Système hybride éolien-solaire optimisé : Une solution de conception complète pour les applications hors réseau

1. Introduction et contexte

1.1 Défis des systèmes de production d'énergie à source unique

Les systèmes de production d'énergie photovoltaïque (PV) ou éolienne traditionnels ont des inconvénients inhérents. La production d'énergie PV est affectée par les cycles diurnes et les conditions météorologiques, tandis que la production d'énergie éolienne dépend de ressources éoliennes instables, ce qui entraîne des fluctuations importantes de la production d'électricité. Pour assurer une alimentation continue, des batteries de grande capacité sont nécessaires pour le stockage et l'équilibrage de l'énergie. Cependant, les batteries subissant des cycles de charge-décharge fréquents sont susceptibles de rester en état de sous-charge pendant de longues périodes dans des conditions de fonctionnement difficiles, ce qui se traduit par une durée de vie pratique bien inférieure à la valeur théorique. Plus important encore, le coût élevé des batteries signifie que leur coût total sur le cycle de vie peut approcher ou même dépasser le coût des modules PV ou des éoliennes elles-mêmes. Par conséquent, prolonger la durée de vie des batteries et réduire les coûts du système sont devenus les défis centraux pour optimiser les systèmes autonomes.

1.2 Avantages significatifs de la production d'énergie hybride éolienne-solaire

La technologie de production d'énergie hybride éolienne-solaire surmonte efficacement l'intermittence des sources d'énergie uniques en combinant organiquement deux sources d'énergie renouvelables, l'énergie solaire et l'énergie éolienne. L'énergie solaire et l'énergie éolienne présentent une complémentarité naturelle dans le temps (jour/nuit, saisons) : une forte luminosité pendant la journée coïncide souvent avec des vents potentiels plus forts la nuit ; une bonne irradiation solaire en été peut s'accompagner de ressources éoliennes abondantes en hiver. Cette complémentarité permet :

• Une extension significative du temps de charge effectif des batteries, réduisant le temps qu'elles passent en état de sous-charge, ce qui prolonge considérablement leur durée de vie.
• Une réduction de la capacité de batterie requise. Comme la probabilité que l'énergie solaire et éolienne soient simultanément indisponibles est faible, le système peut souvent alimenter directement la charge, permettant l'utilisation d'une banque de batteries de capacité réduite.
• Des études nationales et internationales confirment que les systèmes hybrides éolien-solaire surpassent les systèmes de production d'énergie à source unique en termes de fiabilité de l'alimentation et de rentabilité sur le cycle de vie.

1.3 Insuffisances des méthodes de conception existantes et solution proposée

La conception actuelle des systèmes fait face à des défis. Les logiciels de simulation professionnels étrangers sont coûteux, et leurs modèles de base sont souvent confidentiels, entravant leur adoption généralisée. De plus, la plupart des méthodes de conception simplifiées sont insuffisantes - soit elles s'appuient trop sur des moyennes météorologiques en ignorant les détails, soit elles utilisent des modèles linéaires simplifiés, ce qui se traduit par une précision limitée et une faible applicabilité.

Cette solution vise à proposer un ensemble de méthodologies de conception assistée par ordinateur précises et pratiques pour résoudre ces problèmes.

II. Composition du système et modèles techniques clés

2.1 Architecture du système

Le système de production d'énergie hybride éolien-solaire conçu dans cette solution est un système totalement autonome hors réseau, sans sources d'alimentation de secours comme les générateurs diesel. Les composants clés incluent :

• Unité de production d'énergie : Générateurs éoliens, panneaux photovoltaïques.
• Unité de stockage et de gestion de l'énergie : Banque de batteries, contrôleur de charge (pour gérer la charge et la décharge).
• Unité de protection et de conversion : Charge de diversion (empêche la surcharge des batteries, protège l'onduleur), onduleur (convertit le courant continu en alternatif pour répondre aux exigences de la plupart des charges).
• Unité de consommation d'énergie : Charge.

2.2 Modèles de calcul de production d'énergie précis

Pour atteindre une conception optimisée, nous avons établi des modèles de calcul de production d'énergie horaire précis.

• Modèle de panneaux photovoltaïques :
1. Transposition du rayonnement solaire : Utilise un modèle de diffusion anisotrope avancé pour transposer avec précision les données de rayonnement solaire horizontal mesurées par les stations météorologiques au rayonnement incident sur la surface inclinée des modules PV, en tenant compte de manière globale du rayonnement direct, de la diffusion atmosphérique et de la réflexion du sol.
2. Simulation des caractéristiques des modules : Emploie un modèle physique précis pour caractériser les caractéristiques non linéaires de sortie des modules PV, en tenant pleinement compte des effets de l'irradiance et de la température ambiante sur la tension et le courant de sortie des modules, garantissant ainsi la précision des calculs de production d'énergie.
• Modèle d'éolienne :
1. Correction de la vitesse du vent : Corrige la vitesse du vent de référence provenant des données météorologiques à la vitesse du vent réelle au niveau du moyeu en se basant sur la loi exponentielle régissant la variation de la vitesse du vent avec la hauteur.
2. Ajustement de la courbe de puissance : Utilise une fonction segmentée (des équations binomiales différentes pour différents intervalles de vitesse du vent) pour réaliser un ajustement de haute précision de la courbe de puissance réelle de la turbine, permettant un calcul précis de l'énergie horaire en fonction des données de vitesse du vent.

2.3 Modèle de caractéristiques dynamiques de la batterie

La batterie est le composant de stockage d'énergie central, dont les états changent dynamiquement. Le modèle se concentre principalement sur :

• Calcul de l'état de charge (SOC) : Simule dynamiquement les processus de charge et de décharge de la batterie en fonction de la relation entre la production d'énergie et la consommation de la charge à chaque pas de temps, en calculant précisément la capacité restante, tout en prenant en compte des facteurs pratiques tels que le taux de décharge automatique, l'efficacité de charge et l'efficacité de l'onduleur.
• Gestion de la charge-décharge : Pour prolonger la durée de vie de la batterie, une plage de fonctionnement SOC raisonnable est définie (par exemple, en limitant la profondeur maximale de décharge à 50 %), et un modèle corrélant la tension de charge flottante avec le SOC et la température ambiante est établi pour déterminer précisément les conditions de charge.

III. Méthodologie d'optimisation et de dimensionnement du système

3.1 Indicateurs de fiabilité de l'alimentation électrique

La conception priorise la satisfaction des exigences de fiabilité de l'alimentation électrique spécifiées par l'utilisateur. Les indicateurs clés comprennent :

• Probabilité de perte d'alimentation (LPSP) : Le rapport entre le temps d'interruption du système et le temps total d'évaluation, reflétant intuitivement la continuité de l'alimentation.
• Probabilité de perte de charge (LLP) : Le rapport entre la demande de puissance de la charge non satisfaite par le système et la demande totale. C'est l'indicateur central le plus critique pour la conception optimisée du système.

3.2 Processus d'optimisation de la conception étape par étape

Cette solution adopte un processus d'optimisation systématique, visant à minimiser le coût initial d'investissement des équipements pour trouver la configuration optimale.

1. Étape 1 : Optimiser la configuration PV et de la batterie pour une capacité fixe d'éoliennes
• Tâche principale : Dans le cas où le modèle et le nombre d'éoliennes sont fixes, trouver la combinaison de capacités de modules PV et de batteries qui satisfait l'indicateur de fiabilité prédéfini (LPSP) et qui a le coût total d'équipement le plus bas.
• Méthode de mise en œuvre : Par le biais de calculs de simulation, tracer la "courbe d'équilibre" représentant toutes les configurations PV et de batteries qui satisfont l'exigence de fiabilité. Ensuite, en utilisant la méthode de la tangente de coût ou en sélectionnant par programme informatique en fonction des prix unitaires des équipements, déterminer la combinaison optimale unique avec le coût le plus bas.
2. Étape 2 : Optimisation globale en variant la capacité des éoliennes
• Tâche principale : Modifier la capacité ou le nombre d'éoliennes, répéter le processus d'optimisation de l'étape 1, et obtenir une série de configurations optimales et de leurs coûts correspondants pour différentes capacités d'éoliennes.
• Décision finale : Comparer les coûts totaux de toutes les solutions candidates et sélectionner la combinaison éolienne-PV-batterie avec le coût global le plus bas comme configuration système optimisée finale.

3.3 Simulation de la performance du système et sortie

Après avoir déterminé la configuration optimale, l'exploitation annuelle du système peut être simulée heure par heure, générant des rapports détaillés comprenant :

• Dimension temporelle : État de charge de la batterie horaire, bilan énergétique du système.
• Dimension statistique : Énergie de charge non satisfaite quotidiennement/mensuellement/annuellement, indicateurs de fiabilité (LPSP, LLP), part de production d'énergie éolienne et solaire, situations d'excédent et de déficit énergétique, etc.

IV. Conclusion

La méthode de conception optimisée pour les systèmes de production d'énergie hybride éolien-solaire proposée dans cette solution, basée sur des modèles mathématiques complets et des données météorologiques locales précises, peut déterminer de manière unique la configuration du système avec le coût initial d'investissement en équipement le plus bas tout en satisfaisant les besoins électriques spécifiques des utilisateurs et les exigences de fiabilité de l'alimentation. Cette méthode résout efficacement les insuffisances des systèmes de production d'énergie à source unique, surmonte les limites des approches de conception existantes, et fournit un outil puissant pour la conception scientifique, efficace et économique des systèmes de production d'énergie hybride éolien-solaire, offrant une valeur significative pour les applications d'ingénierie.