αιολικής παραγωγής ενέργειας έχουν γενικευμένες αδυναμίες. Η φωτοβολταϊκή παραγωγή ενέργειας επηρεάζεται από τις ημερήσιες κύκλους και τις κλιματολογικές συνθήκες, ενώ η αιολική παραγωγή εξαρτάται από ασταθείς αιολικούς πόρους, οδηγώντας σε σημαντικές διακυμάνσεις στην εξόδου ενέργεια. Για να εξασφαλιστεί μια συνεχής παροχή ενέργειας, χρειάζονται μεγάλης δυναμικότητας σύσσωμα μπαταριών για αποθήκευση και ισορροπία ενέργειας. Ωστόσο, οι μπαταρίες που υποστούν συχνές φάσεις φόρτισης-ξεφόρτισης είναι ευάλωτες στο να παραμένουν σε κατάσταση υποφόρτισης για μεγάλο χρονικό διάστημα σε αυστηρές συνθήκες λειτουργίας, οδηγώντας σε πρακτική διάρκεια ζωής πολύ μικρότερη από τη θεωρητική τιμή. Πιο κρίσιμο, η υψηλή κόστος των μπαταριών σημαίνει ότι το συνολικό κόστος βίου τους μπορεί να πλησιάσει ή ακόμη και να υπερβεί το κόστος των φωτοβολταϊκών μονάδων ή των ανεμογεννήτριων. Συνεπώς, η επέκταση της διάρκειας ζωής των μπαταριών και η μείωση του κόστους του συστήματος έχουν γίνει τα βασικά προβλήματα στην βελτιστοποίηση των αυτόνομων συστημάτων.

​1.2 Σημαντικά Πλεονεκτήματα της Υβριδικής Αιολικής-Φωτοβολταϊκής Παραγωγής​

Η τεχνολογία υβριδικής αιολικής-φωτοβολταϊκής παραγωγής ενέργειας αποτελεσματικά ξεπερνά την ασυνέχεια των μονοπηγών ενέργειας, συνδυάζοντας οργανικά τη φωτοβολταϊκή και την αιολική ενέργεια, δύο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι αιολική και ηλιακή ενέργεια εμφανίζουν φυσική συμπληρωματικότητα σε χρόνο (ημέρα/νύχτα, εποχές): η ισχυρή ηλιακή ακτινοβολία κατά την ημέρα συχνά συντρέχει με ισχυρότερους ανέμους κατά τη νύχτα, ενώ η καλή ηλιακή ακτινοβολία κατά την άνοιξη και το καλοκαίρι μπορεί να συνδυαστεί με πλούσιους αιολικούς πόρους κατά την περίοδο του χειμώνα. Αυτή η συμπληρωματικότητα επιτρέπει:

• Σημαντική επέκταση του αποτελεσματικού χρόνου φόρτισης των μπαταριών, μείωση του χρόνου που παραμένουν σε κατάσταση υποφόρτισης, οπότε επιτρέπει σημαντική παράταση της διάρκειας ζωής των μπαταριών.
• Μείωση της απαιτούμενης δυναμικότητας των μπαταριών. Επειδή η πιθανότητα να μην είναι διαθέσιμες οι δύο πηγές ενέργειας (αιολική και φωτοβολταϊκή) ταυτόχρονα είναι χαμηλή, το σύστημα μπορεί συχνά να ενεργοποιεί το φορτίο άμεσα, επιτρέποντας τη χρήση μικρότερης δυναμικότητας συσσώματος μπαταριών.
• Εσωτερικές και διεθνείς μελέτες επιβεβαιώνουν ότι τα υβριδικά αιολικά-φωτοβολταϊκά συστήματα υπερβαίνουν τα συστήματα παραγωγής ενέργειας από μία πηγή ως προς την αξιοπιστία της παροχής ενέργειας και την οικονομική αποδοτικότητα του κύκλου ζωής.

​1.3 Αδυναμίες των Υφιστάμενων Μεθόδων Σχεδίασης και Προτεινόμενη Λύση​

Το τρέχον σχεδιασμό συστήματος αντιμετωπίζει προκλήσεις. Τα επαγγελματικά προσομοιωτικά λογισμικά από το εξωτερικό είναι ακριβά, και τα κύρια μοντέλα τους είναι συχνά μυστικά, εμποδίζοντας τη γενική χρήση. Παράλληλα, οι περισσότερες απλοποιημένες μεθόδους σχεδίασης είναι ανεπαρκείς - είτε εξαρτώνται υπερβολικά από τις μετεωρολογικές μέσες τιμές, αγνοώντας τα λεπτομέρεια, είτε χρησιμοποιούν γραμμικά απλοποιημένα μοντέλα που οδηγούν σε περιορισμένη ακρίβεια και χαμηλή εφαρμοσιμότητα.

Αυτή η λύση στοχεύει στην πρόταση μιας σειράς ακριβών και πρακτικών μεθόδων σχεδίασης με υποστήριξη υπολογιστή για την αντιμετώπιση των παραπάνω ζητημάτων.

​II. Σύνθεση του Συστήματος και Κύρια Τεχνικά Μοντέλα​

​2.1 Αρχιτεκτονική του Συστήματος​

Το υβριδικό αιολικό-φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας που σχεδιάστηκε σε αυτή τη λύση είναι ένα εντελώς αυτόνομο σύστημα εκτός δικτύου, χωρίς πηγές εφεδρείας όπως οι διεσελίνητες μηχανές. Τα βασικά συστατικά στοιχεία περιλαμβάνουν:

• ​Μονάδα Παραγωγής Ενέργειας:​​ Αιολικές μηχανές, φωτοβολταϊκό σύνολο.
• ​Μονάδα Αποθήκευσης και Διαχείρισης Ενέργειας:​​ Σύσσωμα μπαταριών, ελεγκτής φόρτισης (για τη διαχείριση φόρτισης-ξεφόρτισης).
• ​Μονάδα Προστασίας και Μετατροπής:​​ Αποστρεπτικό φορτίο (προστατεύει από υπερφόρτιση των μπαταριών, προστατεύει τον αντιστροφέα), αντιστροφέας (μετατρέπει DC σε AC για να εξυπηρετήσει το μεγαλύτερο μέρος των φορτίων).
• ​Μονάδα Κατανάλωσης Ενέργειας:​​ Φορτίο.

​2.2 Ακριβές Μοντέλα Υπολογισμού Παραγωγής Ενέργειας​

Για την επίτευξη βελτιστοποιημένου σχεδιασμού, έχουμε θεσπίσει ακριβή ώρια μοντέλα υπολογισμού παραγωγής ενέργειας.

• ​Μοντέλο Φωτοβολταϊκού Συνόλου:​​
1. ​Μεταφορά Ηλιακής Ακτινοβολίας:​​ Χρησιμοποιεί ένα προηγμένο ανισότροπο μοντέλο διάχυτης ακτινοβολίας του ουρανού για την ακριβή μεταφορά των δεδομένων οριζόντιας ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν από τις μετεωρολογικές σταθμούς στην ακτινοβολία που εμπίπτει στην κλίνουσα επιφάνεια των φωτοβολταϊκών μονάδων, λαμβάνοντας υπόψη την άμεση ηλιακή ακτινοβολία, τη διάχυτη ακτινοβολία του ουρανού και την αντανάκλαση από το έδαφος.
2. ​Προσομοίωση Χαρακτηριστικών Μονάδων:​​ Χρησιμοποιεί ένα ακριβές φυσικό μοντέλο για την χαρακτηριστική των μη γραμμικών εξόδων των φωτοβολταϊκών μονάδων, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της ακτινοβολίας και της περιβαλλοντικής θερμοκρασίας στην εξόδου τάση και ρεύμα, εξασφαλίζοντας την ακρίβεια των υπολογισμών παραγωγής ενέργειας.
• ​Μοντέλο Αιολικής Μηχανής:​​
1. ​Σωστοποίηση Ταχύτητας Ανέμου:​​ Σωστοποιεί την ταχύτητα του ανέμου από τα μετεωρολογικά δεδομένα στην πραγματική ταχύτητα του ανέμου στο ύψος του κέντρου της αιολικής μηχανής, με βάση τον εκθετικό νόμο που διέπει την μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος.
2. ​Εκτίμηση Καμπύλης Ισχύος:​​ Χρησιμοποιεί μια τμηματική συνάρτηση (διαφορετικές διωνυμικές εξισώσεις για διαφορετικά διαστήματα ταχύτητας ανέμου) για την υψηλή ακρίβεια προσαρμογής της πραγματικής καμπύλης παραγωγής ισχύος της αιολικής μηχανής, επιτρέποντας την ακριβή ωριαία υπολογισμό ενέργειας βάσει δεδομένων ταχύτητας ανέμου.

​2.3 Δυναμικό Μοντέλο Μπαταριών​

Η μπαταρία είναι το βασικό συστατικό αποθήκευσης ενέργειας, με δυναμικά μεταβαλλόμενες καταστάσεις. Το μοντέλο εστιάζει κυρίως στο:

• ​Υπολογισμό Κατάστασης Φόρτισης (SOC):​​ Δυναμικά προσομοιώνει τις διαδικασίες φόρτισης-ξεφόρτισης της μπαταρίας βάσει της σχέσης μεταξύ παραγωγής ενέργειας και κατανάλωσης φορτίου σε κάθε χρονικό βήμα, ακριβώς υπολογίζοντας την υπόλοιπη δυναμικότητα, λαμβάνοντας υπόψη πρακτικά παράγοντα όπως η συντομευτική ρυθμία, η απόδοση φόρτισης και η απόδοση του αντιστροφέα.
• ​Διαχείριση Φόρτισης-Ξεφόρτισης:​​ Για την επέκταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας, ορίζεται ένα λογικό εύρος λειτουργίας SOC (π.χ. περιορισμός της μέγιστης βάθους ξεφόρτισης στο 50%), και θεσπίζεται ένα μοντέλο που συνδέει την τάση πλοήγησης με την SOC και την περιβαλλοντική θερμοκρασία για την ακριβή καθορισμό των συνθηκών φόρτισης.

​III. Μέθοδος Βελτιστοποίησης και Σχεδίασης του Συστήματος​

​3.1 Δείκτες Αξιοπιστίας Παροχής Ενέργειας​

Ο σχεδιασμός δίνει προτεραιότητα στην ικανοποίηση των απαιτήσεων αξιοπιστίας παροχής ενέργειας που ορίζει ο χρήστης. Οι κύριοι δείκτες περιλαμβάνουν:

• ​Πιθανότητα Απώλειας Παροχής Ενέργειας (LPSP):​​ Το ρατίο του χρόνου αποτυχίας του συστήματος σε σχέση με το συνολικό χρόνο αξιολόγησης, που αντικατοπτρίζει τη συνέχεια της παροχής.
• ​Πιθανότητα Απώλειας Φορτίου (LLP):​​ Το ρατίο της ζήτησης ενέργειας του φορτίου που δεν εκπληρώνεται από το σύστημα σε σχέση με τη συνολική ζήτηση. Αυτός είναι ο πιο σημαντικός βασικός δείκτης για τον βελτιστοποιημένο σχεδιασμό του συστήματος.

​3.2 Βηματική Διαδικασία Βελτιστοποίησης και Σχεδίασης​

Αυτή η λύση χρησιμοποιεί μια συστηματική διαδικασία βελτιστοποίησης, με στόχο τη μείωση του αρχικού κόστους εξοπλισμού για την εύρεση της βέλτιστης διάταξης.

1. ​Βήμα 1: Βελτιστοποίηση της Διάταξης PV και Μπαταριών για Σταθερή Δυναμικότητα Αιολικής Μηχανής​
• ​Κύρια Αποστολή:​​ Κάτω από την προϋπόθεση ότι το μοντέλο και το πλήθος των αιολικών μηχανών είναι σταθερά, να βρεθεί η συνδυασμός δυναμικότητας των φωτοβολταϊκών μονάδων και των μπαταριών που ικανοποιεί τον προκαθορισμένο δείκτη αξιοπιστίας (LPSP) και οδηγεί στο χαμηλότερο συνολικό κόστος εξοπλισμού.
• ​Μέθοδος Εφαρμογής:​​ Μέσω προσομοιωτικών υπολογισμών, σχεδιάζεται η "καμπύλη ισορροπίας" που αντιπροσωπεύει όλες τις διατάξεις PV και μπαταριών που ικανοποιούν την απαίτηση αξιοπιστίας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο εφαπτομένης κόστους ή την επιλογή με βάση τιμολόγια εξοπλισμού, καθορίζεται η μοναδική βέλτιστη συνδυασμός με το χαμηλότερο κόστος.
2. ​Βήμα 2: Παγκόσμια Βελτιστοποίηση Μεταβαλλόμενης Δυναμικότητας Αιολικής Μηχανής​
• ​Κύρια Αποστολή:​​ Αλλάζοντας τη δυναμικότητα ή το πλήθος των αιολικών μηχανών, επαναλαμβάνεται η διαδικασία βελτιστοποίησης του Βήματος 1, και παίρνονται μια σειρά βέλτιστων διατάξεων και τα αντίστοιχα κόστη για διαφορετικές δυναμικότητες αιολικών μηχανών.
• ​Τελική Απόφαση:​​ Συγκρίνοντας τα συνολικά κόστη όλων των υποψήφιων λύσεων, επιλέγεται