מערכת היברידית של אנרגיה רוח-שמש אופטימלית: פתרון עיצוב מקיף ליישומים חיצוניים לרשת

1. הקדמה והשראה

1.1 אתגרים במערכות ייצור חשמל ממקור יחיד

מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאי (PV) או רוח טיפוסיות סובלות מתכונות פנימיות שליליות. ייצור חשמל באמצעות PV מושפע מחזורי יום ולילה ותנאי מזג אוויר, בעוד שיצירת חשמל באמצעות רוח תלויה במשאבי רוח בלתי יציבים, מה שמוביל לתנודות משמעותיות בהספק החשמלי הנוצר. כדי להבטיח אספקה מתמשכת של חשמל, יש צורך בבנקי סוללות קיבולת גבוהים לאחסון ואיזון אנרגיה. עם זאת, סוללות המופעלות בתדר גבוה של טעינה ומיחזור נמצאות לעיתים קרובות במצב של טעינה חלקית לאורך זמן תחת תנאי פעולה קשים, מה שמוביל לחיי שימוש מעשיים הרבה יותר קצרים מהערך התיאורטי. חשוב יותר, עלויות הגבוהות של הסוללות גורמות לכך שהעלות הכוללת של מחזור החיים שלהן עשויה להתקרב ואף לעקוף את עלות הרכיבים הפוטו-וולטאים או הטורבינות הרוח עצמן. לכן, הארכת חיי הסוללות והפחתת עלויות המערכת הפכו לאתגרים מרכזיים באופטימיזציה של מערכות חשמל עצמאיות.

1.2 יתרונות משמעותיים בייצור חשמל היברידי של רוח-שמש

טכנולוגיית ייצור חשמל היברידית של רוח-שמש מצליחה להתגבר על הביטויים בין-מזהמים של מקורות אנרגיה בודדים על ידי שילוב אורגני של PV ורוח, שני מקורות אנרגיה מתחדשים. אנרגיית השמש ואנרגיית הרוח מציגות משלים טבעי בזמן (יום/לילה, עונות): אור שמש חזק במהלך היום מלווה לעיתים ברוח חזקה יותר בלילה; קרינת שמש טובה בקיץ יכולה להתאים למקורות רוח רבים בחורף. המשלים מאפשר:

• הארכה משמעותית של זמן הטעינה האפקטיבי של הסוללות, הפחתת הזמן שבו הן נמצאות במצב של טעינה חלקית, ובכך הארכת משמעותית של חיי השימוש בסוללה.
• הפחתת הקיבולת הנדרשת של הסוללות. מכיוון שהסיכוי לשני מקורות האנרגיה להיות זמינים בו-זמנית נמוך, המערכת יכולה לעתים קרובות להפעיל את העומס באופן ישיר, מה שמאפשר שימוש בבנק סוללות קטן יותר.
• מחקרים מקומיים וינלאומיים מאשרים כי מערכות היברידיות של רוח-שמש מצליחות להשתחרר מעל מערכות ייצור חשמל ממקור בודד במונחים של אמינות אספקת החשמל ויעילות עלות לאורך מחזור החיים.

1.3 חסרונות בשיטותراحבעכנויות קיימות והצעת פתרון

עיצוב המערכת הנוכחי מתמודד עם אתגרים. תוכנות סימולציה מקצועיות מאובחנות הם יקרות, והדגמים העיקריים שלהם הם לעתים קרובות סודיים, מה שמפריע להפצה רחבה. באותו הזמן, רוב שיטות העיצוב המ洎ישות אינן מספיקות - הן מתבססות מדי על ממוצעי מזג אוויר תוך התעלמות מהפרטים, או משתמשות במודלים פשוטים ליניאריים המובילים דיוק מוגבל ושימושיות גרועה.

הפתרון הזה מנסה להציע סדרה של שיטות עיצוב מדויקות ומעשיות המבוססות על מחשב כדי להתמודד עם הבעיות הנ"ל.

II. מבנה המערכת ודגמים טכנולוגיים מרכזיים

2.1 ארכיטקטורת המערכת

מערכת הייצור ההיברידית של רוח-שמש שתכננו לפתרון זה היא מערכת עצמאית לחלוטין ללא גישה לרשת, ללא מקורות גיבוי כמו גנרטורים דיזל. המרכיבים המרכזיים כוללים:

• יחידה לייצור חשמל: טורבינות רוח, מערך PV.
• יחידה לאחסון ואישור אנרגיה: בנק סוללות, מנהל טעינה (לניהול טעינה ומיחזור).
• יחידה להגנה והמרה: עומס פליטה (מניעת טעינה יתר של הסוללה, הגנה על המומר), ממיר (המרת DC ל-AC כדי לעמוד בדרישות העומס הרבות).
• יחידה לצריכת חשמל: עומס.

2.2 דגמים מדויקים לחישוב ייצור חשמל

כדי להשיג עיצוב מותאם, הקמנו דגמי חישוב ייצור חשמל מדויקים שעושים חישובים שעה אחר שעה.

• דגם מערך PV:
1. העברת קרינת השמש: משתמש במודל מתקדם של פיזור שמיים אניסוטרופי כדי להעביר את נתוני הקרינה האופקיים שנמדדו על ידי תחנות מזג אוויר לקרינת השמש המגיעה לפני השטח המטוס של מערך ה-PV, תוך שילוב מלא של קרינת השמש הישירה, קרינת השמיים הפוזרת וקרינת השטח המוחזרת.
2. シミュレーションの特徴: PVモジュールの非線形出力特性を正確に特徴付けるための精密な物理モデルを使用し、照射量と周囲温度がモジュールの出力電圧および電流に及ぼす影響を完全に考慮に入れることで、発電計算の正確さを確保します。
• 風力タービンモデル:
1. 風速補正: 気象データからの基準高さの風速を、高度とともに風速の変化を支配する指数法則に基づいて実際のハブ高さの風速に補正します。
2. パワーカーブフィッティング: 分割関数（異なる風速間隔に対する異なる二項方程式）を使用して、タービンの実際のパワーアウトプットカーブを高精度にフィッティングし、風速データに基づく時間単位のエネルギー計算を可能にします。

2.3 バッテリ動的特性モデル

バッテリは、エネルギー格納の中心的なコンポーネントであり、その状態は動的に変化します。このモデルは主に以下の点に焦点を当てています：

• SOC（充電状態）計算： 各タイムステップでの発電と負荷消費との関係に基づいて、バッテリの充電・放電プロセスを動的にシミュレートし、残容量を正確に計算します。自己放電率、充電効率、インバータ効率などの実用的な要素も考慮に入れます。
• 充電・放電管理： バッテリの寿命を延ばすために、適切なSOC動作範囲を定義します（例えば、最大放電深度を50%に制限）。また、浮動充電電圧とSOCおよび周囲温度との相関モデルを確立し、充電条件を正確に決定します。

III. システム最適化とサイズ設計方法論

3.1 電力供給信頼性指標

設計では、ユーザーが指定した電力供給信頼性要件を満たすことが優先されます。主要な指標には以下があります：

• 電力供給喪失確率（LPSP）： システム停止時間と評価時間全体の比率で、供給の継続性を直感的に反映します。
• 負荷損失確率（LLP）： システムが満たしていない負荷電力需要と総需要の比率。これはシステム最適化設計における最も重要な核心指標です。

3.2 段階的な最適化設計プロセス

本ソリューションでは、システム的な最適化プロセスを採用し、設備の初期投資コストを最小限に抑えることを目指しています。

1. ステップ1：固定された風力タービン容量でのPVとバッテリ構成の最適化
• コアタスク： 風力タービンのモデルと数量が固定されている条件下で、事前に定めた信頼性指標（LPSP）を満たし、かつ総設備コストが最低となるPVモジュールとバッテリの容量の組み合わせを見つける。
• 実装方法： シミュレーション計算を通じて、信頼性要件を満たすすべてのPVとバッテリ構成を表す「バランス曲線」を描画する。その後、機器単価に基づくコスト接線法またはコンピュータプログラムによるスクリーニングを使用して、最低コストの一意の最適組み合わせを決定する。
2. ステップ2：風力タービン容量を変更したグローバル最適化
• コアタスク： 風力タービンの容量または数量を変更し、ステップ1の最適化プロセスを繰り返し、異なる風力タービン容量に対する一連の最適構成とそれらの対応するコストを得る。
• 最終決定： すべての候補ソリューションの総コストを比較し、グローバルで最も低いコストを持つ風力-PV-バッテリの組み合わせを選択し、最終的な最適化されたシステム構成とする。

3.3 システム性能シミュレーションと出力

最適な構成を決定した後、システムの年間運転を時間単位でシミュレートし、以下のような詳細な報告書を生成することができます：

• 時間次元： 時間単位のバッテリの充電状態、システムエネルギー収支。
• 統計次元： 日別/月別/年別の未満足負荷エネルギー、信頼性指標（LPSP、LLP）、風力/太陽光発電のシェア、エネルギー過剰と不足の状況など。

IV. 結論

本ソリューションで提案される風力-太陽光ハイブリッド発電システムの最適設計方法は、包括的な数学モデルと正確な地域気象データに基づいており、特定のユーザーの電力需要と電力供給信頼性要件を満たしながら、初期設備投資コストが最小となるシステム構成を一意に決定することができます。この方法は、単一源発電システムの欠点を効果的に解決し、既存の設計アプローチの制約を克服し、風力-太陽光ハイブリッド発電システムの科学的、効率的、経済的な設計に強力なツールを提供し、エンジニアリングアプリケーションにおいて重要な価値を持っています。