Ottimizzazione del Sistema Ibrido Eolico-Fotovoltaico: Una Soluzione di Progettazione Comprehensiva per Applicazioni Off-Grid

1. Introduzione e contesto

1.1 Sfide dei sistemi di generazione di energia da fonte singola

I tradizionali sistemi di generazione di energia fotovoltaica (PV) o eolica autonomi presentano intrinseci svantaggi. La generazione di energia PV è influenzata dai cicli giornalieri e dalle condizioni meteorologiche, mentre la generazione eolica dipende da risorse ventose instabili, il che porta a fluttuazioni significative nella produzione di energia. Per garantire un approvvigionamento continuo di energia, sono necessarie batterie di grande capacità per l'accumulo e l'equilibrio dell'energia. Tuttavia, le batterie sottoposte a cicli di carica e scarica frequenti tendono a rimanere in uno stato di sottocarica per periodi prolungati in condizioni operative difficili, risultando in una vita utile pratica molto inferiore al valore teorico. Più critico ancora, l'alto costo delle batterie significa che il loro costo totale nel ciclo di vita può avvicinarsi o persino superare il costo dei moduli PV o delle turbine eoliche stesse. Pertanto, estendere la vita utile delle batterie e ridurre i costi del sistema sono diventate le sfide principali nell'ottimizzazione dei sistemi autonomi.

1.2 Vantaggi significativi della generazione di energia ibrida eolico-solare

La tecnologia di generazione di energia ibrida eolico-solare supera efficacemente l'intermittenza delle singole fonti di energia, combinando organicamente due fonti rinnovabili come l'energia solare e l'eolica. L'energia solare e quella eolica mostrano una complementarietà naturale nel tempo (giorno/notte, stagioni): la forte luminosità durante il giorno spesso coincide con venti potenzialmente più forti di notte; l'irradiazione solare buona in estate può essere abbinata a risorse eoliche abbondanti in inverno. Questa complementarietà permette:

• Un'estensione significativa del tempo di carica effettivo per le batterie, riducendo il tempo trascorso in uno stato di sottocarica, prolungando così sostanzialmente la vita utile delle batterie.
• Una riduzione della capacità di batteria richiesta. Poiché la probabilità che sia l'energia eolica che quella solare non siano disponibili contemporaneamente è bassa, il sistema può spesso alimentare direttamente il carico, consentendo l'uso di una batteria di capacità minore.
• Studi nazionali e internazionali confermano che i sistemi ibridi eolico-solari superano i sistemi di generazione di energia da fonte singola in termini di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico e costi nel ciclo di vita.

1.3 Limiti dei metodi di progettazione esistenti e la soluzione proposta

Il progetto attuale affronta sfide. Il software di simulazione professionale proveniente dall'estero è costoso e i suoi modelli centrali sono spesso riservati, ostacolando l'adozione diffusa. Nel frattempo, la maggior parte dei metodi di progettazione semplificati è inadeguata, in quanto si basano eccessivamente su medie meteorologiche ignorando i dettagli, oppure utilizzano modelli lineari semplificati che portano a una precisione limitata e a una scarsa applicabilità.

Questa soluzione mira a proporre un insieme di metodologie di progettazione assistite da computer accurate e pratiche per affrontare i problemi sopra menzionati.

II. Composizione del sistema e modelli tecnici centrali

2.1 Architettura del sistema

Il sistema di generazione di energia ibrido eolico-solare progettato in questa soluzione è un sistema completamente autonomo e off-grid, senza fonti di backup come generatori a diesel. I componenti chiave includono:

• Unità di generazione di energia: Turbine eoliche, array fotovoltaico.
• Unità di accumulo e gestione dell'energia: Batteria, controllore di carica (per la gestione della carica e scarica).
• Unità di protezione e conversione: Carico di deviazione (prevenzione della sovralimentazione della batteria, protezione dell'inverter), inverter (conversione di corrente continua in alternata per soddisfare la maggior parte dei requisiti del carico).
• Unità di consumo di energia: Carico.

2.2 Modelli di calcolo precisi della generazione di energia

Per ottenere un progetto ottimizzato, abbiamo stabilito modelli di calcolo orario della generazione di energia accurati.

• Modello dell'array fotovoltaico:
1. Trasposizione della radiazione solare: Utilizza un modello avanzato di diffusione anisotropica del cielo per trasporre con precisione i dati di radiazione solare orizzontale misurati dalle stazioni meteorologiche all'irraggiamento incidente sulla superficie inclinata dei moduli fotovoltaici, considerando complessivamente la radiazione diretta, la radiazione diffusa del cielo e la radiazione riflessa dal terreno.
2. Simulazione delle caratteristiche del modulo: Utilizza un modello fisico preciso per caratterizzare le caratteristiche di uscita non lineari dei moduli fotovoltaici, tenendo conto pienamente degli effetti dell'irraggiamento e della temperatura ambiente sulla tensione e corrente di uscita del modulo, assicurando la precisione dei calcoli di generazione di energia.
• Modello della turbina eolica:
1. Correzione della velocità del vento: Corregge la velocità del vento alla quota di riferimento dai dati meteorologici alla velocità effettiva alla quota del mozzo basandosi sulla legge esponenziale che governa la variazione della velocità del vento con l'altezza.
2. Adattamento della curva di potenza: Utilizza una funzione segmentata (diverse equazioni binomiali per diversi intervalli di velocità del vento) per ottenere un adattamento di alta precisione della curva di uscita di potenza effettiva della turbina, consentendo il calcolo preciso dell'energia oraria in base ai dati di velocità del vento.

2.3 Modello dinamico delle caratteristiche della batteria

La batteria è il componente centrale di accumulo dell'energia, con stati in continua evoluzione. Il modello si concentra principalmente su:

• Calcolo dello stato di carica (SOC): Simula dinamicamente i processi di carica e scarica della batteria in base alla relazione tra la generazione di energia e il consumo del carico a ogni passo temporale, calcolando con precisione la capacità residua, considerando fattori pratici come il tasso di scarica spontanea, l'efficienza di carica e l'efficienza dell'inverter.
• Gestione della carica e scarica: Per estendere la vita utile della batteria, viene definito un intervallo operativo ragionevole di SOC (ad esempio, limitando la profondità massima di scarica al 50%), e viene stabilito un modello che correla la tensione di carica galleggiante con lo stato di carica e la temperatura ambiente per determinare con precisione le condizioni di carica.

III. Metodologia di ottimizzazione e dimensionamento del sistema

3.1 Indicatori di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico

Il progetto priorizza il soddisfacimento dei requisiti specificati dall'utente in termini di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico. Gli indicatori chiave includono:

• Probabilità di perdita di approvvigionamento (LPSP): Il rapporto tra il tempo di interruzione del sistema e il tempo totale di valutazione, riflettendo intuitivamente la continuità dell'approvvigionamento.
• Probabilità di perdita di carico (LLP): Il rapporto tra la domanda di potenza del carico non soddisfatta dal sistema e la domanda totale. Questo è l'indicatore centrale più critico per la progettazione ottimizzata del sistema.

3.2 Processo di progettazione ottimizzata passo-passo

Questa soluzione adotta un processo di ottimizzazione sistematico, mirando a minimizzare il costo iniziale dell'investimento in equipaggiamenti per trovare la configurazione ottimale.

1. Passo 1: Ottimizzazione della configurazione PV e batteria per una capacità fissa di turbine eoliche
• Compito principale: Con il modello e la quantità di turbine eoliche fissi, trovare la combinazione di capacità di moduli PV e batterie che soddisfi l'indicatore di affidabilità predeterminato (LPSP) e comporti il costo totale dell'equipaggiamento più basso.
• Metodo di implementazione: Attraverso calcoli di simulazione, tracciare la "curva di bilanciamento" che rappresenta tutte le configurazioni PV e batteria che soddisfano il requisito di affidabilità. Quindi, utilizzando il metodo tangente dei costi o la selezione tramite programma informatico in base ai prezzi unitari dell'equipaggiamento, determinare l'unica combinazione ottimale con il costo più basso.
2. Passo 2: Ottimizzazione globale variando la capacità delle turbine eoliche
• Compito principale: Cambiare la capacità o il numero di turbine eoliche, ripetere il processo di ottimizzazione del Passo 1 e ottenere una serie di configurazioni ottimali e i loro costi corrispondenti per diverse capacità di turbine eoliche.
• Decisione finale: Confrontare i costi totali di tutte le soluzioni candidate e selezionare la combinazione eolico-PV-batteria con il costo globale più basso come configurazione finale ottimizzata del sistema.

3.3 Simulazione e output delle prestazioni del sistema

Dopo aver determinato la configurazione ottimale, l'operazione annuale del sistema può essere simulata ora per ora, generando report dettagliati che includono:

• Dimensione temporale: Stato di carica della batteria orario, bilancio energetico del sistema.
• Dimensione statistica: Energia del carico non soddisfatta giornaliera/mensile/anuale, indicatori di affidabilità (LPSP, LLP), quota di generazione di energia eolica e solare, situazioni di eccedenza e deficit di energia, ecc.

IV. Conclusione

Il metodo di progettazione ottimizzata per i sistemi di generazione di energia ibrida eolico-solare proposto in questa soluzione, basato su modelli matematici completi e dati meteorologici locali precisi, può determinare in modo univoco la configurazione del sistema con il costo iniziale di investimento in equipaggiamento minimo, soddisfacendo al contempo le specifiche esigenze di energia elettrica e le richieste di affidabilità dell'approvvigionamento elettrico dell'utente. Questo metodo affronta efficacemente i limiti dei sistemi di generazione di energia da fonte singola, supera le limitazioni dei metodi di progettazione esistenti e fornisce uno strumento potente per la progettazione scientifica, efficiente ed economica dei sistemi di generazione di energia ibrida eolico-solare, con un valore significativo per le applicazioni ingegneristiche.