Hybride Wind-Zonne Energie Systeem Optimalisatie: Een Uitgebreide Ontwerpoplossing voor Off-Grid Toepassingen

1. Inleiding en achtergrond​

​1.1 Uitdagingen van eenkrachtige energieopwekkingsystemen​

Traditionele stand-alone fotovoltaïsche (PV) of windenergieopwekkingsystemen hebben inherente nadelen. De PV-energieopwekking wordt beïnvloed door dagelijkse cycli en weersomstandigheden, terwijl de windenergieopwekking afhankelijk is van onstabiele windbronnen, wat leidt tot aanzienlijke fluctuaties in de energieproductie. Om een continue energievoorziening te waarborgen, zijn grote batterijbanken nodig voor energieopslag en -balans. Batterijen die vaak worden opgeladen en ontladen, lopen echter het risico langdurig ondergeladen te blijven onder strenge bedrijfsomstandigheden, waardoor de praktische levensduur veel korter is dan de theoretische waarde. Bovendien betekent de hoge kosten van batterijen dat de totale levenscycluskosten de kosten van de PV-modules of windturbines zelf kunnen benaderen of zelfs overtreffen. Daarom zijn het verlengen van de batterijlevensduur en het reduceren van systeemkosten de kernuitdagingen geworden bij de optimalisatie van stand-alone energieopwekkingsystemen.

​1.2 Aanzienlijke voordelen van hybride wind-zonne-energieopwekking​

Hybride wind-zonne-energieopwekkingstechnologie overwint effectief de onderbrekingen van eenkrachtige energiebronnen door twee hernieuwbare energiebronnen, namelijk PV en windenergie, organisch te combineren. Wind- en zonne-energie vertonen een natuurlijke complementariteit in de tijd (dag/nacht, seizoenen): sterke zonnestraling overdag komt vaak samen met potentiële sterkere winden 's nachts; goede zonnestraling in de zomer kan gepaard gaan met voldoende windbronnen in de winter. Deze complementariteit stelt het volgende mogelijk:

• Aanzienlijke verlenging van de effectieve oplaadtijd voor batterijen, wat de tijd dat ze ondergeladen zijn vermindert, waardoor de batterijlevensduur aanzienlijk wordt verlengd.
• Vermindering van de vereiste batterijcapaciteit. Aangezien de kans dat zowel wind als zonne-energie tegelijkertijd niet beschikbaar is laag is, kan het systeem vaak direct de belasting voeden, waardoor een batterijbank met kleinere capaciteit kan worden gebruikt.
• Binnenlandse en internationale studies bevestigen dat hybride wind-zonne-energiesystemen zowel in betrouwbaarheid van de energievoorziening als in levenscycluskosteneffectiviteit de eene krachtige energieopwekkingsystemen overtreffen.

​1.3 Nadelen van bestaande ontwerpmethoden en de voorgestelde oplossing​

Huidige systeemontwerpen staan voor uitdagingen. Professioneel simulatiesoftware van het buitenland is duur, en de kernmodellen zijn vaak vertrouwelijk, wat de wijdverspreide toepassing belemmert. Tegelijkertijd zijn de meeste vereenvoudigde ontwerpmethoden ontoereikend - ze vertrouwen te veel op meteorologische gemiddelden en negeren details, of ze gebruiken lineaire vereenvoudigde modellen die leiden tot beperkte nauwkeurigheid en slechte toepasbaarheid.

Deze oplossing streeft ernaar een set nauwkeurige en praktische computerondersteunde ontwerpmethodologieën voor te stellen om bovenstaande problemen aan te pakken.

​II. Systeemsamenstelling en kerntechnische modellen​

​2.1 Systeemarchitectuur​

Het hybride wind-zonne-energieopwekkingsysteem dat in deze oplossing is ontworpen, is een volledig autonoom off-grid systeem, zonder back-up energiebronnen zoals dieselmotoren. De kerncomponenten omvatten:

• ​Energieopwekkingseenheid:​​ Windturbinegeneratoren, PV-array.
• ​Energieopslag- en beheereenheid:​​ Batterijbank, laadregelaar (voor het beheren van opladen en ontladen).
• ​Beveiligings- en conversie-eenheid:​​ Divertload (voorkomt overladen van de batterij, beschermt de inverter), inverter (converteert DC naar AC om aan de meeste belastingsvereisten te voldoen).
• ​Energieverbruikseenheid:​​ Belasting.

​2.2 Nauwkeurige energieopwekkingberekeningsmodellen​

Om een geoptimaliseerd ontwerp te bereiken, hebben we nauwkeurige uurlijke energieopwekkingberekeningsmodellen opgesteld.

• ​PV-arraymodel:​​
1. ​Zonnestraaltranspositie:​​ Gebruikt een geavanceerd anisotroop hemelse verstrooiingsmodel om horizontale zonnestraalgegevens die door weerstations worden gemeten, nauwkeurig te transponeren naar de straling die op de hellende oppervlakte van de PV-modules valt, rekening houdend met directe straalstraling, hemelse verstrooide straling en grondgeretourneerde straling.
2. ​Modulekenmerksimulatie:​​ Gebruikt een precies fysiek model om de niet-lineaire uitvoerkenmerken van PV-modules te karakteriseren, rekening houdend met de effecten van straling en omgevingstemperatuur op de moduleuitvoerspanning en -stroom, waardoor de nauwkeurigheid van de energieopwekkingberekeningen wordt gewaarborgd.
• ​Windturbinemodel:​​
1. ​Windsnelheidscorrectie:​​ Corrigeert de referentiehoogte windsnelheid van meteorologische gegevens naar de werkelijke hubhoogte windsnelheid op basis van de exponentiële wet die de variatie van windsnelheid met hoogte reguleert.
2. ​Vermogenscurvefitting:​​ Gebruikt een gedeelde functie (verschillende binomiale vergelijkingen voor verschillende windsnelheidsintervallen) om een hoge precisie fitting van de daadwerkelijke vermogensoutputcurve van de turbine te bereiken, waardoor een nauwkeurige uurlijke energieberekening op basis van windsnelheidsgegevens mogelijk is.

​2.3 Dynamisch batterijkarakteristiekmodel​

De batterij is het kernenergieopslagelement, met dynamisch veranderende staten. Het model richt zich voornamelijk op:

• ​Ladingstoestand (SOC) Berekening:​​ Simuleert dynamisch de batterijoplading en -ontladingprocessen op basis van het verband tussen energieopwekking en belastingverbruik op elk tijdstip, en berekent nauwkeurig de resterende capaciteit, rekening houdend met praktische factoren zoals zelfontladingssnelheid, laadefficiëntie en inverterefficiëntie.
• ​Opladen-ontladenbeheer:​​ Om de batterijlevensduur te verlengen, wordt een redelijke SOC-werkingsbereik gedefinieerd (bijvoorbeeld het beperken van de maximale diepte van ontlading tot 50%), en wordt een model opgesteld dat de drijflaadspanning koppelt aan SOC en omgevingstemperatuur om de laadcondities nauwkeurig te bepalen.

​III. Systeemoptimalisatie en afmetingsmethodologie​

​3.1 Betrouwbaarheidsindicatoren van energievoorziening​

Het ontwerp streeft ernaar aan de door de gebruiker gespecificeerde betrouwbaarheidsvereisten voor energievoorziening te voldoen. Belangrijke indicatoren omvatten:

• ​Kans op energievoorzieningsverlies (LPSP):​​ Het verhouding van systeemuitvaltijd tot de totale evaluatietyd, wat intuïtief de continuïteit van de levering weergeeft.
• ​Kans op belastingsverlies (LLP):​​ Het verhouding van de belastingenergiebehoeften die niet door het systeem worden voldaan tot de totale behoefte. Dit is de meest cruciale kernindicator voor systeemoptimalisatieontwerp.

​3.2 Stapsgewijze optimalisatieontwerp-proces​

Deze oplossing maakt gebruik van een systematische optimalisatieproces, met als doel de initiële investeringskosten van apparatuur te minimaliseren om de optimale configuratie te vinden.

1. ​Stap 1: Optimaliseer PV- en batterijconfiguratie voor een vaste windturbinecapaciteit​
• ​Kernopdracht:​​ Onder de voorwaarde dat het windturbinemodel en -aantal vast zijn, vind de combinatie van PV-module- en batterijcapaciteiten die voldoet aan de vooraf bepaalde betrouwbaarheidsindicator (LPSP) en resulteert in de laagste totale apparatuurkosten.
• ​Implementatiemethode:​​ Door middel van simulatieberekeningen, plot de "evenwichtskromme" die alle PV- en batterijconfiguraties vertegenwoordigt die aan de betrouwbaarheidsvereiste voldoen. Vervolgens, met behulp van de kostenraaklijn methode of computerscreening gebaseerd op apparaateenhedenprijzen, bepaal de unieke optimale combinatie met de laagste kosten.
2. ​Stap 2: Globale optimalisatie door variëring van windturbinecapaciteit​
• ​Kernopdracht:​​ Verander de windturbinecapaciteit of -aantal, herhaal het optimalisatieproces van Stap 1, en verkrijg een reeks optimale configuraties en hun bijbehorende kosten voor verschillende windturbinecapaciteiten.
• ​Uiteindelijke beslissing:​​ Vergelijk de totale kosten van alle kandidaatoplossingen en selecteer de wind-PV-batterijcombinatie met de globaal laagste kosten als de uiteindelijke geoptimaliseerde systeemconfiguratie.

​3.3 Systeemprestatiesimulatie en output​

Na het bepalen van de optimale configuratie kan de jaarlijkse operatie van het systeem uur per uur worden gesimuleerd, waarbij gedetailleerde rapporten worden gegenereerd, inclusief:

• ​Tijdaspect:​​ Uurlijke batterijladingstoestand, systeemenergiebalans.
• ​Statistisch aspect:​​ Dagelijks/maandelijks/jaarlijks niet-vervuld belastingsenergie, betrouwbaarheidsindicatoren (LPSP, LLP), aandeel van wind- en zonne-energieopwekking, energietekort- en overschotssituaties, enz.

​IV. Conclusie​

De geoptimaliseerde ontwerpmethode voor hybride wind-zonne-energieopwekkingsystemen die in deze oplossing wordt voorgesteld, gebaseerd op omvattende wiskundige modellen en nauwkeurige lokale meteorologische gegevens, kan de systeemconfiguratie uniek bepalen met de laagste initiële apparatuurinvesteringskosten, terwijl specifieke elektriciteitsbehoeften en betrouwbaarheidsvereisten van de gebruiker worden voldaan. Deze methode lost effectief de tekortkomingen van eenkrachtige energieopwekkingsystemen op, overwint de beperkingen van bestaande ontwerpbenaderingen en biedt een krachtig instrument voor wetenschappelijke, efficiënte en economische ontwerpen van hybride wind-zonne-energieopwekkingsystemen, met aanzienlijke waarde voor ingenieursapplicaties.