Sistem Pengoptimuman Tenaga Hibrid Angin-Solar: Penyelesaian Reka Bentuk Komprehensif untuk Aplikasi Lepas Rangkaian

1. Perkenalan dan Latar Belakang

1.1 Cabaran Sistem Penjanaan Tenaga dari Sumber Tunggal

Sistem penjanaan tenaga fotovoltaik (PV) atau tenaga angin tradisional mempunyai kekurangan bawaan. Penjanaan tenaga PV dipengaruhi oleh kitaran siang-malam dan keadaan cuaca, manakala penjanaan tenaga angin bergantung pada sumber angin yang tidak stabil, menyebabkan fluktuasi yang signifikan dalam output tenaga. Untuk memastikan bekalan tenaga yang berterusan, bank bateri kapasiti besar diperlukan untuk penyimpanan dan keseimbangan tenaga. Walau bagaimanapun, bateri yang mengalami kitaran pengisian-pencairan yang kerap cenderung untuk berada dalam keadaan kurang isi selama tempoh yang lama di bawah keadaan operasi yang keras, menyebabkan jangka hayat praktikal yang jauh lebih pendek daripada nilai teori. Lebih penting lagi, kos tinggi bateri bermaksud kos seumur hidup mereka mungkin mendekati atau bahkan melebihi kos modul PV atau turbin angin sendiri. Oleh itu, memperpanjang jangka hayat bateri dan mengurangkan kos sistem telah menjadi cabaran utama dalam mengoptimumkan sistem tenaga bersendirian.

1.2 Kelebihan Signifikan Penjanaan Tenaga Hibrid Angin-Solar

Teknologi penjanaan tenaga hibrid angin-solar secara efektif mengatasi ketidakselanjaran sumber tenaga tunggal dengan menggabungkan secara organik PV dan tenaga angin, dua sumber tenaga boleh diperbaharui. Tenaga angin dan solar menunjukkan komplementariti semula jadi dalam masa (siang/malam, musim): sinaran matahari yang kuat pada siang hari sering bertepatan dengan angin yang mungkin lebih kuat pada malam; sinaran matahari yang baik pada musim panas mungkin berpasangan dengan sumber angin yang melimpah pada musim sejuk. Komplementariti ini membolehkan:

• Pembesaran yang signifikan waktu pengisian bateri yang berkesan, mengurangkan masa mereka berada dalam keadaan kurang isi, seterusnya memperpanjang jangka hayat bateri secara substansial.
• Pengurangan dalam kapasiti bateri yang diperlukan. Kerana kemungkinan kedua-dua tenaga angin dan solar tidak tersedia secara serentak adalah rendah, sistem seringkali dapat memasok beban secara langsung, membolehkan penggunaan bank bateri kapasiti yang lebih kecil.
• Kajian domestik dan antarabangsa mengesahkan bahawa sistem hibrid angin-solar melebihi sistem penjanaan tenaga sumber tunggal dalam kebolehpercayaan bekalan tenaga dan kos seumur hidup yang lebih ekonomi.

1.3 Kekurangan Kaedah Reka Bentuk Sedia Ada dan Penyelesaian yang Diusulkan

Reka bentuk sistem semasa menghadapi cabaran. Perisian simulasi profesional dari luar negara mahal, dan model intinya sering dirahsiakan, menghalang penerimaan yang meluas. Sementara itu, kebanyakan kaedah reka bentuk yang disederhanakan tidak mencukupi—baik terlalu bergantung pada purata meteorologi yang mengabaikan butiran, atau menggunakan model disederhanakan linear yang membawa kepada ketepatan terhad dan kelihatan buruk.

Penyelesaian ini bertujuan untuk mengusulkan satu set metodologi reka bentuk bantu komputer yang tepat dan praktikal untuk mengatasi isu-isu di atas.

II. Susunan Sistem dan Model Teknikal Utama

2.1 Arkitektur Sistem

Sistem penjanaan tenaga hibrid angin-solar yang direka dalam penyelesaian ini adalah sistem off-grid sepenuhnya bersendirian, tanpa sumber bekalan tenaga tambahan seperti generator diesel. Komponen utama termasuk:

• Unit Penjanaan Tenaga: Turbin angin, array PV.
• Unit Penyimpanan dan Pengurusan Tenaga: Bank bateri, pengawal cas (untuk mengurus pengisian dan pencairan).
• Unit Perlindungan dan Penukaran: Beban pemisah (mencegah overcharge bateri, melindungi inverter), inverter (menukar DC ke AC untuk memenuhi keperluan beban kebanyakan).
• Unit Penggunaan Tenaga: Beban.

2.2 Model Pengiraan Penjanaan Tenaga yang Tepat

Untuk mencapai reka bentuk yang dioptimumkan, kami telah menubuhkan model pengiraan penjanaan tenaga setiap jam yang tepat.

• Model Array PV:
1. Transposisi Radiasi Solar: Menggunakan model anisotropik cerah langit yang canggih untuk mentranspos data radiasi solar mendatar yang diukur oleh stesen cuaca ke insiden radiasi pada permukaan condong modul PV, mempertimbangkan secara menyeluruh radiasi sinaran langsung, radiasi cerah langit, dan radiasi pantulan daripada tanah.
2. Simulasi Ciri Modul: Menggunakan model fizikal yang tepat untuk merangkumi ciri-ciri output non-linear modul PV, mempertimbangkan secara penuh kesan sinaran dan suhu ambien terhadap voltan dan arus output modul, memastikan ketepatan pengiraan penjanaan tenaga.
• Model Turbin Angin:
1. Pembaikan Kelajuan Angin: Membetulkan kelajuan angin ketinggian rujukan dari data meteorologi ke kelajuan angin ketinggian hub sebenar berdasarkan undang-undang eksponensial yang mengatur variasi kelajuan angin dengan ketinggian.
2. Pemasangan Kurva Kuasa: Menggunakan fungsi berperingkat (persamaan binomial yang berbeza untuk selang kelajuan angin yang berbeza) untuk mencapai pemadanan tinggi ketepatan lengkung output kuasa turbin, membolehkan pengiraan energi setiap jam yang tepat berdasarkan data kelajuan angin.

2.3 Model Ciri Dinamik Bateri

Bateri adalah komponen penyimpanan tenaga utama, dengan keadaan yang berubah dinamik. Model ini terutamanya fokus pada:

• Pengiraan Tahap Isi (SOC): Meniru proses pengisian dan pencairan bateri secara dinamik berdasarkan hubungan antara penjanaan tenaga dan penggunaan beban pada setiap langkah masa, mengira dengan tepat kapasiti baki, sambil mempertimbangkan faktor-faktor praktikal seperti kadar peluruhan sendiri, kecekapan pengisian, dan kecekapan inverter.
• Pengurusan Pengisian-Pencairan: Untuk memperpanjang jangka hayat bateri, julat operasi SOC yang munasabah ditetapkan (contohnya, membatasi kedalaman pencairan maksimum kepada 50%), dan model yang berkaitan dengan voltan cas apung, SOC, dan suhu ambien ditubuhkan untuk menentukan dengan tepat keadaan pengisian.

III. Metodologi Pengoptimuman dan Penentuan Saiz Sistem

3.1 Petunjuk Kebolehpercayaan Bekalan Tenaga

Reka bentuk memberi keutamaan kepada memenuhi keperluan kebolehpercayaan bekalan tenaga yang ditentukan pengguna. Petunjuk utama termasuk:

• Kebarangkalian Kehilangan Bekalan Tenaga (LPSP): Nisbah masa gangguan sistem kepada masa penilaian total, secara intuitif mencerminkan kesinambungan bekalan.
• Kebarangkalian Kehilangan Beban (LLP): Nisbah keperluan kuasa beban yang tidak dapat dipenuhi oleh sistem kepada jumlah permintaan. Ini adalah petunjuk inti yang paling kritikal untuk reka bentuk pengoptimuman sistem.

3.2 Proses Reka Bentuk Pengoptimuman Langkah demi Langkah

Penyelesaian ini mengadaptasi proses pengoptimuman sistematik, bertujuan untuk meminimumkan kos pelaburan awal peralatan untuk mencari konfigurasi optimum.

1. Langkah 1: Optimumkan Konfigurasi PV dan Bateri untuk Kapasiti Turbin Angin Tetap
• Tugas Utama: Dengan syarat model dan jumlah turbin angin tetap, cari kombinasi kapasiti modul PV dan bateri yang memenuhi petunjuk kebolehpercayaan (LPSP) yang ditentukan dan menghasilkan kos peralatan total yang paling rendah.
• Kaedah Pelaksanaan: Melalui pengiraan simulasi, plot "lengkung keseimbangan" yang mewakili semua konfigurasi PV dan bateri yang memenuhi keperluan kebolehpercayaan. Kemudian, menggunakan kaedah tangen kos atau penyaringan program komputer berdasarkan harga unit peralatan, tentukan kombinasi unik dengan kos paling rendah.
2. Langkah 2: Pengoptimuman Global dengan Mengubah Kapasiti Turbin Angin
• Tugas Utama: Ubah kapasiti atau jumlah turbin angin, ulangi proses pengoptimuman Langkah 1, dan dapatkan siri konfigurasi optimum dan kos yang berkaitan untuk kapasiti turbin angin yang berbeza.
• Keputusan Akhir: Bandingkan kos total semua penyelesaian calon dan pilih gabungan angin-PV-bateri dengan kos global paling rendah sebagai konfigurasi sistem yang dioptimumkan akhir.

3.3 Simulasi Prestasi Sistem dan Output

Selepas menentukan konfigurasi optimum, operasi tahunan sistem boleh disimulasikan setiap jam, menghasilkan laporan terperinci termasuk:

• Dimensi Masa: Tahap isi bateri setiap jam, keseimbangan tenaga sistem.
• Dimensi Statistik: Energi beban yang tidak dapat dipenuhi harian/bulanan/tahunan, petunjuk kebolehpercayaan (LPSP, LLP), peranan penjanaan tenaga angin/solar, situasi kelebihan dan kekurangan tenaga, dan lain-lain.

IV. Kesimpulan

Metodologi reka bentuk yang dioptimumkan untuk sistem penjanaan tenaga hibrid angin-solar yang dicadangkan dalam penyelesaian ini, berdasarkan model matematik yang komprehensif dan data meteorologi tempatan yang tepat, dapat menentukan secara unik konfigurasi sistem dengan kos pelaburan peralatan awal minimum sambil memenuhi keperluan elektrik pengguna tertentu dan keperluan kebolehpercayaan bekalan tenaga. Metodologi ini secara efektif mengatasi kekurangan sistem penjanaan tenaga sumber tunggal, mengatasi had kaedah reka bentuk sedia ada, dan memberikan alat yang kuat untuk reka bentuk sistem penjanaan tenaga hibrid angin-solar yang saintifik, cekap, dan ekonomi, mempunyai nilai yang signifikan untuk aplikasi kejuruteraan.