Hibrīda vēja-saules enerģijas sistēmas optimizācija: Visaptveroša dizaina risinājuma izstrāde nekļūstamām lietotnēm
- Ievads un fons
1.1 Viensākuma enerģijas ražošanas sistēmu izaicinājumi
Tradicionālas atsevišķas fotovoltaiskās (PV) vai vēja enerģijas ražošanas sistēmas ir savādākas trūkumi. PV enerģijas ražošana ir ietekmēta diennakts ciklu un laika apstākļiem, savukārt vēja enerģijas ražošana ir atkarīga no nestabilām vēja resursiem, kas rada būtiskas enerģijas izlaides svārstības. Lai nodrošinātu nepārtrauktu enerģijas piegādi, ir nepieciešamas lielkapacitātes akumulatoru bankas enerģijas uzkrāšanai un līdzsvarošanai. Tomēr, akumulatori, kas caur daudzus uzlādes-izlādes ciklus, ilgstoši paliek nepietiekami uzlādēti smagās darbības apstākļos, tādējādi praktiskā izmantošanas ilgums ir daudz īsāks nekā teorētiskais. Vēl kritiskāk, augsta cena akumulatoriem nozīmē, ka to kopējais dzīves cikla izmaksas var tuvoties vai pat pārsniegt PV moduļu vai vēja turbīnu pašas izmaksas. Tādējādi, akumulatoru dzīves ilguma pagarināšana un sistēmas izmaksu samazināšana ir kļuvušas par galvenajiem izaicinājumiem optimizējot viensākumu enerģijas sistēmas.
1.2 Hibrida vēja-saules enerģijas ražošanas nozīmīgie priekšrocības
Hibrida vēja-saules enerģijas ražošanas tehnoloģija efektīvi pārvar viena veida enerģijas avota periodiskumu, organiski kombinējot divus atjaunojamus enerģijas avotus - saules un vēja enerģiju. Saule un vējš parāda dabisku komplementaritāti laikā (dienā/nakts, sezonās): stipra gaismas spilgtums dienā bieži saskan ar potenciāli spēcīgākiem vējiem naktī; laba saules apgaismošana vasarā var kombinēties ar bagātīgiem vēja resursiem ziemā. Šī komplementaritāte ļauj:
- Būtiski pagarināt akumulatoru efektīvo uzlādes laiku, samazinot laiku, kad tie paliek nepietiekami uzlādēti, tādējādi būtiski pagarinot akumulatoru izmantošanas ilgumu.
- Samazināt nepieciešamo akumulatoru kapacitāti. Tā kā abu - vēja un saules - energoresursu nedostuprātība vienlaikus ir zema, sistēma var bieži tieši apgādāt slodzes, ļaujot izmantot mazāku kapacitātes akumulatoru banku.
- Mājā un ārpus valsts robežām veiktie pētījumi apliecina, ka hibrida vēja-saules sistēmas pārsniedz viena veida enerģijas avota sistēmas gan enerģijas piegādes uzticamībā, gan dzīves cikla ekonomiskajā efektivitātē.
1.3 Esošo projektēšanas metožu trūkumi un piedāvātais risinājums
Pašreizējā sistēmas projektēšana saskaras ar izaicinājumiem. Ārvalstu profesionālā simulācijas programmatūra ir dārga, un tās galvenie modeļi bieži ir konfidenciāli, kas traucē plašai izmantošanai. Savukārt, daudzi vienkāršoti projektēšanas metodes ir nepietiekamas — vai nu pārāk daudz uzticas meteoroloģiskajiem vidējiem, ignorējot detaļas, vai izmanto lineārus vienkāršotus modeļus, kas rada ierobežotu precizitāti un zemu pielāgojamību.
Šis risinājums mēģina piedāvāt precīzu un praktisku datorpalīdzētu projektēšanas metodoloģiju, lai risinātu minētos jautājumus.
II. Sistēmas sastāvs un galvenie tehniskie modeļi
2.1 Sistēmas arhitektūra
Šajā risinājumā izstrādātā hibrida vēja-saules enerģijas ražošanas sistēma ir pilnībā neatkarīga tīkla sistēma, bez rezervējošiem enerģijas avotiem, piemēram, diesela ģeneratoriem. Galvenie komponenti ietver:
- Enerģijas ražošanas vienība: Vēja turbīnu ģeneratori, PV masīvs.
- Enerģijas uzkrāšanas un pārvaldības vienība: Akumulatoru banka, uzlādes kontrolētājs (pārvalda uzlādi un izlādi).
- Aizsardzības un pārveidošanas vienība: Novirzīšanas slodze (novērš akumulatoru pārlādi, aizsargā inversoru), invertis (pārveido DC uz AC, lai apmierinātu lielāko daļu slodzes prasības).
- Enerģijas patēriņa vienība: Slodze.
2.2 Precīzi enerģijas ražošanas aprēķināšanas modeļi
Lai sasniegtu optimālu projektēšanu, mēs esam izveidojuši precīsus stundras enerģijas ražošanas aprēķināšanas modeļus.
- PV masīva modelis:
- Saules radiācijas transpozīcija: Izmanto sarežģītu anizotrisku debesīs izplatīto modeli, lai precīzi transponētu horizontālos saules radiācijas datus, ko mēra meteoroloģiskās stacijas, uz slīpas virsmas, kurās atrodas PV moduļi, ņemot vērā tiešo staru radiāciju, debesīs izplatīto radiāciju un zemes atstarojumu.
- Moduļa raksturlielumu simulācija: Izmanto precīzu fizisko modeli, lai raksturotu PV moduļu nelīniju izvades raksturlielus, ņemot vērā gaišuma un apkārtējās temperatūras ietekmi uz moduļa izvades spriegumu un strāvu, nodrošinot enerģijas ražošanas aprēķinu precizitāti.
- Vēja turbīnas modelis:
- Vēja ātruma korekcija: Korekcija meteoroloģiskajiem datiem norādītajam vēja ātrumam līdz faktiskajam šķērsgriezuma vēja ātrumam, balstoties uz eksponenciālo likumu, kas regulē vēja ātruma maiņu ar augstumu.
- Jaudas līknes pielāgošana: Izmanto segmentētu funkciju (dažādas binomiskas vienādojumu intervāli dažādiem vēja ātruma intervāliem), lai sasniegtu augstu precizitāti, pielāgojot turbinas faktiskajai jaudas izvadei, ļaujot precīzi aprēķināt stundras enerģijas daudzumu, balstoties uz vēja ātruma datiem.
2.3 Akumulatoru dinamiskais raksturlielu modelis
Akumulators ir galvenais enerģijas uzkrāšanas komponents, ar dinamiski mainīgām stāvokļiem. Modelis galvenokārt fokusējas uz:
- Lādēšanas stāvoklis (SOC) aprēķins: Dinamiski simulē akumulatoru uzlādes un izlādes procesus, balstoties uz enerģijas ražošanas un patēriņa attiecībām katrā soļa, precīzi aprēķinot atlikušo kapacitāti, ņemot vērā praktiskus faktorus, piemēram, pašlādēšanās ātrumu, uzlādes efektivitāti un invertera efektivitāti.
- Uzlādes-izlādes pārvaldība: Lai pagarinātu akumulatoru izmantošanas ilgumu, ir definēts saprātīgs SOC darbības diapazons (piemēram, ierobežojot maksimālo izlādes dziļumu līdz 50%), un ir izveidots modelis, kas sakārtē plūstošās lādēšanas spriegumu ar SOC un apkārtējo temperatūru, lai precīzi noteiktu uzlādes nosacījumus.
III. Sistēmas optimizācija un izmērošanas metodoloģija
3.1 Enerģijas piegādes uzticamības rādītāji
Dizains prioritizē lietotāja noteiktās enerģijas piegādes uzticamības prasības. Galvenie rādītāji ietver:
- Enerģijas piegādes zaudēšanas varbūtība (LPSP): Sistēmas izslēguma laika attiecība pret kopējo novērtējuma laiku, intuītīvi atspoguļojot piegādes nepārtrauktību.
- Slodzes zaudēšanas varbūtība (LLP): Slodzes enerģijas pieprasījuma, kas nav apmierināts sistēmai, attiecība pret kopējo pieprasījumu. Tas ir viskritiskākais galvenais rādītājs sistēmas optimizācijas dizainam.
3.2 Soli pa solim optimizācijas dizaina process
Šis risinājums izmanto sistēmātisko optimizācijas procesu, mērķis ir minimizēt iekārtu sākotnējās investīcijas, lai atrastu optimālo konfigurāciju.
- Solīšana 1: Optimizēt PV un akumulatoru konfigurāciju fiksētā vēja turbīnu jaudā
- Galvenais uzdevums: Uzdevums, kad vēja turbīnu modelis un skaits ir fiksēts, ir atrast PV moduļu un akumulatoru kapacitātes kombināciju, kas atbilst noteiktajam uzticamības rādītājam (LPSP) un rezultē ar zemākajām kopējām iekārtu izmaksām.
- Izpildes metode: Ar simulācijas aprēķiniem, izveido "līdzsvara līkni", kas attēlo visas PV un akumulatoru konfigurācijas, kas atbilst uzticamības prasībām. Pēc tam, izmantojot izmaksu tangenti metodi vai datorprogrammas atlasi, balstoties uz iekārtu vienības cenas, nosaka unikālo optimālo kombināciju ar zemākajām izmaksām.
- Solīšana 2: Globāla optimizācija, mainot vēja turbīnu jaudu
- Galvenais uzdevums: Mainot vēja turbīnu jaudu vai skaitu, atkārto Solīšanas 1 optimizācijas procesu, iegūstot sēriju optimālām konfigurācijām un to atbilstošām izmaksām dažādām vēja turbīnu jaudām.
- Gala lēmums: Salīdzinot visu kandidātu risinājumu kopējās izmaksas, izvēlas vēja-PV-akumulatoru kombināciju ar globāli zemākajām izmaksām kā galīgo optimālo sistēmas konfigurāciju.
3.3 Sistēmas veiktspējas simulācija un izvadi
Pēc optimālās konfigurācijas noteikšanas, sistēmas gada darbību var simulēt stundām, ģenerējot detalizētus ziņojumus, ieskaitot:
- Laika dimensija: Stundas akumulatora lādēšanas stāvoklis, sistēmas enerģijas līdzsvars.
- Statistikas dimensija: Ikdienu/mēneša/gada nepiegādātā slodzes enerģija, uzticamības rādītāji (LPSP, LLP), vēja/saules enerģijas ražošanas daļa, enerģijas pārpalikums un deficīts situācijas utt.
IV. Secinājumi
Šajā risinājumā piedāvātā hibrida vēja-saules enerģijas ražošanas sistēmas optimizēšanas metode, balstoties uz visaptverošiem matemātiskajiem modeļiem un precīziem vietējiem meteoroloģiskajiem datiem, var unikāli noteikt sistēmas konfigurāciju ar zemākajām sākotnējām iekārtu izmaksām, vienlaikus apmierinot specifiskas lietotāja elektrības pieprasījumu un enerģijas piegādes uzticamības prasības. Šī metode efektīvi risina viensākumu enerģijas ražošanas sistēmu trūkumus, pārvar esamos dizaina pieejas ierobežojumus un sniedz spēcīgu rīku zinātniskai, efektīvai un ekonomiskai hibrida vēja-saules enerģijas ražošanas sistēmu dizainam, kas ir nozīmīgs inženierzinātniskām lietojumiem.
