Hibrit Rüzgar-Güneş Enerji Sistemi Optimizasyonu: Şebeke Dışı Uygulamalar için kapsamlı bir tasarım çözümü
- Giriş ve Arka Plan
1.1 Tek Kaynaklı Güç Üretim Sistemlerinin Zorlukları
Geleneksel tek başına güneş (PV) veya rüzgar güç üretim sistemleri kendi içinde bazı dezavantajlara sahiptir. PV güç üretimi gündüz döngüsü ve hava koşullarına bağlı olarak etkilenir, rüzgar güç üretimi ise kararsız rüzgar kaynaklarına dayanır, bu da güç çıkışı üzerinde önemli dalgalanmalara neden olur. Sürekli bir güç sağlanması için büyük kapasiteli pil bankaları enerji depolama ve dengeleme için gereklidir. Ancak, pil bankaları sık şarj-boşaltma döngülerine maruz kalınca, sert çalışma koşulları altında uzun süre yarı şarjlı durumda kalabilir, bu da teorik değere kıyasla çok daha kısa gerçek kullanım ömrüne neden olur. Daha önemlisi, pillerin yüksek maliyeti, toplam yaşam döngüsü maliyetlerinin PV modüllerinin veya rüzgar türbinlerinin kendilerinin maliyetine yaklaştığını hatta aşabileceğini gösterir. Bu nedenle, pil ömrünü uzatmak ve sistem maliyetlerini azaltmak, tek başına güç sistemlerinin optimize edilmesinde merkezi zorluklar haline gelmiştir.
1.2 Hibrit Rüzgar-Güneş Güç Üretiminin Önemli Avantajları
Hibrit rüzgar-güneş güç üretim teknolojisi, iki yenilenebilir enerji kaynağı olan PV ve rüzgar gücünü organik bir şekilde birleştirerek, tek kaynaklı enerjinin kesintisizliği sorununu etkili bir şekilde aşar. Rüzgar ve güneş enerjisi, zaman bakımından doğal bir tamamlılık gösterir (gündüz/gece, mevsimler): gündüz güçlü güneş ışığı genellikle geceleri daha güçlü rüzgarlarla birlikte gelir; yaz aylarındaki iyi güneş ışınımının kış aylarında bol rüzgar kaynaklarıyla eşleşmesi mümkündür. Bu tamamlılık, aşağıdaki avantajları sağlar:
- Pillerin etkin şarj süresinin önemli ölçüde uzaması, pilin yarı şarjlı durumda geçireceği sürenin azalması, bu da pilin kullanım ömrünün önemli ölçüde uzamasına neden olur.
- Gerekli pil kapasitesinin azalması. Hem rüzgar hem de güneş enerjisinin aynı anda kullanılamaması olasılığı düşük olduğundan, sistem genellikle yükü doğrudan çalıştırabilir, böylece daha küçük kapasiteli bir pil bankası kullanılabilir.
- Yerel ve uluslararası çalışmalar, hibrit rüzgar-güneş sistemlerinin tek kaynaklı güç üretim sistemlerine göre güç sağlama güvenilirliği ve yaşam döngüsü maliyet etkinliği açısından üstün olduğunu doğrulamaktadır.
1.3 Mevcut Tasarım Yöntemlerinin Kusurları ve Önerilen Çözüm
Mevcut sistem tasarımı zorluklarla karşı karşıyadır. Yabancı profesyonel simülasyon yazılımları pahalı olup, çekirdek modelleri genellikle gizlidir, yaygın benimsenmesini engeller. Ayrıca, çoğu basitleştirilmiş tasarım yöntemi yetersizdir - ya meteorolojik ortalamalara aşırı bağımlı olup detayları görmezden gelir, ya da doğrusal basitleştirilmiş modeller kullanarak sınırlı doğruluk ve uygulanabilirliğe sahip olurlar.
Bu çözüm, yukarıdaki sorunları çözmek için doğru ve uygulanabilir bilgisayar destekli tasarım metodolojileri önermeyi amaçlamaktadır.
II. Sistem Bileşenleri ve Çekirdek Teknik Modeller
2.1 Sistem Mimarisi
Bu çözümda tasarlanan hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemi, tamamen bağımsız bir off-grid sistemdir, dizel jeneratör gibi yedek güç kaynakları yoktur. Çekirdek bileşenler şunlardır:
- Güç Üretim Birimi: Rüzgar türbini jeneratörleri, PV dizisi.
- Enerji Depolama ve Yönetim Birimi: Pil bankası, şarj kontrolcüsü (şarj ve boşaltmayı yönetmek için).
- Koruma ve Dönüşüm Birimi: Ayrılma yükü (pil aşırı şarjını önler, inverteri korur), inverter (DC'yi AC'ye dönüştürerek çoğunlukla yük taleplerini karşılar).
- Güç Tüketim Birimi: Yük.
2.2 Doğru Güç Üretim Hesaplama Modelleri
Optimize edilmiş tasarım elde etmek için, saatlik güç üretim hesaplama modellerini kurduk.
- PV Dizisi Modeli:
- Güneş Işını Transpozisyonu: İleri seviye anizotropik gökyüzü saçılmalı modeli kullanarak, meteoroloji istasyonları tarafından ölçüm yapılan yatay güneş ışını verilerini PV modüllerin eğimli yüzeyine düşen ışın miktarına doğru transpoze eder, doğrudan demet ışını, gökyüzü saçılmalı ışını ve zemin yansımalı ışını kapsamlı olarak dikkate alır.
- Modül Karakteristik Simülasyonu: Hassas fiziksel bir model kullanarak, PV modüllerin doğrusal olmayan çıkış karakteristiklerini karakterize eder, ışın miktarı ve çevre sıcaklığına bağlı olarak modül çıkış voltajı ve akımını tam olarak dikkate alır, güç üretim hesaplarının doğruluğunu sağlar.
- Rüzgar Türbini Modeli:
- Rüzgar Hızı Düzeltmesi: Meteoroloji verilerinden referans yüksekliğine rüzgar hızını, yükseklikle değişen rüzgar hızını belirleyen üstel kanuna dayanarak, türbinin gerçek hub yüksekliğine rüzgar hızına düzeltir.
- Güç Eğrisi Uydurma: Parçalı fonksiyonu (farklı rüzgar hızı aralıkları için farklı ikinci dereceden denklemler) kullanarak, türbinin gerçek güç çıkışı eğrisini yüksek doğrulukla uydurur, rüzgar hızı verilerine dayalı olarak saatlik enerji hesaplamasını doğru bir şekilde sağlar.
2.3 Pil Dinamik Özellik Modeli
Pil, dinamik olarak değişen durumlara sahip temel enerji depolama bileşenidir. Model, özellikle şu konulara odaklanır:
- Şarj Durumu (SOC) Hesaplaması: Her adımda güç üretim ve yük tüketimi arasındaki ilişkiye dayanarak, pilin şarj ve boşaltma süreçlerini dinamik olarak simüle eder, kalan kapasiteyi doğru bir şekilde hesaplar, aynı zamanda kendiliğinden boşalma oranı, şarj etkinliği ve inverter etkinliği gibi pratik faktörleri dikkate alır.
- Şarj-Boşaltma Yönetimi: Pillerin ömrünü uzatmak için, makul bir SOC işletme aralığı tanımlanır (örneğin, maksimum boşaltma derinliğini %50 ile sınırlama), ve SOC ile çevresel sıcaklık arasındaki ilişkiye dayalı bir model oluşturulur, şarj koşullarını doğru bir şekilde belirlemek için.
III. Sistem Optimizasyonu ve Boyutlandırma Metodolojisi
3.1 Güç Sağlama Güvenilirlik Göstergeleri
Tasarım, kullanıcının belirlediği güç sağlama güvenilirlik gereksinimlerini karşılamayı öncelikli tutar. Ana göstergeler şunlardır:
- Güç Sağlama Olasılığı (LPSP): Sistem kesinti süresi ile toplam değerlendirme süresi arasındaki oran, sağlama sürekliliğini somut bir şekilde yansıtır.
- Yük Olasılığı (LLP): Sistemin karşılayamadığı yük güç talebi ile toplam talep arasındaki oran. Bu, sistem optimizasyon tasarımının en kritik merkezi göstergesidir.
3.2 Adım Adım Optimizasyon Tasarım Süreci
Bu çözüm, ekipmanların başlangıç yatırım maliyetini minimize etmeye yönelik sistemli bir optimizasyon sürecini benimser, en iyi yapılandırmayı bulmayı amaçlar.
- Adım 1: Sabit Rüzgar Türbini Kapasitesi İçin PV ve Pil Yapılandırmasını Optimize Etme
- Merkezi Görev: Rüzgar türbini modeli ve sayısının sabit olduğu koşulda, önceden belirlenen güvenilirlik göstergesi (LPSP) gereksinimini karşılayan ve toplam ekipman maliyetinin en düşük olmasını sağlayacak PV modülü ve pil kapasitelerinin kombinasyonunu bulmaktır.
- Uygulama Yöntemi: Simülasyon hesaplamaları yoluyla, güvenilirlik gereksinimini karşılayan tüm PV ve pil yapılandırmalarını temsil eden "dengeli eğri" çizilir. Daha sonra, ekipman birim fiyatlarına dayalı olarak maliyet teğet yöntemi veya bilgisayar programı filtreleme ile, en düşük maliyetli benzersiz optimal kombinasyon belirlenir.
- Adım 2: Rüzgar Türbini Kapasitesini Değiştirerek Küresel Optimizasyon
- Merkezi Görev: Rüzgar türbini kapasitesini veya sayısını değiştirerek, Adım 1'in optimizasyon sürecini tekrarlayın ve farklı rüzgar türbini kapasiteleri için bir dizi optimal yapılandırma ve bunların karşılık gelen maliyetlerini elde edin.
- Son Karar: Tüm aday çözümlerin toplam maliyetlerini karşılaştırın ve küresel olarak en düşük maliyetli rüzgar-PV-pil kombinasyonunu, son optimize edilmiş sistem yapılandırması olarak seçin.
3.3 Sistem Performans Simülasyonu ve Çıktı
En iyi yapılandırmayı belirledikten sonra, sistemin yıllık operasyonu saatlik olarak simüle edilebilir, ayrıntılı raporlar oluşturulabilir:
- Zaman Boyutu: Saatlik pil şarj durumu, sistem enerji dengesi.
- İstatistiksel Boyut: Günlük/aylık/yıllık karşılanmayan yük enerjisi, güvenilirlik göstergeleri (LPSP, LLP), rüzgar/güneş güç üretim payları, enerji fazlası ve eksiklik durumları vb.
IV. Sonuç
Bu çözümde önerilen hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin optimize edilmiş tasarım yöntemi, kapsamlı matematiksel modeller ve hassas yerel meteorolojik verilere dayanarak, kullanıcıya özgü elektrik taleplerini ve güç sağlama güvenilirlik gereksinimlerini karşılayan, en düşük başlangıç ekipman yatırım maliyetiyle benzersiz bir sistem yapılandırmasını belirleyebilir. Bu yöntem, tek kaynaklı güç üretim sistemlerinin kusurlarını etkili bir şekilde ele alır, mevcut tasarım yaklaşmalarının sınırlamalarını aşar ve hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin bilimsel, etkin ve ekonomik tasarımına güçlü bir araç sunar, mühendislik uygulamaları için önemli bir değer taşır.
