Hibridni Sistem za Optimizacija na Veter-Jasno Sonce: Kompleksno Rešenie za Dizajniranje za Aplikacii bez Mreža

1. Вовед и Позадина

1.1 Проблеми на системите за производство на енергија од едно изворно место

Традиционалните самостојни фотovoltaičки (PV) или ветрени системи за производство на енергија имаат природни недостатоци. Производството на енергија од PV системи е под влијание на дневните циклуси и временските услови, додека производството на ветрена енергија зависи од нестабилните ветрови ресурси, што доведува до значајни флуктуации во производството на енергија. За да се осигура непрекината достава на енергија, потребни се големи капацитети на батеријски банки за складирање и балансирање на енергијата. Меѓутоа, батериите кои често се напојуваат и разаржуваат можат долг период да останат во состојба на недовољна напојеност при тешки работни услови, што резултира со практична жизнена длабочина многу пократка од теоретската вредност. Покритички, високата цена на батериите значи дека нивната целосна лична цена може да се приближи или дури и да надмине цената на самите PV модули или ветрени генератори. Затоа, проширувањето на животната длабочина на батериите и намалувањето на системските трошоци станаа основни предизвици во оптимизацијата на самостојните системи за енергија.

1.2 Значајни предности на хибриден ветро-солнечен систем за производство на енергија

Хибриден ветро-солнечен систем за производство на енергија ефективно надминува интермитентноста на еднистручни извори на енергија со органично комбинирање на два обновливи извори на енергија, PV и ветрен системи. Ветрот и сончевата енергија покажуваат природна комплементарност во времето (ден/ноќ, сезони): силната светлина по денот често се совпаѓа со потенцијално посилни ветрови ноќта; добар сончев облик во летото може да се спои со поголеми ветрени ресурси зима. Оваа комплементарност овозможува:

• Значајно проширување на ефективното време на напојување на батериите, намалување на времето кое батериите го прекаруваат во состојба на недовољна напојеност, што значително продлабочува животната длабочина на батериите.
• Намалување на потребната капацитета на батериите. Бидејќи веројатноста на тоа што ветрот и сончевата енергија истовремено нема да бидат достапни е мала, системот често може директно да напојува оптерот, што овозможува користење на помал капацитет на батеријска банка.
• Домашни и интернационални студии потврдуваат дека хибридните ветро-солнечни системи надминуваат системите за производство на енергија од еднистручни извори како по надежност на доставата на енергија, така и по економичност на целосната лична цена.

1.3 Недостатоци на постојните методи за дизајн и предложеното решение

Сегашниот системски дизајн се соочува со предизвици. Странските професионални симулаторски софтвери се скапи, а нивните основни модели често се конфиденцијални, што го пречи широкото усвојување. Медијутим, повеќето поедноставени методи за дизајн се недостаточни – или прекумерно се засноваат на временски просечни вредности без да ги игнорираат деталите, или користат линеарни поедноставени модели што доведува до ограничена точност и слаба применливост.

Ова решение се стреми да предложи сетака точно и практично компјутерско-помошно методологија за дизајн за решавање на горенаведените проблеми.

II. Системска композиција и основни технички модели

2.1 Архитектура на системот

Хибриден ветро-солнечен систем за производство на енергија дизајниран во ова решение е потполно самостојен оф-грид систем, без резервни извори на енергија како дизелски генератори. Основните компоненти вклучуваат:

• Единица за производство на енергија: Ветрени генератори, PV масив.
• Единица за складирање и управување со енергија: Батеријска банка, контролер за напојување (за управување со напојувањето и разаржувањето).
• Единица за заштита и конверзија: Диверзиона оптер (предотвршува прекуплопојеност на батериите, ги заштитува инверторите), инвертор (конвертира DC во AC за задоволување на повеќето потреби на оптерот).
• Единица за потрошувачка енергија: Оптер.

2.2 Точни модели за пресметка на производството на енергија

За да се постигне оптимизиран дизајн, ние ја установивме точната часовна пресметка на производството на енергија.

• Модел на PV масив:
1. Транспозиција на сончевата радијација: Користи напреден анизотропен модел на дифузна светлина од небето за точна транспозиција на хоризонталните податоци за сончева радијација мерени од временски станиците на радијацијата која пада на наклонената површина на PV модулите, што комплетно ги зема предвид директната радијација, дифузната радијација од небето и радијацијата од рефлексија од земјата.
2. Симулација на карактеристики на модулите: Користи точен физички модел за карактеризирање на нелинеарните карактеристики на излезот на PV модулите, што ги зема предвид ефектите на радијацијата и околинската температура врз излезната напон и стрuja, осигурувајќи точноста на пресметките за производството на енергија.
• Модел на ветрен генератор:
1. Корекција на ветрениот брзина: Коригира брзината на ветрот на референтната висина од временските податоци до фактичкиот брзина на ветрот на висината на хубот на основа на експоненцијалниот закон за варијација на брзината на ветрот со висина.
2. Фитирање на кривата на моќта: Користи сегментирана функција (различни биномни равенки за различни интервали на брзина на ветрот) за постигнување на високопрецизна фитирање на фактичката крива на излезот на моќта на турбината, што овозможува точна часовна пресметка на енергијата на основа на податоците за брзината на ветрот.

2.3 Динамички карактеристичен модел на батеријата

Батеријата е основниот компонент за складирање на енергија, со динамички менливи состојби. Моделот главно се фокусира на:

• Пресметка на состојбата на напојеност (SOC): Динамично симулира процесите на напојување и разаржување на батериите на основа на односот помеѓу производството на енергија и потрошувачката енергија на секој временски чекор, точно пресметувајќи остатокот на капацитет, со земање предвид практични фактори како степенот на само-разаржување, ефикасноста на напојување и ефикасноста на инверторот.
• Управување со напојување и разаржување: За да се продлабочи животната длабочина на батериите, дефиниран е разумен оперативен опсег на SOC (на пример, ограничување на максималната длабочина на разаржување до 50%), и се установува модел кој корелира напонот на пловечко напојување со SOC и околинската температура за точно определување на условите за напојување.

III. Методологија за оптимизација и размерување на системот

3.1 Индикатори за надежност на доставата на енергија

Дизајнот го придружува задоволувањето на специфицираните барања на корисникот за надежност на доставата на енергија. Клучните индикатори вклучуваат:

• Веројатност за загуба на доставата на енергија (LPSP): Односот на времето на прекин на системот со вкупното време на оценка, интуитивно го рефлектира продолжителноста на доставата.
• Веројатност за загуба на оптер (LLP): Односот на неисполнетата потреба за моќ на оптерот со вкупната потреба. Овој е најкритичниот основен индикатор за оптимизираниот дизајн на системот.

3.2 Поетапен процес на оптимизиран дизајн

Ова решение го користи системскиот оптимизационен процес, со цел да се минимизираат почетните инвестиции во опрема за пронаоѓање на оптималната конфигурација.

1. Чекор 1: Оптимизација на конфигурацијата на PV и батериите за фиксна капацитет на ветрен генератор
• Основна задача: Под услов дека моделот и количината на ветрените генератори се фиксни, најдете комбинација на капацитетот на PV модулите и батериите која го исполнува предизбраниот индикатор за надежност (LPSP) и резултира со најниската вкупна цена на опремата.
• Метод на имплементација: Кроз симулаторски пресметки, нацртнете "балансна крива" која ги претставува сите конфигурации на PV и батериите кои го исполнуваат барањето за надежност. Потоа, користејќи методот на тангента на трошоци или компјутерски програмски одбор на основа на единичните цени на опремата, одредете единствената оптимална комбинација со најниската цена.
2. Чекор 2: Глобална оптимизација со менување на капацитетот на ветрен генератор
• Основна задача: Менувајте капацитетот или бројот на ветрените генератори, повторете процесот на оптимизација од Чекор 1, и добиете серија на оптимални конфигурации и нивните соодветни трошоци за различни капацитети на ветрен генератори.
• Конечно одлукување: Споредете вкупните трошоци на сите кандидатски решения и изберете комбинацијата на ветро-PV-батерија со глобално најниски трошоци како последна оптимизирана конфигурација на системот.

3.3 Симулација и излез на перформанса на системот

После што се одреди оптималната конфигурација, годишната работа на системот може да се симулира час по час, генерирајќи детални известија вклучувајќи:

• Временска димензија: Часовна состојба на напојеност на батериите, системска енергетска балансира.
• Статистичка димензија: Дневна/месечна/годишна неисполнета енергија на оптерот, индикатори за надежност (LPSP, LLP), дел од производството на ветро-солнечна енергија, ситуација со излишок и недостиг на енергија, итн.

IV. Заклучок

Оптимизираната методологија за дизајн на хибридни ветро-солнечни системи за производство на енергија, предложена во ова решение, на основа на комплетни математички модели и прецизни локални временски податоци, може уникално да одреди конфигурацијата на системот со минимални почетни трошоци на опремата, додека ги исполнува специфичните барања на корисниците за електрична енергија и надежност на доставата на енергија. Оваа методологија ефективно надминува недостатоците на системите за производство на енергија од еднистручни извори, надминува ограниченијата на постојните методи за дизајн, и пружа моќен алатка за научен, ефикасен и економски дизајн на хибридни ветро-солнечни системи за производство на енергија, што има значајна вредност за инженерските применувања.