سیستم بهینه ترکیبی باد-آفتاب: یک راه‌حل طراحی جامع برای کاربردهای خارج از شبکه
- مقدمه و پیش‌زمینه
۱.۱ چالش‌های سیستم‌های تولید انرژی از منبع تک‌منشا
سیستم‌های معمولی تولید انرژی فتوولتائیک (PV) یا بادی دارای نقص‌های ذاتی هستند. تولید انرژی فتوولتائیک تحت تأثیر چرخه روزانه و شرایط آب و هوایی قرار دارد، در حالی که تولید انرژی بادی به منابع باد ناپایدار متکی است که منجر به نوسانات قابل توجه در خروجی قدرت می‌شود. برای تأمین پیوسته انرژی، نیاز به بانک‌های باتری با ظرفیت بالا برای ذخیره‌سازی و تعادل انرژی است. با این حال، باتری‌هایی که زیر شرایط عملیاتی سخت به صورت مکرر شارژ و دیشارژ می‌شوند، ممکن است برای مدت طولانی در حالت شارژ ناقص باقی بمانند که منجر به عمر عملیاتی کوتاه‌تر از مقدار نظری می‌شود. مهم‌تر از این، هزینه بالای باتری‌ها به این معناست که هزینه کل دوره عمر آن‌ها ممکن است به حدود یا حتی بیشتر از هزینه ماژول‌های PV یا توربین‌های بادی برسد. بنابراین، تمدید عمر باتری و کاهش هزینه‌های سیستم به چالش‌های اصلی در بهینه‌سازی سیستم‌های مستقل تبدیل شده‌اند.
۱.۲ مزایای قابل توجه تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک
فناوری تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک با ترکیب متعامد منابع انرژی تجدیدپذیر فتوولتائیک و بادی، نقص‌های تداوم منابع تک‌منشا را مؤثرانه غلبه می‌کند. انرژی باد و خورشیدی دارای تکمیلی طبیعی در زمان (روز/شب، فصول) هستند: نور خورشید قوی در روز غالباً با بادهای قوی‌تر در شب همزمان است؛ تابش خورشید خوب در تابستان ممکن است با منابع بادی فراوان در زمستان همزمان باشد. این تکمیلی موجب می‌شود:
- تمدید قابل توجه زمان شارژ موثر باتری‌ها، کاهش زمانی که باتری‌ها در حالت شارژ ناقص قرار می‌گیرند، و در نتیجه تمدید قابل توجه عمر عملیاتی باتری‌ها.
- کاهش ظرفیت لازم باتری‌ها. احتمال عدم دسترسی همزمان هر دو منبع باد و خورشیدی کم است، بنابراین سیستم می‌تواند معمولاً بار را به صورت مستقیم تغذیه کند و از یک بانک باتری با ظرفیت کمتر استفاده کند.
- مطالعات داخلی و خارجی تأیید می‌کنند که سیستم‌های هیبریدی باد-فتوولتائیک در مورد قابلیت اطمینان تأمین انرژی و کارایی هزینه‌ای دوره عمر از سیستم‌های تولید انرژی از منبع تک‌منشا فراتر می‌روند.
۱.۳ نقص‌های روش‌های طراحی موجود و راه‌حل پیشنهادی
طراحی فعلی سیستم با چالش‌هایی مواجه است. نرم‌افزارهای شبیه‌سازی حرفه‌ای خارجی گران‌قیمت هستند و مدل‌های اصلی آن‌ها معمولاً محرمانه هستند که مانع انتشار گسترده آن‌ها می‌شود. در عین حال، بیشتر روش‌های طراحی ساده‌شده ناکافی هستند—آنان یا به طور بیش از حد به میانگین‌های هواشناسی تکیه می‌کنند بدون توجه به جزئیات، یا از مدل‌های خطی ساده‌شده استفاده می‌کنند که منجر به دقت محدود و کاربرد ضعیف می‌شود.
این راه‌حل هدف دارد یک مجموعه از روش‌های طراحی کامپیوتری دقیق و عملی را برای حل مشکلات فوق پیشنهاد کند.
II. ترکیبات سیستم و مدل‌های فنی اصلی
۲.۱ معماری سیستم
سیستم تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک طراحی شده در این راه‌حل یک سیستم کاملاً مستقل از شبکه است بدون منابع پشتیبانی مانند ژنراتورهای دیزل. اجزای اصلی شامل موارد زیر است:
- واحد تولید قدرت: توربین‌های ژنراتور 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 مبدل)، مبدل (تبدیل DC به AC برای برآوردن نیازهای بیشتر بار).
- واحد مصرف قدرت: بار.
۲.۲ مدل‌های دقیق محاسبه تولید قدرت
برای رسیدن به طراحی بهینه، ما مدل‌های دقیق محاسبه تولید قدرت ساعتی را ایجاد کرده‌ایم.
- مدل آرایه PV:
- انتقال تابش خورشیدی: از یک مدل پخش پیشرفته ناهمسان استفاده می‌کند تا داده‌های تابش خورشیدی افقی اندازه‌گیری شده توسط ایستگاه‌های هواشناسی را به تابش روی سطح مایل ماژول‌های PV دقیقاً منتقل کند، با در نظر گرفتن کامل تابش مستقیم، تابش پخشی آسمانی و تابش انعکاسی زمین.
- شبیه‌سازی ویژگی‌های ماژول: از یک مدل فیزیکی دقیق برای مشخص کردن ویژگی‌های خروجی غیرخطی ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن کامل تأثیرات تابش و دما محیطی بر ولتاژ و جریان خروجی ماژول، تضمین دقت محاسبات تولید قدرت.
- مدل توربین بادی:
- اصلاح سرعت باد: سرعت باد مرجع از داده‌های هواشناسی را بر اساس قانون نمایی تنوع سرعت باد با ارتفاع به سرعت واقعی مرکز توربین تصحیح می‌کند.
- برازش منحنی توان: از یک تابع قطعه‌ای (معادلات دوجمله‌ای مختلف برای بازه‌های سرعت باد مختلف) استفاده می‌کند تا برازش با دقت بالا از منحنی توان خروجی واقعی توربین را انجام دهد، که 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 که دارای وضعیت‌های پویا است. مدل اصلی بر موارد زیر تمرکز دارد:
- محاسبه وضعیت شارژ (SOC): فرآیندهای شارژ و دیشارژ باتری را بر اساس رابطه بین تولید قدرت و مصرف بار در هر گام زمانی به صورت پویا شبیه‌سازی می‌کند، ظرفیت باقی‌مانده را به صورت دقیق محاسبه می‌کند، در حالی که عوامل عملی مانند نرخ خودشارژ، کارایی شارژ و کارایی مبدل را در نظر می‌گیرد.
- مدیریت شارژ-دیشارژ: برای تمدید عمر باتری، یک محدوده عملیاتی مناسب SOC تعریف می‌شود (مثلاً محدود کردن حداکثر عمق دیشارژ به ۵۰٪) و یک مدل مرتبط با ولتاژ شارژ شناور با SOC و دمای محیطی برای تعیین دقیق شرایط شارژ ایجاد می‌شود.
III. روش بهینه‌سازی و اندازه‌گیری سیستم
۳.۱ شاخص‌های قابلیت اطمینان تأمین قدرت
طراحی بر اساس تأمین نیازهای قابلیت اطمینان تأمین قدرت مشخص شده توسط کاربر اولویت دارد. شاخص‌های کلیدی شامل موارد زیر است:
- احتمال از دست دادن تأمین قدرت (LPSP): نسبت زمان خرابی سیستم به زمان کل ارزیابی، که به صورت مستقیم تداوم تأمین را نشان می‌دهد.
- احتمال از دست دادن بار (LLP): نسبت تقاضای قدرت بار که توسط سیستم تأمین نشده است به تقاضای کل. این مهم‌ترین شاخص اصلی برای طراحی بهینه سیستم است.
۳.۲ فرآیند بهینه‌سازی طراحی مرحله به مرحله
این راه‌حل از یک فرآیند بهینه‌سازی سیستماتیک استفاده می‌کند با هدف کمینه‌سازی هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات برای یافتن بهترین ترکیب.
- مرحله ۱: بهینه‌سازی ترکیب 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 باتری‌ها را که نیازهای قابلیت اطمینان پیش‌بینی شده (LPSP) را برآورده می‌کند و هزینه کل تجهیزات را کمینه می‌کند یافتن.
- روش اجرایی: از طریق محاسبات شبیه‌سازی، منحنی "تعادل" را که تمام ترکیبات PV و باتری که نیازهای قابلیت اطمینان را برآورده می‌کنند را نشان می‌دهد رسم می‌کند. سپس با استفاده از روش خط مماس هزینه یا انتخاب برنامه کامپیوتری بر اساس قیمت واحد تجهیزات، ترکیب بهینه منحصر به فرد با کمترین هزینه را تعیین می‌کند.
- مرحله ۲: بهینه‌سازی کلی با تغییر ظرفیت توربین بادی
- وظیفه اصلی: تغییر ظرفیت یا تعداد توربین‌های بادی، تکرار فرآیند بهینه‌سازی مرحله ۱ و یافتن یک سری ترکیبات بهینه و هزینه‌های متناظر آن‌ها برای ظرفیت‌های مختلف توربین بادی.
- تصمیم نهایی: مقایسه هزینه‌های کلی تمام راه‌حل‌های نامزد و انتخاب ترکیب باد-PV-باتری با کمترین هزینه کلی به عنوان ترکیب بهینه نهایی سیستم.
۳.۳ شبیه‌سازی عملکرد سیستم و خروجی
پس از تعیین ترکیب بهینه، عملکرد سیستم می‌تواند به صورت ساعت به ساعت برای یک سال شبیه‌سازی شود و گزارش‌های دقیق شامل موارد زیر تولید می‌شود:
- بعد زمانی: وضعیت شارژ باتری ساعتی، تعادل انرژی سیستم.
- بعد آماری: انرژی بار ناموفی‌شده روزانه/ماهانه/سالانه، شاخص‌های قابلیت اطمینان (LPSP, LLP)، سهم تولید قدرت بادی/فتوولتائیک، وضعیت اضافه و کمبود انرژی، و غیره.
IV. نتیجه‌گیری
روش طراحی بهینه‌سازی سیستم‌های تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک پیشنهاد شده در این راه‌حل، بر اساس مدل‌های ریاضی جامع و داده‌های هواشناسی دقیق محلی، می‌تواند ترکیب سیستم با کمترین هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات را به طور منحصر به فرد تعیین کند در حالی که نیازهای برق خاص کاربر و نیازهای قابلیت اطمینان تأمین قدرت را برآورده می‌کند. این روش به طور مؤثر نقص‌های سیستم‌های تولید انرژی از منبع تک‌منشا را حل می‌کند، محدودیت‌های روش‌های طراحی موجود را غلبه می‌کند و ابزاری قدرتمند برای طراحی علمی، کارآمد و اقتصادی سیستم‌های تولید انرژی هیبریدی باد-فتوولتائیک ارائه می‌دهد که ارزش قابل توجهی برای کاربردهای مهندسی دارد.
