हाइब्रिड वायु-सौर ऊर्जा प्रणाली अनुकूलन: ऑफ-ग्रिड अनुप्रयोगका लागि एउटा व्यापक डिझाइन समाधान

1. परिचय र पृष्ठभूमि

१.१ एकल स्रोत विद्युत उत्पादन प्रणालीहरूका चुनौतीहरू

परम्परागत अकेला फोटोवोल्टाइक (PV) वा हावाको शक्ति उत्पादन प्रणालीहरूमा आफ्नै दुर्बलताहरू छन्। PV शक्ति उत्पादन दिनको चक्र र मौसमी परिस्थितिमा प्रभावित हुन्छ, जबकि हावा शक्ति उत्पादन अस्थिर हावा स्रोतमा निर्भर छ, यसले शक्ति उत्पादनमा ठूलो झुकाव ल्याउँछ। निरन्तर शक्ति प्रदान गर्नको लागि, ऊर्जा संचयन र सन्तुलनको लागि ठूलो क्षमताका बैटरी बैंक आवश्यक छ। तर, बारम्बार चार्ज-डिस्चार्ज चक्रमा बैटरीहरू कठिन कार्यान्वयन परिस्थितिमा लामो समयसम्म अपर्याप्त चार्ज अवस्थामा रह्न सक्छ, यसले वास्तविक सेवा जीवनलाई थियोरिटिकल मानको तुलनामा ढीलो बनाउँछ। अधिक महत्वपूर्ण रूपमा, बैटरीहरूको उच्च खर्चले उनीहरूको कुल जीवनकालीन खर्चलाई PV मॉड्यूल वा हावा टर्बाइनहरूको खर्चजातको तुलनामा बराबर वा भन्दा बढी बनाउँछ। यसैले, बैटरीको जीवनकाल बढाउन र प्रणालीको खर्च घटाउन अकेला शक्ति प्रणालीहरूको अनुकूलनमा मुख्य चुनौतीहरू बनेको छन्।

१.२ संयुक्त हावा-सूर्य शक्ति उत्पादनका महत्वपूर्ण फाइदाहरू

संयुक्त हावा-सूर्य शक्ति उत्पादन प्रौद्योगिकीले दो अक्षय ऊर्जा स्रोतहरू—PV र हावा शक्ति—को जोडले एकल ऊर्जा स्रोतको अनियमिततालाई प्रभावी रूपमा भेट्याउँछ। हावा र सूर्य ऊर्जामा समयमा (दिन/रात, मौसम) प्राकृतिक पूरकता छ: दिनको दृढ सूर्यको साथमा रातको दृढ हावा थिन सक्छ; गर्मीको समयमा अच्छो सूर्यी विकिरणको साथमा ठण्डोको समयमा अच्छो हावा स्रोत थिन सक्छ। यो पूरकता यसलाई सम्भव बनाउँछ:

• बैटरीको प्रभावी चार्जिङको समय लामो बनाउन, यसले बैटरीलाई अपर्याप्त चार्ज अवस्थामा रहने समय घटाउँछ, यसले बैटरीको सेवा जीवनलाई ठूलो बढाउँछ।
• आवश्यक बैटरी क्षमता घटाउन। यदि हावा र सूर्य दुवै एकसाथ उपलब्ध नहुने सम्भावना थोरै छ, प्रणालीले लोडलाई सीधै शक्ति प्रदान गर्न सक्छ, यसले नाटो छोटो क्षमताको बैटरी बैंकको प्रयोग गर्न सकिन्छ।
• घरेलू र अन्तर्राष्ट्रिय अध्ययनहरूले सिद्ध गरेका छन् कि संयुक्त हावा-सूर्य प्रणालीहरू एकल स्रोत शक्ति उत्पादन प्रणालीहरूबाट शक्ति प्रदानको विश्वसनीयता र जीवनकालीन खर्च प्रभावित मा बढी उत्कृष्ट छन्।

१.३ अस्तित्वमा रहेको डिजाइन विधिहरूको कमजोरी र प्रस्तावित समाधान

हालको प्रणाली डिजाइनमा चुनौतीहरू छन्। विदेशी विशेषज्ञ सिमुलेशन सफ्टवेयरहरू धेरै महँगो छन्, र उनीहरूको मुख्य मॉडलहरू अक्सर गोपनीय छन्, यसले व्यापक उपयोगलाई रोक्दछ। त्यसकाही मध्य, धेरै सरलीकृत डिजाइन विधिहरू अपर्याप्त छन्—यसहरू या त वातावरणीय औसत आंकडामा अधिक निर्भर रहन र विवरणहरूलाई उपेक्षा गर्छन, वा रेखीय सरलीकृत मॉडलहरू प्रयोग गर्छन, यसले सीमित परिशुद्धता र अनुपयोगीता उत्पन्न गर्छ।

यो समाधानले यी मुद्दाहरूलाई समाधान गर्ने एक समूह परिशुद्ध र प्रायोज्य कम्प्युटर-सहायक डिजाइन विधिहरूको प्रस्ताव गर्ने उद्देश्य छ।

II. प्रणालीको संरचना र मुख्य प्रौद्योगिक मॉडलहरू

२.१ प्रणाली आर्किटेक्चर

यो समाधानमा डिजाइन गरिएको संयुक्त हावा-सूर्य शक्ति उत्पादन प्रणाली पूर्ण रूपमा अकेला ऑफ-ग्रिड प्रणाली हो, जसमा डिजेल जनरेटर जस्ता बैकअप शक्ति स्रोतहरू छैन। मुख्य घटकहरू यस प्रकार छन्:

• शक्ति उत्पादन युनिट: हावा टर्बाइन जनरेटर, PV अरे।
• ऊर्जा संचयन र प्रबंधन युनिट: बैटरी बैंक, चार्ज कन्ट्रोलर (चार्ज र डिस्चार्ज प्रबंधनको लागि)।
• संरक्षण र रूपांतरण युनिट: विपथित लोड (बैटरी ओवरचार्ज रोक्न, इन्वर्टर संरक्षण), इन्वर्टर (DC लाई AC मा रूपांतरण, त्यसरी अधिकांश लोड आवश्यकताहरू पूरा गर्न)।
• शक्ति खपत युनिट: लोड।

२.२ परिशुद्ध शक्ति उत्पादन गणना मॉडलहरू

अनुकूलित डिजाइन पार्नको लागि, हामीले परिशुद्ध घण्टाको शक्ति उत्पादन गणना मॉडलहरू स्थापना गरेका छौं।

• PV अरे मॉडल:
1. सौर विकिरण ट्रान्सपोजिशन: उन्नत अनिसोट्रोपिक स्काइ डिफ्यूज मॉडल प्रयोग गरी वातावरणीय स्टेशनले मापिएको अनुक्रमिक सौर विकिरण डाटालाई PV मॉड्यूलको झुकाएको सतहमा आईरेडियन्समा ट्रान्सपोज गर्न, त्यहाँ निरक्षिक बीम विकिरण, स्काइ डिफ्यूज विकिरण, र भूमिको प्रतिबिम्बित विकिरण बारेमा विस्तारपूर्वक विचार गरिएको छ।
2. मॉड्यूल विशेषता सिमुलेशन: निर्भर रूपमा नैसर्गिक मॉडल प्रयोग गरी PV मॉड्यूलहरूको अरेखीय उत्पादन विशेषतालाई विशेषता दिइएको छ, जसले विकिरण र वातावरणीय तापको प्रभावलाई बारेमा विस्तारपूर्वक विचार गर्दछ, मॉड्यूलको उत्पादन वोल्टेज र करेन्टलाई निश्चित गर्दछ, यसले शक्ति उत्पादन गणनाको परिशुद्धतालाई सुनिश्चित गर्दछ।
• हावा टर्बाइन मॉडल:
1. हावा गति संशोधन: वातावरणीय डाटामा उल्लेखित अनुक्रमिक ऊँचाइको हावा गतिलाई वास्तविक हब ऊँचाइको हावा गतिमा अनुसार एक्सपोनेन्शियल नियम अनुसार संशोधन गर्दछ।
2. पावर कर्व फिटिङ: विभिन्न हावा गति अन्तरालका लागि विभिन्न बाइनोमियल समीकरणहरू यसले टर्बाइनको वास्तविक पावर उत्पादन कर्वलाई उच्च-परिशुद्धताको फिटिङ गर्न सक्छ, यसले हावा गति डाटाको आधारमा घण्टाको ऊर्जा गणना गर्न सक्षम बनाउँछ।

२.३ बैटरी डायनेमिक विशेषता मॉडल

बैटरी यो मुख्य ऊर्जा संचयन घटक हो, जसको अवस्था डायनेमिक रूपमा परिवर्तन गर्दछ। यो मॉडल मुख्यतया यस पर ध्यान दिइएको छ:

• स्टेट ऑफ चार्ज (SOC) गणना: प्रत्येक समय चरणमा शक्ति उत्पादन र लोड खपतको बीचको सम्बन्ध अनुसार बैटरीको चार्ज र डिस्चार्ज प्रक्रियालाई डायनेमिक रूपमा सिमुलेट गर्दछ, शेष क्षमतालाई परिशुद्ध रूपमा गणना गर्दछ, त्यसमा आत्म-डिस्चार्ज दर, चार्ज दक्षता, र इन्वर्टर दक्षता जस्ता व्यावहारिक कारकहरूलाई विचार गरिएको छ।
• चार्ज-डिस्चार्ज प्रबंधन: बैटरीको जीवनकाल बढाउन, एक उचित SOC संचालन क्षेत्र निर्धारण गरिएको छ (उदाहरणका लागि, अधिकतम डिस्चार्ज गहिराइलाई ५०% लिमिट गर्न), र एक मॉडल स्थापना गरिएको छ, जसले फ्लोट चार्ज वोल्टेजलाई SOC र वातावरणीय तापको साथ सम्बद्ध गर्दछ, यसले चार्जिङ परिस्थितिलाई परिशुद्ध रूपमा निर्धारण गर्दछ।

III. प्रणाली अनुकूलन र आकार निर्धारण विधि

३.१ शक्ति प्रदान विश्वसनीयता सूचकांकहरू

डिजाइनले प्रयोक्ताको निर्दिष्ट शक्ति प्रदान विश्वसनीयता आवश्यकताहरू पूरा गर्न दायित्व लिन्छ। महत्वपूर्ण सूचकांकहरू यस प्रकार छन्:

• लोस ऑफ पावर सप्लाई प्रोबेबिलिटी (LPSP): प्रणालीको अवस्थान निरोधक समय र कुल मूल्यांकन समयको अनुपात, यो विश्वसनीयतालाई सुस्पष्ट रूपमा प्रतिबिम्बित गर्दछ।
• लोस ऑफ लोड प्रोबेबिलिटी (LLP): प्रणालीले पूरा गर्न असमर्थ लोड शक्ति आवश्यकता र कुल आवश्यकताको अनुपात। यो प्रणाली अनुकूलन डिजाइनको लागि सबैभन्दा महत्वपूर्ण मुख्य सूचकांक हो।

३.२ कदम-दर-कदम अनुकूलन डिजाइन प्रक्रिया

यो समाधानले एक प्रणालीकृत अनुकूलन प्रक्रिया अपनाएको छ, यसको उद्देश्य उपकरणको प्रारम्भिक निवेश खर्चलाई न्यूनतम गर्न अनुकूल आकार खोज्न छ।

1. कदम १: निश्चित हावा टर्बाइन क्षमताको लागि PV र बैटरी आकार अनुकूलन गर्नुहोस्
• मुख्य कार्य: हावा टर्बाइन मॉडल र संख्या निश्चित रहेको शर्तमा, निर्धारित विश्वसनीयता सूचकांक (LPSP) पूरा गर्ने र कुल उपकरण खर्च न्यूनतम गर्ने PV मॉड्यूल र बैटरी क्षमताको संयोजन खोज्नुहोस्।
• निष्पादन विधि: सिमुलेशन गणनाको माध्यम दियो, विश्वसनीयता आवश्यकता पूरा गर्ने सबै PV र बैटरी आकारको प्रतिनिधित्व गर्ने "संतुलन वक्र" बनाउनुहोस्। त्यसपछि, उपकरण एकाइ दरको आधारमा लागत ट्यान्जेन्ट विधि वा कम्प्युटर कार्यक्रम द्वारा चयन गरी, न्यूनतम खर्चको एकैकै अनुकूल संयोजन निर्धारण गर्नुहोस्।
2. कदम २: हावा टर्बाइन क्षमता बदल्न ग्लोबल अनुकूलन
• मुख्य कार्य: हावा टर्बाइन क्षमता वा संख्या बदल्नुहोस्, कदम १को अनुकूलन प्रक्रिया दोहोर्याउनुहोस्, र विभिन्न हावा टर्बाइन क्षमताका लागि एक श्रृंखला अनुकूल आकार र उनीहरूको संगत खर्च प्राप्त गर्नुहोस्।
• अन्तिम निर्णय: सबै प्रतिद्वन्द्वी समाधानहरूको कुल खर्चहरूलाई तुलना गरी, विश्वव्यापी न्यूनतम खर्च गर्ने हावा-PV-बैटरी संयोजनलाई अन्तिम अनुकूलित प्रणाली आकारको रूपमा चयन गर्नुहोस्।

३.३ प्रणाली प्रदर्शन सिमुलेशन र निर्गत

अनुकूल आकार निर्धारण गर्ने पछि, प्रणालीको वार्षिक संचालन घण्टाको आधारमा सिमुलेट गरिन सकिन्छ, यसले निम्न विस्तृत रिपोर्टहरू उत्पादन गर्दछ:

• समय आयाम: घण्टाको बैटरी स्टेट ऑफ चार्ज, प्रणाली ऊर्जा सन्तुलन।
• सांख्यिकीय आयाम: दैनिक/मासिक/वार्षिक अपूर्ण लोड ऊर्जा, विश्वसनीयता सूचकांकहरू (LPSP, LLP), हावा/सूर्य शक्ति उत्पादन अनुपात, ऊर्जा अधिक र कमी स्थितिहरू, आदि।

IV. निष्कर्ष

यो समाधानमा प्रस्तावित संयुक्त हावा-सूर्य शक्ति उत्पादन प्रणालीको अनुकूलित डिजाइन विधि, व्यापक गणितीय मॉडलहरू र पर्याप्त स्थानीय वातावरणीय डाटाको आधारमा, विशिष्ट प्रयोक्ताको बिजुली आवश्यकता र शक्ति प्रदान विश्वसनीयता आवश्यकताहरू पूरा गर्ने र प्रारम्भिक उपकरण निवेश खर्च न्यूनतम गर्ने प्रणाली आकारको एकैकै निर्धारण गर्न सक्छ। यो विधि एकल स्रोत शक्ति उत्पादन प्रणालीहरूका दुर्बलताहरूलाई प्रभावी रूपमा समाधान गर्दछ, अस्तित्वमा रहेको डिजाइन विधिहरूको सीमाहरूलाई जित्न छ, र संयुक्त हावा-सूर्य शक्ति उत्पादन प्रणालीहरूको विज्ञानिक, दक्ष, र आर्थिक डिजाइनको लागि एक शक्तिशाली साधन प्रदान गर्दछ, यसले अभियान्त्रिक अनुप्रयोगहरूमा महत्वपूर्ण मूल्य छ।