Hibrid szél-napelemes energiarendszer optimalizálás: Kiemelkedő tervezési megoldás hálózattól független alkalmazásokhoz

1. Bevezetés és háttér

1.1 Az egyforrású energia-termelő rendszerek kihívásai

A hagyományos önálló fotovoltaikus (PV) vagy szélerőmű alapú energia-termelő rendszereknek természetes hátrányai vannak. A PV energia-termelés napnaptár és időjárási feltételektől függ, míg a szélerőmű alapú energia-termelés instabil szélforrásokra támaszkodik, ami jelentős fluktuációkhoz vezethet. Folyamatos energiaellátás biztosítása érdekében nagy kapacitású akkumulátorbankok szükségesek az energiatároláshoz és -kiegyensúlyozáshoz. Azonban a gyakori töltés-leválasztási ciklusok miatt az akkumulátorok hosszú ideig alultöltött állapotban maradhatnak súlyos működési körülmények között, ami a gyakorlati élettartamot jelentősen rövidebbé teszi a teoretikus értéknél. Súlyosabb, hogy az akkumulátorok magas költsége miatt teljes életciklusuk költsége megközelítheti vagy még meghaladhatja a PV modulok vagy a szélerőművek saját költségét. Így az akkumulátorok élettartamának meghosszabbítása és a rendszer költségeinek csökkentése a szélerőmű és a napelemből álló önálló rendszerek optimalizálásának alapvető kihívásai.

1.2 A hibrid szél-napelemes energia-termelés jelentős előnyei

A hibrid szél-napelemes energia-termelési technológia hatékonyan legyőzi az egyetlen energiaforrás intermittenciáját, szervezetten kombinálva a PV és a szélerőmű alapú, két megújuló energiaforrást. A szél és a napsugárzás természetes komplementeritása időben (nap/éj, évfordulatok): a napközben erős napsugárzás gyakran az éjszaka erős széllökésekkel jár, a nyári jó napsugárzás talán teli téli szélforrásokkal párosul. Ez a komplementaritás lehetővé teszi:

• Az akkumulátorok hatékony töltési időjének jelentős meghosszabbítását, csökkentve az alultöltött állapotban töltött időt, ezáltal jelentősen meghosszabbítva az akkumulátorok élettartamát.
• A szükséges akkumulátor kapacitás csökkentését. Mivel a szél és a napsugárzás egyszerre való hiánya ritkán fordul elő, a rendszer gyakran közvetlenül ellátja a terhelést, így kisebb kapacitású akkumulátorbank használható.
• A hazai és nemzetközi tanulmányok megerősítik, hogy a hibrid szél-napelemes rendszerek mind a szolgáltatás megbízhatóság, mind az életciklus-költséghatékonyság tekintetében felülmúlják az egyforrású energia-termelő rendszereket.

1.3 A jelenlegi tervezési módszerek hiányosságai és a javasolt megoldás

A jelenlegi rendszertervezéshez tartozó kihívások mellett a külföldi szakmai szimulációs szoftverek drágák, és a belső modellek gyakran bizalmasak, ami gátolja a széleskörű alkalmazásukat. Ugyanakkor a legtöbb egyszerűsített tervezési módszer nem elégséges, vagy túlságosan a meteorológiai átlagokra támaszkodik, részleteket figyelmen kívül hagyva, vagy lineáris egyszerűsített modelleket használ, ami korlátozza a pontosságot és a használhatóságot.

Ez a megoldás célja, hogy pontos és praktikus számítógépes tervezési módszereket javasoljon a fenti problémák kezelésére.

II. Rendszer összetétele és alapvető technikai modellek

2.1 Rendszerarchitektúra

A megoldásban tervezett hibrid szél-napelemes energia-termelő rendszer teljesen önálló off-grid rendszer, amelyben nincs diesel generátor stb. tartalékos energiaforrása. A legfontosabb komponensek a következők:

• Energia-termelő egység: Szélerőmű, PV tömb.
• Energia-tároló és -kezelő egység: Akkumulátorbank, töltés-leválasztási ellenőrző (a töltés-leválasztás kezelésére).
• Védő és konvertáló egység: Áteresztő terhelés (megelőzi az akkumulátor túltöltését, védje az invertert), inverter (DC-t AC-ra alakít, hogy a legtöbb terhelés igényeit kielégítse).
• Energia-fogyasztó egység: Terhelés.

2.2 Pontos energia-termelési számítási modellek

Az optimalizált tervezés eléréséhez pontos órás energia-termelési számítási modelleket állítottunk fel.

• PV tömb modell:
1. Napsugárzás transzpozíciója: Haladó anizotrop sky diffuse modellt használ, hogy a meteorológiai állomások által mért vízszintes napsugárzási adatokat precízen transzponálja a PV paneleken lévő ferde felületre, amely figyelembe veszi a közvetlen sugarak, a légkörbeli diffúz sugárzást és a talajreflexiót.
2. Modul jellemzése: PONTOS fizikai modellt alkalmaz, hogy a PV panelek nemlineáris kimeneti jellemzőit leírja, figyelembe véve a napsugárzás és a környezeti hőmérséklet hatását a modul kimeneti feszültségre és áramra, garantálva az energia-termelési számítások pontosságát.
• Szélerőmű modell:
1. Szélsebesség korrekciója: A meteorológiai adatokból származó referenciás magasságú szélsebességet a szélerőmű tényleges hub magasságú szélsebességére korrigálja, a szélsebesség változásának exponenciális törvényével.
2. Teljesítménygörbe illesztése: Segmented függvényt (különböző binomiális egyenleteket különböző szélsebességi intervallumokhoz) használ, hogy a szélerőmű tényleges teljesítménygörbéjének nagy pontosságú illesztését elérje, lehetővé téve a szélsebesség adatok alapján történő órás energia-számítást.

2.3 Akkumulátor dinamikus jellemzői modell

Az akkumulátor a fő energia-tároló komponens, amelynek állapota dinamikusan változik. A modell főleg a következőkre koncentrál:

• Töltöttségi állapot (SOC) számítása: Dinamikusan szimulálja az akkumulátor töltés-leválasztási folyamatát, a kimeneti és a terhelési fogyasztás viszonya alapján minden időlépésben, pontosan kiszámítva a maradék kapacitást, figyelembe véve a gyakorlati tényezőket, mint például a saját leválasztódási arány, a töltési hatékonyság és az inverter hatékonyság.
• Töltés-leválasztás kezelése: Az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében definiál egy ésszerű SOC működési tartományt (pl. a maximális leválasztási mélység korlátozása 50%-ra), és egy modellt állít be a float charge feszültség és az SOC, valamint a környezeti hőmérséklet közötti kapcsolat kialakítására, hogy pontosan meghatározhassa a töltési feltételeket.

III. Rendszer optimalizálása és méretezési módszertan

3.1 Energiaellátás megbízhatósági mutatói

A tervezés prioritása a felhasználó által meghatározott energiaellátás megbízhatósági követelmények kielégítése. A kulcsfontosságú mutatók a következők:

• Energiaellátás megszakadásának valószínűsége (LPSP): A rendszer megszakadási ideje és a teljes kiértékelési idő aránya, ami intuitíven tükrözi a szolgáltatás folytonosságát.
• Terhelés nem kielégített valószínűsége (LLP): A rendszer által nem kielégített terhelési energiaigény és a teljes igény aránya. Ez a legfontosabb alapvető mutató a rendszer optimalizálási tervezéséhez.

3.2 Lépésről lépésre optimalizáló tervezési folyamat

Ez a megoldás rendszeres optimalizáló folyamatot alkalmaz, amely a célja a berendezések kezdeti befektetési költségeinek minimalizálása, hogy megtalálja a legoptimálisabb konfigurációt.

1. 1. Lépés: Fix szélerőmű kapacitás mellett a PV és az akkumulátor konfiguráció optimalizálása
• Fő feladat: A szélerőmű modell és mennyiség fix feltétele mellett megtalálja a PV panelek és az akkumulátorok kapacitásának kombinációját, amely a előre meghatározott megbízhatósági mutatót (LPSP) kielégíti, és a legkisebb teljes berendezésköltséggel rendelkezik.
• Végrehajtási mód: Szimulációs számítások révén kirajzolja a "balansz görbét", amely a megbízhatósági követelményt kielégítő összes PV és akkumulátor konfigurációt ábrázolja. Ezután, a berendezések egységárai alapján a költségtangens módszerrel vagy számítógépes program segítségével a legkisebb költségű egyedi optimális kombinációt határozza meg.
2. 2. Lépés: Globális optimalizálás a szélerőmű kapacitás változtatásával
• Fő feladat: Változtassa a szélerőmű kapacitását vagy mennyiségét, ismételje meg az 1. lépés optimalizálási folyamatát, és szerezzen sorozatot az optimális konfigurációkról és a hozzájuk tartozó költségekről különböző szélerőmű kapacitások esetén.
• Végső döntés: Összehasonlítsa az összes jelölt megoldás teljes költségeit, és válassza ki a globálisan legkisebb költségű szél-PV-akkumulátor kombinációt a végleges optimalizált rendszerkonfigurációként.

3.3 Rendszer teljesítmény szimulációja és kimenete

Az optimális konfiguráció meghatározása után a rendszer éves működését órás szimulációval lehet bemutatni, amely részletes jelentéseket generál, beleértve:

• Idődimenzió: Órás akkumulátor töltöttségi állapot, rendszer energiaegyenleg.
• Statisztikai dimenzió: Naponta/havonta/évben nem kielégített terhelési energia, megbízhatósági mutatók (LPSP, LLP), szél/napelemes energia-termelési arány, energia túlrajz és hiányzó energia helyzetek stb.

IV. Következtetés

A hibrid szél-napelemes energia-termelő rendszerek optimalizált tervezési módszere, amelyet ebben a megoldásban javasolunk, a teljes matematikai modellek és a pontos helyi meteorológiai adatok alapján, egyedülállóan meghatározza a minimális kezdeti berendezésköltséggel rendelkező rendszerkonfigurációt, miközben kielégíti a felhasználók specifikus villamosenergia-igényeit és az energiaellátás megbízhatósági követelményeit. Ez a módszer hatékonyan kezeli az egyforrású energia-termelő rendszerek hiányosságait, legyőzi a jelenlegi tervezési megközelítések korlátait, és egy hatékony eszközt nyújt a hibrid szél-napelemes energia-termelő rendszerek tudományos, hatékony és gazdaságos tervezéséhez, ami jelentős értéket képvisel a mérnöki alkalmazások számára.