System optymalizacji hybrydowej energii wiatrowo-słonecznej: Kompleksowe rozwiązanie projektowe dla zastosowań poza siecią

1. Wprowadzenie i tło

1.1 Wyzwania systemów jednoźródłowych generacji energii

Tradycyjne samodzielne systemy fotowoltaiczne (PV) lub wiatrowe mają naturalne wady. Generacja energii PV jest wpływowana przez cykle dobowe i warunki pogodowe, podczas gdy generacja energii wiatrowej opiera się na niestabilnych zasobach wiatru, co prowadzi do znacznych fluktuacji wydajności. Aby zapewnić ciągłe dostawy energii, niezbędne są duże baterie do przechowywania i bilansowania energii. Jednak baterie podlegające częstym cyklom ładowania i rozładowania mogą przez długi czas pozostawać w stanie niedoboru ładunku w trudnych warunkach pracy, co skraca ich rzeczywistą żywotność w porównaniu z wartością teoretyczną. Co więcej, wysoka cena baterii oznacza, że całkowity koszt cyklu życia może być porównywalny lub nawet przekraczać koszt modułów PV lub turbin wiatrowych. Dlatego przedłużenie żywotności baterii i obniżenie kosztów systemu stały się kluczowymi wyzwaniami w optymalizacji samodzielnych systemów energetycznych.

1.2 Istotne zalety hybrydowej generacji energii wiatrowo-słonecznej

Technologia hybrydowej generacji energii wiatrowo-słonecznej efektywnie pokonuje nieciągłość pojedynczych źródeł energii, łącząc organicznie dwa odnawialne źródła energii: PV i wiatr. Energia wiatru i słoneczna wykazują naturalną komplementarność w czasie (dzień/noc, pory roku): silne światło słoneczne w ciągu dnia często współgra z potencjalnie silniejszymi wiatrami w nocy; dobre nasłonecznienie latem może łączyć się z obfitymi zasobami wiatru zimą. Ta komplementarność umożliwia:

• Znaczne przedłużenie skutecznej godziny ładowania baterii, zmniejszając czas spędzony w stanie niedoboru, co znacznie przedłuża żywotność baterii.
• Zmniejszenie wymaganej pojemności baterii. Ponieważ prawdopodobieństwo jednoczesnego braku zarówno wiatru, jak i słońca jest niskie, system może często bezpośrednio zasilać obciążenie, co pozwala na użycie mniejszej pojemności baterii.
• Krajowe i międzynarodowe badania potwierdzają, że hybrydowe systemy wiatrowo-słoneczne przewyższają systemy jednoźródłowej generacji energii pod względem niezawodności dostaw energii i kosztów cyklu życia.

1.3 Wady istniejących metod projektowania i proponowane rozwiązanie

Aktualne metody projektowania systemów napotykają na wyzwania. Z zagranicy dostępne profesjonalne programy symulacyjne są drogie, a ich główne modele są często poufne, co utrudnia szerokie zastosowanie. Tymczasem większość uproszczonych metod projektowania jest niewystarczająca - albo opiera się zbyt mocno na średnich meteorologicznych, ignorując szczegóły, albo używa liniowych uproszczonych modeli, co prowadzi do ograniczonej dokładności i niskiej przydatności.

To rozwiązanie ma na celu zaproponowanie zestawu dokładnych i praktycznych metod komputerowego wspomagania projektowania, aby rozwiązać powyższe problemy.

II. Skład systemu i podstawowe modele techniczne

2.1 Architektura systemu

Hybrydowy system generacji energii wiatrowo-słonecznej zaprojektowany w tym rozwiązaniu to całkowicie samodzielny system off-grid, bez zasobników awaryjnych, takich jak agregaty dieslowskie. Podstawowe komponenty obejmują:

• Jednostka generacji energii: Turbiny wiatrowe, tablica PV.
• Jednostka przechowywania i zarządzania energią: Bateria, kontroler ładowania (do zarządzania ładowaniem i rozładowywaniem).
• Jednostka ochrony i konwersji: Obciążenie dystrybucyjne (zapobiega nadładowaniu baterii, chroni inwerter), inwerter (konwertuje prąd stały na prąd zmienny, aby spełnić większość wymagań obciążenia).
• Jednostka zużycia energii: Obciążenie.

2.2 Dokładne modele obliczeniowe generacji energii

Aby osiągnąć zoptymalizowany projekt, opracowaliśmy dokładne godzinowe modele obliczeniowe generacji energii.

• Model tablicy PV:
1. Transpozycja promieniowania słonecznego: Wykorzystuje zaawansowany anizotropowy model dyfuzyjny nieba, aby dokładnie transponować dane pomiarowe poziomego promieniowania słonecznego ze stacji meteorologicznych na natężenie padające na nachylone powierzchnie modułów PV, uwzględniając promieniowanie bezpośrednie, dyfuzyjne i odbite od ziemi.
2. Symulacja charakterystyk modułów: Używa precyzyjnego modelu fizycznego do charakteryzacji nieliniowych cech wyjściowych modułów PV, pełnym zakresem uwzględniając wpływ natężenia światła i temperatury otoczenia na napięcie i prąd wyjściowy modułów, zapewniając dokładność obliczeń generacji energii.
• Model turbiny wiatrowej:
1. Korekcja prędkości wiatru: Koreguje prędkość wiatru odniesienia z danych meteorologicznych do rzeczywistej prędkości wiatru na wysokości gubki turbiny, opierając się na prawie wykładniczym zmiany prędkości wiatru w zależności od wysokości.
2. Dopasowanie krzywej mocy: Używa funkcji segmentowej (różne równania binarne dla różnych przedziałów prędkości wiatru) do osiągnięcia wysokoprzecinkowego dopasowania rzeczywistej krzywej mocy turbiny, umożliwiając dokładne godzinowe obliczenia energii na podstawie danych prędkości wiatru.

2.3 Model dynamicznych cech baterii

Bateria jest podstawowym elementem przechowywania energii, z dynamicznie zmieniającymi się stanami. Model koncentruje się głównie na:

• Obliczenie stanu naładowania (SOC): Dynamicznie symuluje procesy ładowania i rozładowania baterii na podstawie relacji między generacją energii a zużyciem przez obciążenie w każdym kroku czasowym, dokładnie obliczając pozostałą pojemność, uwzględniając praktyczne czynniki, takie jak współczynnik samo-rozładowania, wydajność ładowania i wydajność inwertera.
• Zarządzanie ładowaniem i rozładowaniem: Aby przedłużyć żywotność baterii, definiuje się rozsądny zakres działania SOC (np. ograniczenie maksymalnej głębokości rozładowania do 50%), a także model korelacji napięcia ładowania z SOC i temperaturą otoczenia, aby dokładnie określić warunki ładowania.

III. Metodologia optymalizacji i projektowania systemu

3.1 Wskaźniki niezawodności dostaw energii

Projekt priorytetowo uwzględnia spełnienie określonych przez użytkownika wymagań dotyczących niezawodności dostaw energii. Kluczowe wskaźniki obejmują:

• Prawdopodobieństwo utraty dostaw energii (LPSP): Stosunek czasu awarii systemu do całkowitego czasu oceny, intuicyjnie odzwierciedlający ciągłość dostaw.
• Prawdopodobieństwo utraty obciążenia (LLP): Stosunek mocy obciążenia, które system nie jest w stanie spełnić, do całkowitego zapotrzebowania. Jest to najważniejszy kluczowy wskaźnik dla optymalizacji projektu systemu.

3.2 Etapowa metoda optymalizacji projektowania

To rozwiązanie stosuje systematyczny proces optymalizacji, mający na celu minimalizację początkowych kosztów inwestycji w sprzęt, aby znaleźć optymalną konfigurację.

1. Etap 1: Optymalizacja konfiguracji PV i baterii dla ustalonej pojemności turbiny wiatrowej
• Główna zadanie: Przy ustalonym modelu i ilości turbin wiatrowych, znaleźć kombinację pojemności modułów PV i baterii, która spełnia określony wskaźnik niezawodności (LPSP) i prowadzi do najniższego całkowitego kosztu sprzętu.
• Metoda realizacji: Poprzez symulacje obliczeniowe, narysować "krzywą bilansową" reprezentującą wszystkie konfiguracje PV i baterii, które spełniają wymagania niezawodności. Następnie, używając metody stycznej kosztu lub selekcji komputerowej na podstawie ceny jednostkowej sprzętu, określić unikalną optymalną kombinację z najniższym kosztem.
2. Etap 2: Globalna optymalizacja poprzez zmianę pojemności turbiny wiatrowej
• Główna zadanie: Zmienić pojemność lub liczbę turbin wiatrowych, powtórzyć proces optymalizacji z Etapu 1, uzyskując serię optymalnych konfiguracji i odpowiadających im kosztów dla różnych pojemności turbin wiatrowych.
• Ostateczna decyzja: Porównać całkowite koszty wszystkich kandydujących rozwiązań i wybrać kombinację wiatr-PV-bateria z globalnie najniższym kosztem jako końcową zoptymalizowaną konfigurację systemu.

3.3 Symulacja i wyjście wydajności systemu

Po określeniu optymalnej konfiguracji, można symulować roczne działanie systemu godzina po godzinie, generując szczegółowe raporty, w tym:

• Wymiar czasowy: Godzinowy stan naładowania baterii, bilans energetyczny systemu.
• Wymiar statystyczny: Codzienne/miesięczne/roczne niespełnione zapotrzebowanie na energię, wskaźniki niezawodności (LPSP, LLP), udział generacji energii wiatrowej i słonecznej, sytuacje nadmiaru i deficytu energii itp.

IV. Podsumowanie

Propozycja zoptymalizowanej metody projektowania hybrydowych systemów generacji energii wiatrowo-słonecznej, oparta na kompleksowych modelach matematycznych i dokładnych lokalnych danych meteorologicznych, może jednoznacznie określić konfigurację systemu z minimalnym początkowym kosztem inwestycji w sprzęt, jednocześnie spełniając określone wymagania użytkownika dotyczące zapotrzebowania na energię elektryczną i niezawodności dostaw. Ta metoda efektywnie rozwiązuje wady systemów jednoźródłowej generacji energii, przezwycięża ograniczenia istniejących podejść projektowych i oferuje potężne narzędzie do naukowego, efektywnego i ekonomicznego projektowania hybrydowych systemów generacji energii wiatrowo-słonecznej, mając znaczącą wartość dla zastosowań inżynierskich.