Hibridni vetro-sunčev sistem za optimizaciju: Kompletan dizajnerski rešenje za primene izvan mreže

1. Uvod i pozadina

1.1 Izazovi sistema jedinstvene izvore proizvodnje struje

Tradicionalni samostojeći fotovoltački (PV) ili vetroelektrane sistem proizvodnje struje imaju inherentne nedostatke. Proizvodnja PV struje ovisi o dnevnom ciklusu i vremenskim prilikama, dok se proizvodnja vjetra oslanja na nestabilne vjetrovne resurse, što dovodi do značajnih fluktuacija u izlazu snage. Za osiguranje kontinuiranog opskrbivanja strujom nužni su veliki kapaciteti baterija za pohranu i balansiranje energije. Međutim, baterije koje često podliježu ciklusima punjenja i ispraznjenja mogu dugi periodi ostati u stanju nedopunjenosti pod teškim radnim uvjetima, što rezultira stvarnim životnim vremenom koji je mnogo kraći od teorijske vrijednosti. Još kritičnije, visoka cijena baterija znači da ukupna troškova tijekom životnog vijeka može približiti ili čak premašiti trošak samih PV modula ili vjetrogeneratora. Stoga, produženje životnog vijeka baterija i smanjenje troškova sistema postali su ključni izazovi u optimizaciji samostojećih sustava proizvodnje struje.

1.2 Značajne prednosti hibridne vjetro-suncane proizvodnje struje

Hibridna tehnologija vjetro-sunceve proizvodnje struje učinkovito prevazilazi intermitenciju jedinstvenih izvora energije organičnim kombiniranjem dvaju obnovljivih izvora energije, PV i vjetra. Vjetar i sunčeva energija pokazuju prirodnu komplementarnost u vremenu (dan/noć, godišnji razdoblji): jak sunčev sjaj tokom dana često se podudara s potencijalno jačim vjetrom noću; dobra solarna zračenja u ljetu mogu se upariti s obilnim vjetrovnim resursima u zimi. Ova komplementarnost omogućuje:

• Značajno produženje efektivnog vremena punjenja baterija, smanjujući vrijeme provedeno u stanju nedopunjenosti, time značajno produžujući životno vrijeme baterija.
• Smanjenje potrebnog kapaciteta baterija. Budući da je vjerojatnost da su istodobno nezadostupni i vjetar i sunce niska, sustav može često direktno snabdevati opterećenje, omogućujući korištenje manjeg kapaciteta baterijskog parka.
• Domaće i međunarodne studije potvrđuju da hibridni vjetro-suncevi sustavi nadmašuju sisteme proizvodnje struje iz jedinstvenog izvora u pogledu pouzdanosti opskrbe strujom i učinkovitosti troškova tijekom životnog vijeka.

1.3 Nedostaci postojećih metoda dizajna i predloženo rješenje

Trenutni dizajn sustava suočava se sa izazovima. Strani profesionalni simulacijski softveri su skupi, a njihovi ključni modeli često su povjerljivi, što sprječava široku upotrebu. U međuvremenu, većina pojednostavljenih metoda dizajna nije zadovoljavajuća – ili previše se oslanjaju na meteorološke prosjekove zanemarujući detalje, ili koriste linearne pojednostavljene modele što dovodi do ograničene preciznosti i loše primjenjivosti.

Ovo rješenje ima za cilj predložiti skup točnih i praktičnih računalno podržanih metoda dizajna kako bi se riješili gornjih problema.

II. Sastav sustava i ključni tehnički modeli

2.1 Arhitektura sustava

Hibridni vjetro-suncevi sustav proizvodnje struje dizajniran u ovom rješenju jest potpuno samostojeći mrežni sustav, bez rezervnih izvora struje poput dizelskih generatora. Ključni komponenti uključuju:

• Jedinica proizvodnje struje: Vjetrogeneratori, PV polja.
• Jedinica pohrane i upravljanja energijom: Baterijski park, kontroler punjenja (za upravljanje punjenjem i ispraznjenjem).
• Jedinica zaštite i pretvorbe: Diverterska opterećenja (preventa preopterećenje baterija, štiti inverter), inverter (pretvara DC u AC kako bi ispunio većinu zahtjeva za opterećenje).
• Jedinica potrošnje struje: Opterećenje.

2.2 Točni modeli izračuna proizvodnje struje

Za postizanje optimiziranog dizajna uspostavili smo točne satne modele izračuna proizvodnje struje.

• Model PV polja:
1. Transpozicija solarnog zračenja: Koristi napredan anizotropni model difuznog neba kako bi točno transponirao horizontalne podatke o solarnom zračenju merene na meteorološkim stanicama na irradiance na nagibanoj površini PV modula, komprehensivno uzimajući u obzir direktno zračenje, difuzno zračenje neba i reflektirano zračenje sa zemlje.
2. Simulacija karakteristika modula: Koristi točan fizički model za karakterizaciju nelinearnih izlaznih karakteristika PV modula, kompletno uzimajući u obzir utjecaj zračenja i okolišne temperature na izlaznu napetost i struju modula, osiguravajući točnost izračuna proizvodnje struje.
• Model vjetrogeneratore:
1. Korekcija brzine vjetra: Korektira referentnu visinu brzine vjetra iz meteoroloških podataka na stvarnu brzinu vjetra na visini huba temeljem eksponencijalnog zakona variranja brzine vjetra s visinom.
2. Prikladanje krive snage: Koristi segmentnu funkciju (različite binomne jednadžbe za različite intervali brzine vjetra) kako bi postigao visoku preciznost prikladanja stvarne krive izlaza snage turbine, omogućujući točan satni izračun energije temeljem podataka o brzini vjetra.

2.3 Dinamički karakteristični model baterije

Baterija je ključni element pohrane energije, s dinamično mijenjajućim stanjima. Model se uglavnom fokusira na:

• Izračun stanja punjenja (SOC): Dinamički simulira procese punjenja i ispraznjenja baterije temeljem odnosa između proizvodnje struje i potrošnje opterećenja u svakom trenutku, točno izračunavajući preostali kapacitet, uzimajući u obzir praktične faktore poput stopa samoodsjajanja, učinkovitost punjenja i učinkovitost invertora.
• Upravljanje punjenjem i ispraznjenjem: Za produženje životnog vijeka baterije definira se razumna operativna raspona SOC (na primjer, ograničavanje maksimalne dubine ispraznjenja na 50%), i uspostavlja se model vezan za float napetost punjenja s SOC i okolišnom temperaturom kako bi točno odredio uvjete punjenja.

III. Metodologija optimizacije i dimenzioniranja sustava

3.1 Indikatori pouzdanosti opskrbe strujom

Dizajn priorizira zadovoljavanje specifičnih zahtjeva korisnika za pouzdanosti opskrbe strujom. Ključni indikatori uključuju:

• Vjerojatnost gubitka opskrbe strujom (LPSP): Omjer vremena ispadanja sustava i ukupnog vremena procjene, intuitivno odražavajući kontinuitet opskrbe.
• Vjerojatnost gubitka opterećenja (LLP): Omjer potrebe za snagom opterećenja koja nije zadovoljena sustavom i ukupne potrebe. Ovo je najkritičniji ključni indikator za optimizaciju dizajna sustava.

3.2 Korak po korak optimizacijski dizajnski proces

Ovo rješenje usvaja sistematski optimizacijski proces, s ciljem minimizirati početnu investicijsku cijenu opreme kako bi se pronašla optimalna konfiguracija.

1. Korak 1: Optimizacija konfiguracije PV i baterija za fiksnu kapacitet vjetrogeneratora
• Glavna zadaća: Pod uvjetom da je model i količina vjetrogeneratora fiksna, pronađi kombinaciju kapaciteta PV modula i baterija koja ispunjava unaprijed određeni indikator pouzdanosti (LPSP) i rezultira najnižom ukupnom cijenom opreme.
• Metoda implementacije: Kroz simulacijske izračune, nacrtajte "krivulju ravnoteže" koja predstavlja sve konfiguracije PV i baterija koje ispunjavaju zahtjev za pouzdanosti. Zatim, koristeći metodu tangente troškova ili programski odabir temeljem cijena opreme, odredite jedinstvenu optimalnu kombinaciju s najnižom cijenom.
2. Korak 2: Globalna optimizacija promjenom kapaciteta vjetrogeneratora
• Glavna zadaća: Promijenite kapacitet ili broj vjetrogeneratora, ponovite optimizacijski proces iz Koraka 1, i dobijte seriju optimalnih konfiguracija i njihove odgovarajuće troškove za različite kapacitete vjetrogeneratora.
• Konačna odluka: Usporedite ukupne troškove svih kandidatskih rješenja i odaberite kombinaciju vjetra-PV-baterija s globalno najnižim troškom kao konačnu optimiziranu konfiguraciju sustava.

3.3 Simulacija i izlaz performansi sustava

Nakon određivanja optimalne konfiguracije, godišnju operaciju sustava može se simulirati sat po sat, generirajući detaljne izvještaje uključujući:

• Vremenski aspekt: Satni stanje punjenja baterije, energetski bilans sustava.
• Statistički aspekt: Neispunjena dnevna/mjesečna/godišnja potreba za energijom, indikatori pouzdanosti (LPSP, LLP), udio proizvodnje struje od vjetra i sunca, situacije viška i deficitne energije, itd.

IV. Zaključak

Optimizirana metoda dizajna hibridnih vjetro-suncevih sustava proizvodnje struje predložena u ovom rješenju, temeljena na kompozitnim matematičkim modelima i točnim lokalnim meteorološkim podacima, može jedinstveno odrediti konfiguraciju sustava s najnižim početnim investicijskim troškovima opreme, dok zadovoljava specifične zahtjeve korisnika za strujom i zahtjeve za pouzdanosti opskrbe strujom. Ova metoda učinkovito rješava nedostatke sistema proizvodnje struje iz jedinstvenog izvora, premašuje ograničenja postojećih pristupa dizajnu, i pruža moćan alat za znanstven, učinkovit i ekonomičan dizajn hibridnih vjetro-suncevih sustava proizvodnje struje, što ima značajan značaj za inženjerske primjene.