Հիբրիդ Երկայն-Արևային Էլեկտրաէներգիայի Սիստեմի Օպտիմիզացիան. Լրիվ Դիզայն Լուծում Օֆ-Գրիդ Կիրառությունների Համար

1. Մուտքագրում և հիմնավորում

1.1 Միակ էլեկտրական էներգիայի աղբյուրների համակարգերի դեֆիցիթները

Առաջադրվող սոլար կամ ամպեր էներգիայի ծագող համակարգերը ունեն հիմնական թերություններ։ Սոլար էներգիայի ծագողությունը ազդվում է օրային ցիկլերի և այլ անձրևային պայմանների ազդեցությունից, իսկ ամպեր էներգիայի ծագողությունը կախված է անկայուն ամպեր ռեսուրսներից, որոնք առաջացնում են էներգիայի ծագողության նշանակալի փոփոխություններ։ Անընդհատ էներգիայի առաքումը պահանջում է մեծ տարածքային բատարիայի բանկեր էներգիայի պահպանման և հավասարակշռման համար։ Բայց հաճախակի լարվող և թափվող բատարիաները կարող են կարճ ժամանակահատվածներում մնալ թափված վիճակում, որը առաջացնում է իրական ծառայության ժամկետը տեսական արժեքից շատ կորցնող։ Ավելի կրիտիկական է, որ բատարիաների բարձր արժեքը նշանակում է, որ դրանց ընդհանուր կյանքի պարբերության արժեքը կարող է մոտենալ կամ նույնիսկ գերազանցել սոլար մոジュլների կամ ամպեր տուրբինների իրենց արժեքը։ Այսպիսով, բատարիաների կյանքի ժամկետը երկարացնելը և համակարգի արժեքը կրճատելը դարձել են միակ էներգիայի աղբյուրների համակարգերի օպտիմիզացման հիմնական դեֆիցիթները։

1.2 Հիբրիդ ամպ-սոլար էներգիայի ծագողության նշանակալի առավելությունները

Հիբրիդ ամպ-սոլար էներգիայի ծագողության տեխնոլոգիան արտադրում է միակ էներգիայի աղբյուրների միջակայքայինությունը օգտագործելով սոլար և ամպեր էներգիայի երկու անվերջ կրկնվող էներգիայի օրգանական կապը։ Ամպեր և սոլար էներգիան ցուցադրում են բնական համալին ժամանակի (օր/գիշեր, եղանակներ) նկատմամբ. օրվա ժամանակ ուժեղ արևային ալույնը հաճախ համընկնում է գիշերը ուժեղ ամպերի հետ. ամառի ժամանակ լավ արևային ալույնը կարող է համընկնել ձմեռան ժամանակ բավարար ամպեր ռեսուրսների հետ։ Այս համալինությունը հնարավորություն է տալիս.

• Բատարիաների արդյունավետ լարման ժամանակի նշանակալի կարգավորում, կրճատելով նրանց թափված վիճակում մնացող ժամանակը, որը նշանակալիորեն երկարացնում է բատարիաների ծառայության ժամկետը։
• Ներկայացնում է նվազեցնել պահանջվող բատարիաների տարածքը։ Քանի որ ամպեր և սոլար էներգիայի երկուսն էլ նույն ժամանակ հասանելի չլինելու հավանականությունը ցածր է, համակարգը կարող է կարգավորել բեռը անմիջապես, որը հնարավորություն է տալիս օգտագործել փոքր տարածքային բատարիայի բանկեր։
• Տնտեսական և միջազգային ուսումնասիրությունները հաստատում են, որ հիբրիդ ամպ-սոլար համակարգերը գերազանցում են միակ էներգիայի աղբյուրների համակարգերը էներգիայի առաքման վստահության և կյանքի պարբերության արժեքականության նկատմամբ։

1.3 hiện tại Phương pháp Thiết kế và Giải pháp Đề xuất

Hiện tại, thiết kế hệ thống đang gặp phải những thách thức. Phần mềm mô phỏng chuyên nghiệp từ nước ngoài rất đắt đỏ, và các mô hình cốt lõi thường được giữ bí mật, làm cản trở việc áp dụng rộng rãi. Trong khi đó, hầu hết các phương pháp thiết kế đơn giản hóa không đủ - hoặc dựa quá nhiều vào trung bình khí tượng mà bỏ qua chi tiết, hoặc sử dụng các mô hình đơn giản hóa tuyến tính dẫn đến độ chính xác hạn chế và khả năng áp dụng kém.

Giải pháp này nhằm đề xuất một bộ các phương pháp thiết kế hỗ trợ máy tính chính xác và thực tế để giải quyết các vấn đề nêu trên.

II. Thành phần Hệ thống và Mô hình Kỹ thuật Cốt lõi

2.1 Kiến trúc Hệ thống

Hệ thống phát điện gió-nắng lai được thiết kế trong giải pháp này là một hệ thống độc lập hoàn toàn, không có nguồn điện dự phòng như máy phát điện chạy dầu diesel. Các thành phần cốt lõi bao gồm:

• Đơn vị Phát điện: Turbin gió, mảng PV.
• Đơn vị Lưu trữ và Quản lý Năng lượng: Ngân hàng pin, bộ điều khiển sạc (để quản lý quá trình sạc và xả).
• Đơn vị Bảo vệ và Chuyển đổi: Tải phân tán (ngăn chặn sạc quá mức, bảo vệ inverter), inverter (chuyển đổi DC sang AC để đáp ứng yêu cầu của hầu hết tải).
• Đơn vị Tiêu thụ Điện: Tải.

2.2 Mô hình Tính toán Sản lượng Điện Chính xác

Để đạt được thiết kế tối ưu, chúng tôi đã thiết lập các mô hình tính toán sản lượng điện theo giờ chính xác.

• Mô hình Mảng PV:
1. Chuyển vị Phóng xạ Mặt trời: Sử dụng mô hình tán xạ bầu trời tiên tiến dạng không đẳng hướng để chuyển đổi chính xác dữ liệu phóng xạ mặt trời ngang được đo bởi trạm thời tiết lên bức xạ chiếu lên bề mặt nghiêng của các mô-đun PV, xem xét toàn diện bức xạ tia trực tiếp, bức xạ tán xạ bầu trời và bức xạ phản xạ từ mặt đất.
2. Mô phỏng Đặc tính Mô-đun: Sử dụng mô hình vật lý chính xác để mô phỏng đặc tính đầu ra phi tuyến của mô-đun PV, xem xét đầy đủ ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ môi trường đến điện áp và dòng điện đầu ra của mô-đun, đảm bảo tính chính xác của phép tính sản lượng điện.
• Mô hình Turbin Gió:
1. Hiệu chỉnh Tốc độ Gió: Hiệu chỉnh tốc độ gió ở độ cao tham chiếu từ dữ liệu khí tượng đến tốc độ gió thực tế ở độ cao trục tua bin dựa trên luật mũ quy định sự biến thiên tốc độ gió theo độ cao.
2. Phù hợp Đường cong Công suất: Sử dụng hàm phân đoạn (các phương trình nhị thức khác nhau cho các khoảng tốc độ gió khác nhau) để đạt được độ chính xác cao trong việc phù hợp đường cong công suất thực tế của tua bin, cho phép tính toán chính xác năng lượng theo giờ dựa trên dữ liệu tốc độ gió.

2.3 Mô hình Đặc tính Động Pin

Pin là thành phần lưu trữ năng lượng cốt lõi, với trạng thái thay đổi động. Mô hình chủ yếu tập trung vào:

• Tính toán Trạng thái Sạc (SOC): Mô phỏng động quá trình sạc và xả của pin dựa trên mối quan hệ giữa sản lượng điện và tiêu thụ tải ở mỗi bước thời gian, tính toán chính xác dung lượng còn lại, đồng thời xem xét các yếu tố thực tế như tỷ lệ tự xả, hiệu suất sạc và hiệu suất inverter.
• Quản lý Sạc-Xả: Để kéo dài tuổi thọ pin, xác định một phạm vi hoạt động SOC hợp lý (ví dụ: giới hạn độ sâu xả tối đa đến 50%), và thiết lập mô hình liên kết giữa điện áp nổi và SOC cùng nhiệt độ môi trường để xác định chính xác điều kiện sạc.

III. Phương pháp Tối ưu Hóa và Kích thước Hệ thống

3.1 Chỉ số Độ tin cậy Cung cấp Điện

Thiết kế ưu tiên đáp ứng yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cụ thể của người dùng. Các chỉ số chính bao gồm:

• Xác suất Mất Điện (LPSP): Tỷ lệ thời gian mất điện so với tổng thời gian đánh giá, phản ánh trực quan tính liên tục của nguồn cung.
• Xác suất Mất Tải (LLP): Tỷ lệ nhu cầu điện tải không được đáp ứng bởi hệ thống so với tổng nhu cầu. Đây là chỉ số cốt lõi quan trọng nhất cho thiết kế tối ưu hóa hệ thống.

3.2 Quá trình Thiết kế Tối ưu Hóa Bước từng Bước

Giải pháp này áp dụng quy trình tối ưu hóa hệ thống, nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị để tìm cấu hình tối ưu.

1. Bước 1: Tối ưu Hóa Cấu hình PV và Pin với Dung lượng Turbin Gió cố định
• Nhiệm vụ Cốt lõi: Trong điều kiện mô hình và số lượng turbin gió được cố định, tìm sự kết hợp giữa dung lượng mô-đun PV và pin đáp ứng chỉ số độ tin cậy đã xác định (LPSP) và có tổng chi phí thiết bị thấp nhất.
• Phương pháp Thực hiện: Thông qua các phép tính mô phỏng, vẽ "đường cong cân bằng" đại diện cho tất cả các cấu hình PV và pin đáp ứng yêu cầu độ tin cậy. Sau đó, sử dụng phương pháp tiếp tuyến chi phí hoặc sàng lọc bằng chương trình máy tính dựa trên giá đơn vị thiết bị, xác định cấu hình tối ưu duy nhất có chi phí thấp nhất.
2. Bước 2: Tối ưu Hóa Toàn cục bằng cách Thay đổi Dung lượng Turbin Gió
• Nhiệm vụ Cốt lõi: Thay đổi dung lượng hoặc số lượng turbin gió, lặp lại quá trình tối ưu hóa của Bước 1, và thu được một loạt cấu hình tối ưu và chi phí tương ứng cho các dung lượng turbin gió khác nhau.
• Quyết định Cuối cùng: So sánh tổng chi phí của tất cả các giải pháp ứng cử và chọn sự kết hợp gió-PV-pin có chi phí toàn cục thấp nhất làm cấu hình hệ thống tối ưu cuối cùng.

3.3 Mô phỏng và Đầu ra Hiệu suất Hệ thống

Sau khi xác định cấu hình tối ưu, có thể mô phỏng hoạt động hàng năm của hệ thống theo giờ, tạo ra các báo cáo chi tiết bao gồm:

• Kích thước Thời gian: Trạng thái sạc pin theo giờ, cân bằng năng lượng hệ thống.
• Kích thước Thống kê: Năng lượng tải không được đáp ứng hàng ngày/tháng/năm, chỉ số độ tin cậy (LPSP, LLP), tỷ lệ sản lượng điện gió/nắng, tình hình dư thừa và thiếu hụt năng lượng, v.v.

IV. Kết luận

Phương pháp thiết kế tối ưu hóa hệ thống phát điện gió-nắng lai được đề xuất trong giải pháp này, dựa trên các mô hình toán học toàn diện và dữ liệu khí tượng địa phương chính xác, có thể xác định duy nhất cấu hình hệ thống có chi phí đầu tư thiết bị ban đầu thấp nhất trong khi vẫn đáp ứng nhu cầu điện cụ thể của người dùng và yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện. Phương pháp này hiệu quả giải quyết các hạn chế của hệ thống phát điện từ một nguồn, vượt qua các hạn chế của các phương pháp thiết kế hiện tại, và cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho việc thiết kế hệ thống phát điện gió-nắng lai một cách khoa học, hiệu quả và kinh tế, mang lại giá trị lớn cho các ứng dụng kỹ thuật.