Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico Optimizado: Unha Solución de Diseño Integral para Aplicacións Off-Grid

1. Introdución e antecedentes

1.1 Desafíos dos sistemas de xeración de enerxía dunha soa fonte

Os sistemas tradicionais de xeración fotovoltaica (PV) ou eólica teñen desvantaxes inerentes. A xeración de enerxía fotovoltaica está afectada polos ciclos diurnos e as condicións meteorolóxicas, mentres que a xeración de enerxía eólica depende de recursos de vento instables, o que provoca fluctuacións significativas na produción de enerxía. Para asegurar un suministro continuo de enerxía, son necesarios bancos de baterías de gran capacidade para o almacenamento e equilibrio da enerxía. No entanto, as baterías que se cargan e descargan con frecuencia están propensas a permanecer en un estado de subcarga durante períodos prolongados en condicións de funcionamento duras, resultando nunha vida útil práctica moito máis curta que o valor teórico. Máis críticamente, o alto custo das baterías significa que o seu custo total ao longo do ciclo de vida pode aproximar ou incluso superar o custo dos módulos PV ou aerxeneradores mesmos. Polo tanto, estender a vida útil das baterías e reducir os custos do sistema converteuse nos principais desafíos para optimizar os sistemas autónomos de enerxía.

1.2 Ventajas significativas da xeración híbrida eólica-solar

A tecnoloxía de xeración híbrida eólica-solar supera eficazmente a intermitencia das fuentes de enerxía únicas combinando orgánicamente a enerxía solar e eólica, dúas fontes de enerxía renovable. A enerxía eólica e solar exhiben un complemento natural no tempo (día/noite, estacións): a forte luz solar durante o día adoita coincidir con posibles vientos máis fortes durante a noite; a boa irradiación solar no verán pode combinarse con abundantes recursos eólicos no inverno. Esta complementariedad permite:

• Unha extensión significativa do tempo efectivo de carga das baterías, reducindo o tempo que pasan en un estado de subcarga, alargando así substancialmente a vida útil das baterías.
• Reducción da capacidade de batería necesaria. xa que a probabilidade de que ambos, o sol e o vento, non estejan dispoñibles simultaneamente é baixa, o sistema pode alimentar directamente a carga, permitindo o uso dun banco de baterías de menor capacidade.
• Estudos nacionais e internacionais confirmaron que os sistemas híbridos eólico-solares superan aos sistemas de xeración de enerxía dunha soa fonte tanto en fiabilidade do suministro eléctrico como en eficacia de custo ao longo do ciclo de vida.

1.3 Deficiencias dos métodos de deseño existentes e a solución proposta

O deseño actual do sistema enfréntase a desafíos. O software de simulación profesional de fora é caro, e os seus modelos centrais son a miúdo confidenciais, dificultando a súa adopción xeral. Mentres tanto, a maioría dos métodos de deseño simplificados son inadequados, xa que ou dependen demasiado das medias meteorolóxicas ignorando os detalles, ou usan modelos simplificados lineares que levam a unha precisión limitada e pobre aplicabilidade.

Esta solución ten como obxectivo propor un conxunto de metodoloxías de deseño axudado por ordenador precisas e prácticas para abordar estas cuestións.

II. Composición do sistema e modelos técnicos centrais

2.1 Arquitectura do sistema

O sistema de xeración híbrida eólica-solar deseñado nesta solución é un sistema completamente autónomo e off-grid, sen fontes de enerxía de apoio como xeradores de diésel. Os compoñentes centrais inclúen:

• Unidade de xeración de enerxía: Aerxeneradores, array fotovoltaico.
• Unidade de almacenamento e xestión de enerxía: Banco de baterías, controlador de carga (para xestionar a carga e descarga).
• Unidade de protección e conversión: Carga de desvío (prevén a sobrecarga da batería, protexendo o inversor), inversor (converte CC a CA para satisfacer a maioría das necesidades de carga).
• Unidade de consumo de enerxía: Carga.

2.2 Modelos precisos de cálculo de xeración de enerxía

Para lograr un deseño optimizado, establecemos modelos precisos de cálculo horario de xeración de enerxía.

• Modelo de array fotovoltaico:
1. Transposición da radiación solar: Utiliza un modelo avanzado de difusión anisotrópica do ceo para transpor con precisión os datos de radiación solar horizontal medidos por estacións meteorolóxicas á irradiación incidente na superficie inclinada dos módulos fotovoltaicos, considerando comprehensivamente a radiación directa, a radiación difusa do ceo e a radiación reflectida do terreo.
2. Simulación de características do módulo: Emprega un modelo físico preciso para caracterizar as características de saída non lineal dos módulos fotovoltaicos, tendo en conta completamente os efectos da irradiación e a temperatura ambiente na tensión e corrente de saída do módulo, asegurando a precisión dos cálculos de xeración de enerxía.
• Modelo de aerxenerador:
1. Corrección da velocidade do vento: Corrige a velocidade do vento a altura de referencia desde os datos meteorolóxicos á velocidade real do vento a altura do hub baseándose na lei exponencial que rixe a variación da velocidade do vento con a altura.
2. Ajuste da curva de potencia: Usa unha función segmentada (diferentes ecuacións binomiais para diferentes intervalos de velocidade do vento) para lograr un ajuste de alta precisión da curva de potencia real do aerxenerador, permitindo un cálculo horario de enerxía precisa basado en datos de velocidade do vento.

2.3 Modelo de características dinámicas da batería

A batería é o compoñente central de almacenamento de enerxía, coas súas estados cambiando dinámicamente. O modelo centrase principalmente en:

• Cálculo do estado de carga (SOC): Simula dinámicamente os procesos de carga e descarga da batería baseándose na relación entre a xeración de enerxía e o consumo de carga en cada paso de tempo, calculando con precisión a capacidade restante, tendo en conta factores prácticos como a taxa de autodescarga, a eficiencia de carga e a eficiencia do inversor.
• Xestión de carga e descarga: Para estender a vida útil da batería, defínese un rango operativo de SOC razonable (por exemplo, limitando a profundidade máxima de descarga ao 50%), e estabeleceuse un modelo que correlaciona a tensión de carga flotante co SOC e a temperatura ambiente para determinar con precisión as condicións de carga.

III. Metodoloxía de optimización e dimensionamento do sistema

3.1 Indicadores de fiabilidade do suministro de enerxía

O deseño prioriza a satisfacción dos requisitos específicos de fiabilidade do suministro de enerxía do usuario. Os indicadores clave inclúen:

• Probabilidade de perda de suministro de enerxía (LPSP): A relación entre o tempo de interrupción do sistema e o tempo total de avaliación, refletindo intuitivamente a continuidade do suministro.
• Probabilidade de perda de carga (LLP): A relación entre a demanda de potencia de carga non atendida polo sistema e a demanda total. Este é o indicador central máis crítico para o deseño de optimización do sistema.

3.2 Proceso de deseño de optimización paso a paso

Esta solución adopta un proceso sistemático de optimización, con o obxectivo de minimizar o custo inicial de investimento en equipos para atopar a configuración óptima.

1. Paso 1: Optimización da configuración de PV e batería para unha capacidade fixa de aerxenerador
• Tarefa central: Baixo a condición de que o modelo e a cantidade de aerxeneradores están fixos, atopar a combinación de capacidades de módulos PV e baterías que cumpra o indicador de fiabilidade predeterminado (LPSP) e resulte no custo total de equipos máis baixo.
• Método de implementación: A través de cálculos de simulación, traza a "curva de balance" que representa todas as configuracións de PV e baterías que cumpran o requisito de fiabilidade. A continuación, utilizando o método de tanxente de custo ou a selección informática baseada nos prezos unitarios de equipos, determina a única combinación óptima co custo máis baixo.
2. Paso 2: Optimización global variando a capacidade de aerxenerador
• Tarefa central: Cambiar a capacidade ou a cantidade de aerxeneradores, repetir o proceso de optimización do Paso 1 e obter unha serie de configuracións óptimas e os seus custos correspondentes para diferentes capacidades de aerxeneradores.
• Decisión final: Comparar os custos totais de todas as solucións candidatas e seleccionar a combinación de eólica-PV-batería co custo global máis baixo como a configuración final do sistema optimizado.

3.3 Simulación e saída do rendemento do sistema

Despois de determinar a configuración óptima, a operación anual do sistema pode ser simulada hora a hora, xerando informes detallados que inclúen:

• Dimensión temporal: Estado de carga da batería horario, balance de enerxía do sistema.
• Dimensión estatística: Enerxía de carga non atendida diaria/mensual/anual, indicadores de fiabilidade (LPSP, LLP), participación de xeración eólica/solar, situacións de excedente e déficit de enerxía, etc.

IV. Conclusión

O método de deseño optimizado para sistemas de xeración híbrida eólica-solar proposto nesta solución, baseado en modelos matemáticos comprehensivos e datos meteorolóxicos locais precisos, pode determinar de forma única a configuración do sistema co custo inicial de investimento en equipos mínimo, ao mesmo tempo que satisfai as demandas específicas de electricidade do usuario e os requisitos de fiabilidade do suministro de enerxía. Este método aborda eficazmente as deficiencias dos sistemas de xeración de enerxía dunha soa fonte, supera as limitacións dos enfoques de deseño existentes e proporciona unha ferramenta poderosa para o deseño científico, eficiente e económico de sistemas de xeración híbrida eólica-solar, coñecendo un valor significativo para as aplicacións enxeñeras.