Hybridi tuulivoima-aurinkovoima järjestelmän optimointi: Kattava suunnitteluratkaisu verkon ulkopuolisiin sovelluksiin

1. Johdanto ja tausta

1.1 Yksilähteen sähköntuotantojärjestelmien haasteet

Perinteiset yksipohjaiset aurinkosähkö- (PV) tai tuulivoimasähköntuotantojärjestelmät ovat luonteeltaan heikkoja. PV-sähköntuotanto on vaikutuksen alainen päivä-aikavaihteluille ja säähän, kun taas tuulivoima riippuu epävakaista tuulienergiavarannoista, mikä johtaa huomattaviin vaihteluihin sähköntuotannossa. Jatkuvan sähkön tarjoamisen varmistamiseksi tarvitaan suuret akkuvarastot energian varastointiin ja tasapainottamiseen. Kuitenkin akut, jotka kuluu usein lataus-purkukertoihin, voivat olla pitkään alaladatuina ankarissa toimolosuhteissa, mikä johtaa paljon lyhyempään käytännön käyttöikään kuin teoreettinen arvo. Lisäksi akkujen korkea hinta tarkoittaa, että niiden kokonaiskustannukset saattavat lähestyä tai jopa ylittää itse PV-moduulien tai tuuliturbiinien hinnan. Siksi akkujen käyttöajan pidentäminen ja järjestelmän kustannusten vähentäminen ovat olleet keskeisiä haasteita yksipohjaisten sähköntuotantojärjestelmien optimoinnissa.

1.2 Yhdistettyjen tuuli-aurinkosähköntuotantojärjestelmien merkittävät etumat

Yhdistetty tuuli-aurinkosähköntuotantoteknologia voittaa tehokkaasti yksilähteisten energialähteiden väliaikaista luonnetta yhdistämällä organoisesti kaksi uusiutuvaa energialähdettä, PV- ja tuulivoiman. Tuuli- ja aurinkoenergia näyttävät luonnollista komplementtisuutta ajan suhteen (päivä/yö, vuodenaikat): vahva päivänvalo usein yhtyy potentiaalisesti vahvempiin yötuuliin; hyvä aurinkoistus kesällä voi yhdistyä riittäviin tuulivoimiin talvella. Tämä komplementtisuus mahdollistaa:

• Akkujen tehokkaan latausajan huomattavan pidentymisen, mikä vähentää aikaa, jolloin ne ovat alaladatuina, joten akkujen käyttöikä pidentyy huomattavasti.
• Vaatimusten vähentymisen akkukapasiteetille. Koska molempien, tuulen ja aurinkoenergian, olevan samanaikaisesti pois käytöstä todennäköisyys on pieni, järjestelmä voi usein tuottaa sähköä suoraan lataukseen, mikä mahdollistaa pienemmän kapasiteetin akkupankin käytön.
• Kansalliset ja kansainväliset tutkimukset vahvistavat, että yhdistetyt tuuli-aurinkosähköntuotantojärjestelmät ylittävät yksilähteen sähköntuotantojärjestelmät sekä sähköntarjonnan luotettavuudessa että elinkaari-kustannuseffektiivisyydessä.

1.3 Olemassa olevien suunnittelumenetelmien puutteet ja ehdotettu ratkaisu

Nykyinen järjestelmän suunnittelu kohtaa haasteita. Ulkomaiset ammattitaitoiset simulointiohjelmistot ovat kalliita, ja niiden ydinmallit ovat usein salaisia, mikä estää laajaa käyttöä. Samalla monet yksinkertaistetut suunnittelumenetelmät ovat riittämättömiä – joko ne perustuvat liian paljon säätilastotietoihin, jättäen yksityiskohdat huomiotta, tai käyttävät lineaarisia yksinkertaistettuja malleja, jotka johtavat rajalliseen tarkkuuteen ja huonoon soveltuvuuteen.

Tämä ratkaisu tavoittelee ehdottamaan tarkkaa ja käytännöllistä tietokoneavusteista suunnittelumenetelmää edellä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi.

II. Järjestelmän rakenne ja ytimen tekniset mallit

2.1 Järjestelmän arkkitehtuuri

Tässä ratkaisussa suunniteltu yhdistetty tuuli-aurinkosähköntuotantojärjestelmä on täysin itsenäinen off-grid-järjestelmä, ilman varakäyttöä, kuten dieselgeneraattoreja. Ytimen komponentit sisältävät:

• Sähköntuotantoyksikkö: Tuuliturbiinigeneraattorit, PV-paneelijoukko.
• Energian varastointi ja hallinta yksikkö: Akkupankki, laturin hallintayksikkö (hallitsee latausta ja purkua).
• Suojauksen ja muuntaminen yksikkö: Uudelleenohjauslataus (estää akun ylilatautumisen, suojailee inverteria), inverteri (muuntaa DC:n AC:ksi vastaamaan useimpien lataustarpeiden).
• Sähkönkulutusyksikkö: Lataus.

2.2 Tarkat sähköntuotantomallit

Optimoituun suunnitteluun saavuttamiseksi olemme kehittäneet tarkat tunnitittaiset sähköntuotantomallit.

• PV-paneelijoukon malli:
1. Aurinkosäteilyn transpoositio: Käyttää edistynyttä anisotrooppista taivaan diffuusiomallia siirtämään tarkasti horisontaalista aurinkosäteilydataa, mitattua sääasemilla, loivulle pinnalle PV-paneelien, ottaen huomioon suoran säteilyn, taivaan diffuusion ja maan peilauksen.
2. Modulin ominaisuuden simulointi: Käyttää tarkkaa fysikaalista mallia karakterisoimaan PV-paneelien epälineaarisen tulostuksen, ottaen huomioon säteilyn ja ympäristölämpötilan vaikutukset paneelin jännite- ja virtatuotteeseen, varmistaen sähköntuotannon laskennan tarkkuuden.
• Tuuliturbiinin malli:
1. Tuulinvauhdin korjaus: Korjaa säätilastodatusta peräisin olevan viitetasolle tuulinvauhdin oikeaksi huipputasolle tuulinvauhdin korkeuden mukaan eksponentiaalisella lain mukaan.
2. Tehokäyrän sopitus: Käyttää segmentoitua funktiota (eri binomiaalisia yhtälöitä eri tuulinvauhdin välillä) saavuttaakseen korkean tarkkuuden tuuliturbiinin todellisen tehokäyrän sopituksen, mahdollistaen tarkan tunnitittaisen energian laskennan tuulinvauhdidataa perusteella.

2.3 Akun dynaaminen ominaisuusmalli

Aku on ytimen energiavarasto, jonka tila muuttuu dynaamisesti. Malli keskittyy pääasiassa seuraaviin:

• Lataustason (SOC) laskenta: Simuloi dynaamisesti akun lataus- ja purkuprosesseja perustuen sähköntuotannon ja latauskulutuksen väliseen suhteeseen jokaisessa aikavaiheessa, laskien tarkan jäännösvaraston, ottamalla huomioon käytännön tekijöitä, kuten itsepurkunopeus, lataustehokkuus ja inverterin tehokkuus.
• Lataus-purkun hallinta: Akun käyttöajan pidentämiseksi määritellään kohtuullinen SOC-toimintaväli (esimerkiksi rajoittamalla maksimipurkusuuruuden 50%:iin), ja luodaan malli, joka yhdistää levityslatausjänniten SOC:aan ja ympäristölämpötilaan, määrittääkseen tarkasti latausolosuhteet.

III. Järjestelmän optimointi ja mittoitusmenetelmä

3.1 Sähköntarjonnan luotettavuusindikaattorit

Suunnitelma painottaa käyttäjän määrittelemien sähköntarjonnan luotettavuusvaatimusten täyttämistä. Avaintekijät ovat:

• Sähköntarjonnan häiriintymisen todennäköisyys (LPSP): Järjestelmän keskeytyksen osuus koko arvioinnin ajasta, joka intuitiivisesti heijastaa tarjonnan jatkuvuutta.
• Latausvaatimuksen häiriintymisen todennäköisyys (LLP): Järjestelmän latausvaatimuksen täyttämättä jäämien osuus koko vaatimuksesta. Tämä on tärkein ydinindikaattori järjestelmän optimointisuunnittelussa.

3.2 Vaiheittainen optimointisuunnittelu

Tämä ratkaisu noudattaa järjestelmällistä optimointiprosessia, jolla pyritään minimoida laitteen alkuperäiset investointikustannukset löytääksemme optimaalisen konfiguraation.

1. Vaihe 1: Optimoivan PV- ja akkukonfiguraation löytäminen kiinteällä tuuliturbiinin kapasiteetilla
• Ydin tehtävä: Kun tuuliturbiinin malli ja määrä on kiinteä, löydä PV-paneelin ja akun kapasiteettiyhdistelmä, joka täyttää määriteltyjä luotettavuusindikaattoreita (LPSP) ja johtaa matalimpaan kokonaismateriaalin kustannukseen.
• Toteutustapa: Simulaatiolaskennan avulla piirretään "tasapainokäyrä", joka kuvaa kaikki PV- ja akukonfiguraatiot, jotka täyttävät luotettavuusvaatimuksen. Sitten, käyttäen kustannustangenttimenetelmää tai tietokoneohjelman valintaa laitteen yksikköhintojen perusteella, määritetään yksilöllinen optimaalinen yhdistelmä, jolla on matalin kustannus.
2. Vaihe 2: Globaali optimointi muuttamalla tuuliturbiinin kapasiteettia
• Ydin tehtävä: Muuta tuuliturbiinin kapasiteetti tai määrä, toista vaiheen 1 optimointiprosessi ja saa sarjan optimaaleja konfiguraatioita ja niiden vastaavia kustannuksia eri tuuliturbiinin kapasiteeteille.
• Lopullinen päätös: Vertaa kaikkien ehdokasratkaisujen kokonaiskustannuksia ja valitse globaalisti matalimmalla kustannuksella oleva tuuli-PV-akuyhdistelmä lopulliseksi optimoituksi järjestelmäkonfiguraatioksi.

3.3 Järjestelmän suorituskyvyn simulointi ja tuloste

Optimaalisen konfiguraation määrittämisen jälkeen järjestelmän vuosittainen toiminta voidaan simuloida tunnin välein, tuottaen yksityiskohtaisia raportteja, mukaan lukien:

• Aikadimensio: Tunnittaiset akun lataustason tiedot, järjestelmän energiatase.
• Tilastodimensio: Päivittäiset/kuukausittaiset/vuosittaiset latausvaatimukset, luotettavuusindikaattorit (LPSP, LLP), tuuli- ja aurinkosähköntuotannon osuudet, energiansaannin ylijäämä- ja alijäämätilanteet jne.

IV. Johtopäätös

Tämän ratkaisun ehdottama yhdistetty tuuli-aurinkosähköntuotantojärjestelmän optimointimenetelmä, joka perustuu kattaviin matemaattisiin malleihin ja tarkkoihin paikallisiin säätilastotietoihin, voi yksiselitteisesti määrittää järjestelmän konfiguraation, jolla on pienin alkuperäinen laitteen investointikustannus, samalla kun se täyttää tietyt käyttäjän sähkötarpeet ja sähköntarjonnan luotettavuusvaatimukset. Tämä menetelmä käsittelee tehokkaasti yksilähteen sähköntuotantojärjestelmien puutteita, ylittää olemassa olevien suunnittelumenetelmien rajoitukset ja tarjoaa voimakkaan työkalun yhdistettyjen tuuli-aurinkosähköntuotantojärjestelmien tieteelliselle, tehokkaalle ja taloudelliselle suunnittelulle, jolla on merkittävä arvo insinöörityössä.