سیستم بهینه‌سازی باد-آفتاب ترکیبی: یک راه‌حل طراحی جامع برای کاربردهای خارج از شبکه

1. مقدمه و پس‌زمینه

۱.۱ چالش‌های سیستم‌های تولید برق از منبع واحد

سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک (PV) یا بادی معمولی دارای ضعف‌های ذاتی هستند. تولید برق فتوولتائیک تحت تأثیر چرخه روزانه و شرایط آب و هوایی قرار دارد، در حالی که تولید برق بادی به منابع باد ناپایدار متکی است که منجر به نوسانات قابل توجه در خروجی برق می‌شود. برای تأمین پیوسته برق، نیاز به بانک‌های باتری با ظرفیت بالا برای ذخیره سازی و تعادل انرژی وجود دارد. با این حال، باتری‌ها که زیر شرایط عملکردی سخت مرتباً شارژ و دیشارژ می‌شوند، ممکن است برای مدت طولانی در حالت شارژ ناقص باقی بمانند، که منجر به طول عمر عملی کوتاه‌تر از مقدار نظری می‌شود. بیشتر از این، هزینه بالای باتری‌ها به این معناست که هزینه کلی چرخه حیات آنها ممکن است به یا حتی بیش از هزینه ماژول‌های PV یا توربین‌های بادی برسد. بنابراین، تمدید طول عمر باتری و کاهش هزینه‌های سیستم به چالش‌های اصلی در بهینه‌سازی سیستم‌های توان مستقل تبدیل شده‌اند.

۱.۲ مزایای قابل توجه تولید برق هیبریدی باد-آفتاب

تکنولوژی تولید برق هیبریدی باد-آفتاب با ترکیب عضوی دو منبع انرژی تجدیدپذیر، PV و باد، به مؤثری محدودیت‌های منابع انفرادی را غلبه می‌کند. انرژی باد و خورشیدی در زمان (روز/شب، فصول) تکمیلی طبیعی دارند: نور خورشید قوی در روز اغلب با بادهای قوی‌تر در شب همزمان است؛ تابش خورشید خوب در تابستان ممکن است با منابع بادی فراوان در زمستان همزمان باشد. این تکمیلی بودن اجازه می‌دهد:

• تمدید قابل توجه زمان شارژ موثر باتری‌ها، کاهش زمانی که در حالت شارژ ناقص قرار می‌گیرند، و در نتیجه تمدید قابل توجه طول عمر عملی باتری‌ها.
• کاهش ظرفیت لازم باتری. احتمال عدم دسترسی همزمان باد و خورشید کم است، بنابراین سیستم می‌تواند اغلب بار را مستقیماً تغذیه کند، که این امکان را می‌دهد از بانک باتری با ظرفیت کمتر استفاده شود.
• مطالعات داخلی و بین‌المللی تأیید می‌کنند که سیستم‌های هیبریدی باد-آفتاب در موثقیت تامین برق و کارایی هزینه‌ای چرخه حیات از سیستم‌های تولید برق از منبع واحد فراتر رفته‌اند.

۱.۳ نقاط ضعف روش‌های طراحی موجود و راه‌حل پیشنهادی

طراحی سیستم فعلی با چالش‌هایی مواجه است. نرم‌افزارهای شبیه‌سازی حرفه‌ای خارجی گران هستند و مدل‌های اصلی آنها معمولاً محرمانه هستند، که مانع انتشار گسترده آنها می‌شود. در عین حال، بیشتر روش‌های طراحی ساده‌شده ناکافی هستند - یا به طور بیش از حد روی میانگین‌های هواشناسی تکیه دارند که جزئیات را نادیده می‌گیرند، یا از مدل‌های خطی ساده‌شده استفاده می‌کنند که منجر به دقت محدود و کاربرد ضعیف می‌شود.

این راه‌حل قصد دارد مجموعه‌ای از روش‌های طراحی کمکی کامپیوتری دقیق و عملی را برای حل مشکلات فوق پیشنهاد کند.

II. ترکیب سیستم و مدل‌های فنی اصلی

۲.۱ معماری سیستم

سیستم تولید برق هیبریدی باد-آفتاب طراحی شده در این راه‌حل یک سیستم کاملاً مستقل بدون شبکه است، بدون منابع پشتیبان مانند ژنراتورهای دیزل. اجزای اصلی شامل:

• واحد تولید برق: توربین‌های بادی، آرایه PV.
• واحد ذخیره‌سازی و مدیریت انرژی: بانک باتری، کنترل‌کننده شارژ (برای مدیریت شارژ و دیشارژ).
• واحد محافظت و تبدیل: بار تخلیه (جلوگیری از شارژ بیش از حد باتری، محافظت از انورتر)، انورتر (تبدیل DC به AC برای تأمین نیازهای بیشتر بار).
• واحد مصرف برق: بار.

۲.۲ مدل‌های محاسبه تولید برق دقیق

برای رسیدن به طراحی بهینه، ما مدل‌های محاسبه تولید برق دقیق ساعتی ایجاد کرده‌ایم.

• مدل آرایه PV:
1. انتقال تابش خورشیدی: از یک مدل پخشی آسمان پیشرفته ناهمسان استفاده می‌کند تا داده‌های تابش خورشیدی افقی اندازه‌گیری شده توسط ایستگاه‌های هواشناسی را به تابش روی سطح مایل ماژول‌های PV به صورت دقیق منتقل کند، با در نظر گرفتن کامل تابش پرتوی مستقیم، تابش پخشی آسمان و تابش بازتابی زمین.
2. شبیه‌سازی ویژگی‌های ماژول: از یک مدل فیزیکی دقیق برای مشخص کردن ویژگی‌های غیرخطی خروجی ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن کامل تأثیرات تابش و دمای محیط بر ولتاژ و جریان خروجی ماژول، تضمین دقت محاسبات تولید برق.
• مدل توربین بادی:
1. اصلاح سرعت باد: سرعت باد مرجع از داده‌های هواشناسی را بر اساس قانون نمایی تغییر سرعت باد با ارتفاع به سرعت باد واقعی مرکز توربین اصلاح می‌کند.
2. برازش منحنی توان: از یک تابع تقسیم‌بندی‌شده (معادلات دوجمله‌ای مختلف برای بازه‌های سرعت باد مختلف) برای دستیابی به برازش با دقت بالا از منحنی توان خروجی واقعی توربین استفاده می‌کند، امکان محاسبه دقیق انرژی ساعتی بر اساس داده‌های سرعت باد را فراهم می‌کند.

۲.۳ مدل ویژگی‌های پویای باتری

باتری عنصر اصلی ذخیره‌سازی انرژی است، با وضعیت‌های پویا. مدل اصلی بر:

• محاسبه وضعیت شارژ (SOC): به صورت پویا فرآیندهای شارژ و دیشارژ باتری را بر اساس رابطه بین تولید برق و مصرف بار در هر گام زمانی شبیه‌سازی می‌کند، ظرفیت باقی‌مانده را به صورت دقیق محاسبه می‌کند، در حالی که عوامل عملی مانند نرخ خودشارژ، کارایی شارژ و کارایی انورتر را در نظر می‌گیرد.
• مدیریت شارژ-دیشارژ: برای تمدید طول عمر باتری، یک محدوده عملیاتی مناسب SOC تعریف می‌شود (مثلاً محدود کردن حداکثر عمق دیشارژ به ۵۰٪)، و یک مدل ارتباط بین ولتاژ شارژ شناور و SOC و دمای محیط برای تعیین دقیق شرایط شارژ ایجاد می‌شود.

III. روش بهینه‌سازی و اندازه‌گیری سیستم

۳.۱ شاخص‌های موثقیت تامین برق

طراحی اولویت می‌دهد به رفع نیازهای موثقیت تامین برق مشخص شده توسط کاربر. شاخص‌های اصلی شامل:

• احتمال از دست دادن تامین برق (LPSP): نسبت زمان خرابی سیستم به زمان کل ارزیابی، که موثقیت پیوسته را به صورت شهودی نشان می‌دهد.
• احتمال از دست دادن بار (LLP): نسبت نیاز برق بار که توسط سیستم برآورده نشده است به نیاز کل. این مهم‌ترین شاخص اصلی برای طراحی بهینه‌سازی سیستم است.

۳.۲ فرآیند طراحی بهینه‌سازی گام به گام

این راه‌حل از یک فرآیند بهینه‌سازی سیستماتیک استفاده می‌کند، با هدف کمینه کردن هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات برای یافتن تنظیمات بهینه.

1. گام ۱: بهینه‌سازی تنظیمات PV و باتری برای ظرفیت ثابت توربین بادی
• وظیفه اصلی: در شرایطی که مدل و تعداد توربین‌های بادی ثابت است، ترکیب ظرفیت ماژول‌های PV و باتری را پیدا کنید که شاخص موثقیت مورد نظر (LPSP) را برآورده کند و هزینه کل تجهیزات کمترین باشد.
• روش اجرایی: از طریق محاسبات شبیه‌سازی، "منحنی تعادل" را که تمام ترکیبات PV و باتری را که شرایط موثقیت را برآورده می‌کنند نشان می‌دهد رسم کنید. سپس با استفاده از روش مماس هزینه یا انتخاب کامپیوتری بر اساس قیمت واحد تجهیزات، ترکیب منحصر به فرد با کمترین هزینه را تعیین کنید.
2. گام ۲: بهینه‌سازی کلی با تغییر ظرفیت توربین بادی
• وظیفه اصلی: ظرفیت یا تعداد توربین‌های بادی را تغییر دهید، فرآیند بهینه‌سازی گام ۱ را تکرار کنید و یک سری از تنظیمات بهینه و هزینه‌های متناظرشان را برای ظرفیت‌های مختلف توربین‌های بادی بدست آورید.
• تصمیم نهایی: هزینه‌های کلی تمام راه‌حل‌های کاندید را مقایسه کنید و ترکیب باد-PV-باتری با کمترین هزینه کلی را به عنوان تنظیم بهینه نهایی سیستم انتخاب کنید.

۳.۳ شبیه‌سازی عملکرد سیستم و خروجی

بعد از تعیین تنظیم بهینه، عملکرد سیستم در طول سال می‌تواند ساعت به ساعت شبیه‌سازی شود، گزارش‌های دقیق شامل:

• بعد زمانی: وضعیت شارژ باتری ساعتی، تعادل انرژی سیستم.
• بعد آماری: انرژی بار نامشخص روزانه/ماهانه/سالانه، شاخص‌های موثقیت (LPSP, LLP)، سهم تولید برق بادی-خورشیدی، وضعیت اضافه و کمبود انرژی، و غیره.

IV. نتیجه‌گیری

روش طراحی بهینه‌سازی سیستم‌های تولید برق هیبریدی باد-آفتاب پیشنهادی در این راه‌حل، بر اساس مدل‌های ریاضی جامع و داده‌های هواشناسی محلی دقیق، می‌تواند تنظیم سیستم با کمترین هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات را به طور منحصر به فرد تعیین کند، در حالی که نیازهای برق مشخص شده توسط کاربر و نیازهای موثقیت تامین برق را برآورده می‌کند. این روش به طور مؤثر محدودیت‌های سیستم‌های تولید برق از منبع واحد را رفع می‌کند، محدودیت‌های روش‌های طراحی موجود را غلبه می‌کند و ابزار قدرتمندی برای طراحی علمی، کارآمد و اقتصادی سیستم‌های تولید برق هیبریدی باد-آفتاب ارائه می‌دهد که ارزش قابل توجهی برای کاربردهای مهندسی دارد.