Hybriidne tuule- ja päikeseenergia süsteemi optimeerimine: täispaketiline disainirakendus võrgust lahkunud kasutusele

1. Sissejuhatus ja taust

1.1 Ühe allikaga tootmisesüsteemide probleemid

Traditsioonilised iseseisvad fotodelektrilised (PV) või tuulenergia tootmisesüsteemid omavad omaniku puudusi. PV energia tootmine on mõjutatud päevajärjekorra ja ilmastikuolude poolt, samas kui tuulenergia tootmine sõltub ebastabiilsed tuuleresursside, mis viib oluliste energiaväljundide lõkkele. Pideva energia toomise tagamiseks on vaja suuri akulaadi, et salvestada ja tasakaalustada energiat. Kuid akud, mis läbib sageli laetamise ja lahtilaetamise tsükleid, on tõenäoliselt pikem aeg alla laetuna, eriti raskestel töötingimustel, mis viib nende tegelikku kasutusaega palju lühemaks kui teoreetiline väärtus. Mida kriitilisemat on, et akude kõrge hinnaga tuleb nende üldine elutsükli maksumus võib läheneda või isegi ületada PV moodulite või tuulgeneraatorite enda hinda. Seetõttu on akude eluaja pikendamine ja süsteemi kulude vähendamine saanud optimeeritud iseseisvate süsteemide põhiline väljakutse.

1.2 Hübriidtuul-päikeseenergia tootmise olulised eelised

Hübriidtuul-päikeseenergia tootmise tehnoloogia ületab tõhusalt ühe energiaallika mittekontinuuse tootmise segades organiliselt kokku kahte taastuvenergia allikat - fotodelektrilisi ja tuulenergia. Tuule ja päikeseenergia näitavad loomulikku täiendavust ajaliselt (päev/öö, hooaeg): päeval valguse tugevus kattub tihti ööl tugevama tuulega; suvel hea päikesevalgusega võib paikneda talvel rikkalikke tuuleresursside. See täiendavus võimaldab:

• Akulaadi efektivse laetamisaja oluliselt pikendada, vähendades nende aega alla laetuna, mis oluliselt pikendab akude kasutusaega.
• Vähendada nõutavat akukapasitati. Kuna tuule ja päikese mõlemad olevat samal ajal mitteolemas on tõenäosus väike, siis süsteem võib tihti otse laetuda, lubades kasutada väiksemat akulaadi.
• Kodumaal ja rahvusvaheliselt uurimused kinnitavad, et hübriidtuul-päikeseenergia süsteemid ületavad ühe allikaga tootmisesüsteeme nii energiatoomise kindluse kui ka elutsükliku kulusaadavuse poolest.

1.3 Olemasolevate disainimeetodite puudused ja pakutav lahendus

Praegune süsteemidisain on silmitsi väljakutsetega. Välispoolt pärit professionaalsed simulatsioonitarkvarad on kallid, ja nende tuumamodelid on sageli saladuslikud, mis takistab nende laialdasemat kasutamist. Samal ajal on enamik lihtsustatud disainimeetodeid ebasobivad - need võivad liiga palju sõnnelda meteoroloogiliste keskmiste peale, ignoreerides detaili, või kasutada lineaarseid lihtsustatud modeleid, mis viib piiratud täpsuse ja halvale rakendatavuse.

See lahendus eesmärgiks on pakuda täpseid ja praktilisi arvutiabilise disainimeetodeid, et lahendada ülaltoodud probleeme.

II. Süsteemi koostis ja tuumatehnilised mudelid

2.1 Süsteemi arhitektuur

See lahenduses disainitud hübriidtuul-päikeseenergia tootmisesüsteem on täielikult iseseisev võrkist eraldatud süsteem, ilma varuhulka nagu diiselgeneraatorid. Tuumakomponendid hõlmavad:

• Energia tootmise üksus: Tuulgeneraatorid, PV paneelid.
• Energia salvestamise ja haldamise üksus: Akulaadi, laetamise kontroller (laetamise ja lahtilaetamise haldamiseks).
• Kaitse ja teisendamise üksus: Eraldamislaad (vältib akude ülelaetamist, kaitseb inverterit), inverter (teisendab DC AC-d, et rahuldada enamiku laadnõudlust).
• Energia tarbimise üksus: Laad.

2.2 Täpne energia tootmise arvutusmudel

Optimaalse disaini saavutamiseks oleme loonud täpse tunni Energia tootmise arvutusmudeli.

• PV paneelide mudel:
1. Päikesevalguse transpositsioon: Kasutab edasijõulis anisotroopse taeva diffuusmudeli, et täpselt transponeerida horisontaalsed päikesevalguse andmed, mida mõõdetakse ilmateenistuse poolt, kaldina pinnale, millel asuvad PV paneelid, arvestades täielikult otsest kiirgust, taeva diffuuskiirgust ja maapindast tagasiheitunud kiirgust.
2. Mooduli omaduste simulatsioon: Kasutab täpset füüsikalist mudelit, et karakteriseerida PV paneelite mittelineaarseid väljundomadusi, arvestades täielikult kiirguse ja ümbritseva temperatuuri mõju mooduli väljundvoolu ja intensiivsus, tagades energia tootmise arvutuste täpsuse.
• Tuulgeneraatorite mudel:
1. Tuulekiirus korrektuur: Korrekteerib meteoroloogiliste andmete alusel tuulekiirust referentskõrgusest tegelikule tuulgeneraatori kõrgusele eksponentsiaalse seaduse järgi, mis reguleerib tuulekiiruse muutust kõrgusega.
2. Tehingu käive sobitamine: Kasutab segmenteeritud funktsiooni (erinevad binomiaalvõrrandid erinevate tuulekiiruse intervallide jaoks) tuulgeneraatori tegeliku tehingu käive kõrge täpsusega sobitamiseks, võimaldades täpset tunni energia arvutamist tuulekiiruse andmete alusel.

2.3 Akude dünaamiline omadusmudel

Akk on tuumaelement, mille olekus toimub dünaamiline muutus. Mudel keskendub peamiselt:

• Ladestustase (SOC) arvutus: Dünaamiliselt simuleerib akude laetamise ja lahtilaetamise protsesse iga sammuga, arvestades energiatootmise ja laadnõudluse suhet, täpselt arvutades jäänud kapasitati, arvestades praktikaid, nagu eneselaadimise kiirus, laetamise efektiivsus ja inverteri efektiivsus.
• Laetamise ja lahtilaetamise haldus: Akude eluaja pikendamiseks määratakse mõõdukas SOC tööala (nt maksimaalne lahtilaetamise sügavus piiratakse 50%), ja luuakse mudel, mis seob vedelalaaete voltage SOC-ga ja ümbritseva temperatuuriga, et täpselt määrata laetamistingimused.

III. Süsteemi optimeerimine ja suuruse määramismeetod

3.1 Elektrienergia toomise kindluse näitajad

Disain eelistab kasutaja määratud elektrienergia toomise kindluse nõuded. Olulised näitajad hõlmavad:

• Elektrienergia toomise kadumise tõenäosus (LPSP): Süsteemi katkemise aja suhe kogu hindamisaja, mis intuitiivselt näitab toomise jätkuvust.
• Laadnõudluse mitte rahuldamise tõenäosus (LLP): Süsteemi poolt mitte rahuldatud laadnõudluse osakaal kogu nõudlusest. See on süsteemi optimeerimise disaini kõige kriitilisem tuumaindikaator.

3.2 Sammuhaa optimeerimise disainiprotsess

See lahendus kasutab süsteemsat optimeerimisprotsessi, mille eesmärk on minimeerida varustuse algse investeeringu kulu, et leida parim konfiguratsioon.

1. Samm 1: PV ja akude konfiguratsiooni optimeerimine fikseeritud tuulgeneraatori kapasituse korral
• Tuumategevus: Olles tuulgeneraatori mudel ja arv fikseeritud, leidke PV paneeli ja akude kapasiteedid, mis rahuldavad eelmääratud kindluse indikaatorit (LPSP) ja annavad madalaima kogu varustuse kulu.
• Rakendusmeetod: Simulatsiooniarvutuste kaudu joonistage "tasakaalukäik", mis esindab kõiki PV ja akude konfiguratsioone, mis rahuldavad kindluse nõuet. Siis, kasutades kulutangentmeetodit või arvutiprogrammi ekraanimist, määrake ainulaadne parim kombinatsioon madalaima kulu.
2. Samm 2: Globaalne optimeerimine muutes tuulgeneraatori kapasitust
• Tuumategevus: Muuta tuulgeneraatori kapasitust või arvu, korda samm 1 optimeerimisprotsessi, ja saa mitmeid parimate konfiguratsioone ja nende vastavaid kulusid erinevate tuulgeneraatori kapasitustega.
• Lõplik otsus: Võrdle kõigi kandidaatide kogu kulusid ja vali globaalselt madalaima kulu tuul-PV-akude kombinatsioon lõplikuks optimeeritud süsteemi konfiguratsiooniks.

3.3 Süsteemi jõudluse simulatsioon ja väljund

Optimaalse konfiguratsiooni määramise järel saab süsteemi aastase töösimulatsiooni tunni-aasta, genereerides detailseid aruandeid, sealhulgas:

• Ajalinna: Tunni-aasta akude ladestustase, süsteemi energia tasakaal.
• Statistikalinna: Päeva/kuu/aasta mitte rahuldatud laadenergia, kindluse näitajad (LPSP, LLP), tuule/päikeseenergia tootmise osakaal, energia üleliigus ja defitsiid, jne.

IV. Järeldus

See lahenduses pakutav hübriidtuul-päikeseenergia tootmisesüsteemi optimeeritud disainimeetod, mis põhineb täielikul matemaatilisel mudelil ja täpsetel kohalikel meteoroloogilistel andmetel, võimaldab ainulaadselt määrata süsteemi konfiguratsiooni, mis on madalaim algne varustuse investeeringu kulu, rahuldades konkreetset kasutaja elektrienergia nõudmist ja toomise kindluse nõudeid. See meetod tõhusalt lahendab ühe allikaga tootmisesüsteemide puudusi, ületab olemasolevate disainimeetodite piiranguid, ja pakuks tugevat vahendit hübriidtuul-päikeseenergia tootmisesüsteemide teadusliku, tõhusa ja majandusliku disainimiseks, mis on oluline inseneriringi rakendamiseks.