Hibridni vjetro-sunčani sustav optimizacije: Kompletna dizajnerska rješenja za primjene izvan mreže

1. Uvod i pozadina

1.1 Izazovi sustava jedinstvene izvore proizvodnje energije

Tradicionalni samostalni fotovoltaički (PV) ili vjetroelektrane imaju inherentne nedostatke. Proizvodnja PV energije ovisi o dnevnoj ciklusa i vremenskim uvjetima, dok se proizvodnja vjetra oslanja na nestabilne vjetrovne resurse, što dovodi do značajnih fluktuacija u izlazu snage. Za osiguranje kontinuiranog snabdijevanja strujom potrebni su veliki kapacitet baterija za pohranu i balansiranje energije. Međutim, baterije koje često podliježu ciklusima punjenja i ispunjenja često ostaju u stanju podpunjenosti tijekom dugo vremena u teškim radnim uvjetima, što rezultira mnogo kraćim stvarnim životnim vremenom od teorijske vrijednosti. Štoviše, visoka cijena baterija znači da njihova ukupna troškova tijekom životnog vijeka može približiti ili čak preći troškove PV modula ili vjetrogeneratora. Stoga, produženje životnog vremena baterija i smanjenje troškova sustava postali su ključni izazovi u optimizaciji samostalnih sustava proizvodnje energije.

1.2 Značajne prednosti hibridne vjetro-suncane proizvodnje energije

Tehnologija hibridne vjetro-suncane proizvodnje energije učinkovito prevaziđe intermitenciju pojedinačnih izvora energije kombiniranjem dva obnovljiva izvora energije, PV i vjetra. Vjetar i sunce pokazuju prirodnu komplementarnost u vremenu (dan/noć, godišnji razdoblja): jako sunčanje tijekom dana često se podudara s potencijalno jačim vjetrom noću; dobra sunčeva zračenja ljeta mogu se kombinirati s obilnim vjetrovnim resursima zimi. Ova komplementarnost omogućuje:

• Značajno produženje efektivnog vremena punjenja baterija, smanjujući vrijeme koje provode u stanju podpunjenosti, time značajno produžujući životni vijek baterija.
• Smanjenje potrebnog kapaciteta baterija. Budući da je vjerojatnost da su istodobno nedostupni i vjetar i sunce niska, sustav može često direktno snabdeti opterećenje, omogućujući korištenje manjeg kapaciteta baterija.
• Domaće i međunarodne studije potvrđuju da hibridni vjetro-suncani sustavi premašuju sustave jedinstvene izvore proizvodnje energije u pouzdanosti snabdijevanja strujom i učinkovitosti troškova tijekom životnog vijeka.

1.3 Nedostaci postojećih metoda dizajna i predloženo rješenje

Trenutni dizajn sustava suočava se s izazovima. Stručni simulacijski softveri iz inozemstva su skupi, a njihovi ključni modeli često su povjerljivi, što onemogućuje široku primjenu. Umeđu toga, većina pojednostavljenih metoda dizajna nije zadovoljavajuća - ili previše se oslanjaju na meteorološke prosjekove zanemarujući detalje, ili koriste linearni pojednostavljeni modeli što dovodi do ograničene preciznosti i loše primjenjivosti.

Ovo rješenje ima za cilj predložiti skup točnih i praktičnih računalno podržanih metoda dizajna kako bi se riješili gore navedeni problemi.

II. Sastav sustava i ključni tehnički modeli

2.1 Arhitektura sustava

Hibridni vjetro-suncani sustav proizvodnje energije dizajniran u ovom rješenju jest potpuno samostalan off-grid sustav, bez rezervnih izvora struje poput dizelskih generatora. Ključne komponente uključuju:

• Jedinica proizvodnje energije: Vjetrogeneratori, PV polje.
• Jedinica pohrane i upravljanja energijom: Baterijska banka, regulator napona (za upravljanje punjenjem i ispunjenjem).
• Jedinica zaštite i pretvorbe: Odvodi opterećenja (sprječavaju preopterećenje baterija, zaštita invertera), inverter (pretvara struju iz DC u AC kako bi zadovoljio većinu zahtjeva za opterećenjem).
• Jedinica potrošnje energije: Opterećenje.

2.2 Točni modeli izračuna proizvodnje energije

Za postizanje optimiziranog dizajna uspostavili smo točne satne modele izračuna proizvodnje energije.

• Model PV polja:
1. Prijelaz solarnog zračenja: Koristi napredni anizotropni model difuznog neba kako bi točno transponirao horizontalne podatke o solarnom zračenju mjereni meteorološkim postajama na zračenje koja pada na nagibnu površinu PV modula, uzimajući u obzir direktno zračenje, difuzno zračenje neba i reflektirano zračenje sa zemlje.
2. Simulacija karakteristika modula: Koristi točan fizikalni model kako bi karakterizirao nelinearne izlazne karakteristike PV modula, uzimajući u obzir utjecaj zračenja i okolišne temperature na izlazni napon i struju modula, osiguravajući točnost izračuna proizvodnje energije.
• Model vjetrogeneratora:
1. Korekcija brzine vjetra: Korektira referentnu visinu brzine vjetra iz meteoroloških podataka na stvarnu brzinu vjetra na visini hupe na temelju eksponencijalnog zakona variranja brzine vjetra s visinom.
2. Prilagodbivanje krivulje snage: Koristi segmentirane funkcije (različite binomne jednadžbe za različite intervalne brzine vjetra) kako bi dostigla visoku preciznost prilagodbivanja stvarne krivulje snage generatora, omogućujući točan satni izračun energije na temelju podataka o brzini vjetra.

2.3 Dinamički model karakteristika baterija

Baterija je ključna komponenta za pohranu energije, s dinamički promjenjivim stanjima. Model se uglavnom fokusira na:

• Izračun stanja punjenja (SOC): Dinamički simulira procese punjenja i ispunjenja baterija na temelju odnosa između proizvodnje energije i potrošnje opterećenja u svakom vremenskom koraku, točno izračunavajući preostalu kapacitet, uzimajući u obzir praktične faktore poput stopa samoodsjedanja, učinkovitosti punjenja i učinkovitosti invertera.
• Upravljanje punjenjem i ispunjenjem: Da bi se produžio životni vijek baterija, definira se razuman raspon rada SOC-a (na primjer, ograničavanje maksimalne dubine ispunjenja na 50%), i uspostavlja se model koji povezuje napon plavog punjenja s SOC-om i okolišnom temperaturom kako bi točno odredio uvjete punjenja.

III. Metodologija optimizacije i dimenzioniranja sustava

3.1 Indikatori pouzdanosti snabdijevanja strujom

Dizajn priorizira zadovoljavanje specifičnih zahtjeva korisnika za pouzdanost snabdijevanja strujom. Ključni indikatori uključuju:

• Vjerojatnost gubitka snabdijevanja strujom (LPSP): Omjer vremena ispadanja sustava i ukupnog vremena procjene, intuitivno odražava kontinuitet snabdijevanja.
• Vjerojatnost gubitka opterećenja (LLP): Omjer snage opterećenja koje sustav ne može ispuniti i ukupnog zahtjeva. Ovo je najkritičniji ključni indikator za optimizaciju dizajna sustava.

3.2 Korak po korak optimizacijski proces dizajna

Ovo rješenje usvaja sistematski optimizacijski proces, s ciljem minimiziranja početnih ulaganja u opremu kako bi se pronašla optimalna konfiguracija.

1. Korak 1: Optimizacija konfiguracije PV i baterija za fiksnu kapacitetu vjetrogeneratora
• Glavni zadatak: Pod uvjetom da je model i količina vjetrogeneratora fiksni, pronađi kombinaciju kapaciteta PV modula i baterija koja zadovoljava unaprijed određeni indikator pouzdanosti (LPSP) i rezultira najnižim ukupnim troškovima opreme.
• Metoda implementacije: Kroz simulacijske izračune, nacrtajte "krivulju ravnoteže" koja predstavlja sve konfiguracije PV i baterija koje zadovoljavaju zahtjeve za pouzdanost. Zatim, koristeći metodu tangente troškova ili računalni program za selekciju na temelju cijena opreme, odredite jedinstvenu optimalnu kombinaciju s najnižim troškovima.
2. Korak 2: Globalna optimizacija mijenjanjem kapacitete vjetrogeneratora
• Glavni zadatak: Promijenite kapacitet ili broj vjetrogeneratora, ponovite optimizacijski proces iz Koraka 1, i dobijte seriju optimalnih konfiguracija i njihovih odgovarajućih troškova za različite kapacitete vjetrogeneratora.
• Konačna odluka: Usporedite ukupne troškove svih kandidatskih rješenja i odaberite kombinaciju vjetra-PV-baterija s globalno najnižim troškovima kao konačnu optimiziranu konfiguraciju sustava.

3.3 Simulacija i izlaz performansi sustava

Nakon određivanja optimalne konfiguracije, godišnju operaciju sustava može se simulirati sat po sat, generirajući detaljne izvještaje uključujući:

• Dimenzija vremena: Satni stanje punjenja baterija, energetski bilans sustava.
• Statistička dimenzija: Dnevna/mjesečna/godišnja neispunjena potrošnja energije, indikatori pouzdanosti (LPSP, LLP), udio proizvodnje vjetra i sunca, situacije viška i nedostatka energije itd.

IV. Zaključak

Optimizirana metoda dizajna hibridnih vjetro-suncanih sustava proizvodnje energije predložena u ovom rješenju, temeljena na kompleksnim matematičkim modelima i točnim lokalnim meteorološkim podacima, može jedinstveno odrediti konfiguraciju sustava s najnižim početnim troškovima opreme, zadovoljavajući specifične zahtjeve korisnika za električnom energijom i zahtjeve za pouzdanost snabdijevanja strujom. Ova metoda učinkovito rješava nedostatke sustava jedinstvene izvore proizvodnje energije, premašuje ograničenja postojećih pristupa dizajna i pruža moćno sredstvo za znanstven, učinkovit i ekonomičan dizajn hibridnih vjetro-suncanih sustava proizvodnje energije, što ima značajan značaj za inženjerske primjene.