ระบบการปรับแต่งพลังงานลม-แสงอาทิตย์แบบผสม: โซลูชันการออกแบบอย่างครอบคลุมสำหรับการใช้งานนอกสายส่ง

1. บทนำและพื้นหลัง

1.1 ปัญหาของระบบผลิตไฟฟ้าจากแหล่งเดียว

ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) หรือลมแบบสแตนด์อโลนแบบดั้งเดิมมีข้อเสียอยู่หลายประการ พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าจะได้รับผลกระทบจากวงจรรอบวันและสภาพอากาศ ในขณะที่การผลิตไฟฟ้าด้วยลมขึ้นอยู่กับทรัพยากรลมที่ไม่คงที่ ส่งผลให้มีความผันผวนในปริมาณการผลิตไฟฟ้าเพื่อรักษาการจ่ายไฟฟ้าที่ต่อเนื่อง การใช้งานแบตเตอรี่ขนาดใหญ่สำหรับการเก็บและการบาลานซ์พลังงานเป็นสิ่งจำเป็นอย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ที่ผ่านการชาร์จ-ปล่อยไฟบ่อยๆ มักจะอยู่ในสถานะที่ไม่ได้ชาร์จเต็มเป็นเวลานานภายใต้สภาพการทำงานที่รุนแรง ทำให้ระยะเวลาการใช้งานจริงสั้นกว่าค่าทฤษฎี นอกจากนี้ ค่าใช้จ่ายสูงของแบตเตอรี่หมายความว่าค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งานอาจเท่ากับหรือมากกว่าต้นทุนของโมดูล PV หรือกังหันลมเอง ดังนั้น การขยายอายุการใช้งานแบตเตอรี่และการลดต้นทุนของระบบจึงกลายเป็นปัญหาสำคัญในการปรับปรุงระบบสแตนด์อโลน

1.2 ข้อได้เปรียบอย่างมากของการผลิตไฟฟ้าผสมระหว่างลมและแสงอาทิตย์

เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าผสมระหว่างลมและแสงอาทิตย์สามารถแก้ไขปัญหาการขาดแคลนของแหล่งพลังงานเดียวได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการรวมพลังงานแสงอาทิตย์และลม สองแหล่งพลังงานทดแทนเข้าด้วยกัน ลมและแสงอาทิตย์แสดงให้เห็นถึงความสมดุลตามธรรมชาติในเวลา (กลางวัน/กลางคืน, ฤดูกาล): แสงแดดที่แรงในระหว่างวันมักจะตรงกับลมที่อาจแรงขึ้นในระหว่างคืน; รังสีแสงอาทิตย์ที่ดีในฤดูร้อนอาจมาพร้อมกับทรัพยากรลมที่เพียงพอในฤดูหนาว ความสมดุลนี้ทำให้:

• การขยายเวลาการชาร์จแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพอย่างมาก ลดเวลาที่แบตเตอรี่อยู่ในสถานะที่ไม่ได้ชาร์จเต็ม ทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้นอย่างมาก
• การลดความจุของแบตเตอรี่ที่จำเป็น เนื่องจากโอกาสที่ทั้งลมและแสงอาทิตย์จะไม่มีพร้อมกันนั้นต่ำ ระบบสามารถจ่ายไฟฟ้าให้กับโหลดโดยตรงได้ ทำให้สามารถใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็กลง
• การศึกษาภายในประเทศและต่างประเทศยืนยันว่าระบบลม-แสงอาทิตย์ผสมมีความเชื่อถือได้ในการจ่ายไฟฟ้าและมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจตลอดอายุการใช้งานสูงกว่าระบบผลิตไฟฟ้าจากแหล่งเดียว

1.3 ข้อบกพร่องของวิธีการออกแบบที่มีอยู่และการเสนอวิธีแก้ไข

การออกแบบระบบปัจจุบันเผชิญกับความท้าทาย ซอฟต์แวร์การจำลองระดับมืออาชีพจากต่างประเทศมีราคาแพง และโมเดลหลักมักจะเป็นความลับ ทำให้การนำไปใช้งานอย่างกว้างขวางเป็นไปได้ยาก ในขณะเดียวกัน วิธีการออกแบบที่ได้รับการปรับแต่งส่วนใหญ่ไม่เพียงพอ ไม่ว่าจะพึ่งพาค่าเฉลี่ยทางภูมิศาสตร์โดยละเลยรายละเอียด หรือใช้โมเดลที่ถูกปรับแต่งแบบเชิงเส้นทำให้มีความแม่นยำและเหมาะสมน้อยลง

วิธีแก้ไขนี้มีเป้าหมายเพื่อเสนอวิธีการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ที่แม่นยำและปฏิบัติได้เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว

II. องค์ประกอบของระบบและโมเดลเทคนิคหลัก

2.1 สถาปัตยกรรมของระบบ

ระบบผลิตไฟฟ้าผสมระหว่างลมและแสงอาทิตย์ที่ออกแบบในวิธีแก้ไขนี้เป็นระบบออฟกริดแบบสแตนด์อโลนโดยสมบูรณ์ โดยไม่มีแหล่งสำรองไฟฟ้า เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล องค์ประกอบหลักประกอบด้วย:

• หน่วยผลิตไฟฟ้า: กังหันลม, อาร์เรย์ PV
• หน่วยเก็บและจัดการพลังงาน: แบตเตอรี่, ตัวควบคุมการชาร์จ (สำหรับการจัดการการชาร์จและปล่อยไฟ)
• หน่วยป้องกันและการแปลง: โหลดเปลี่ยนทาง (ป้องกันการชาร์จเกินแบตเตอรี่, ป้องกันอินเวอร์เตอร์), อินเวอร์เตอร์ (แปลงไฟ DC เป็น AC เพื่อตอบสนองความต้องการของโหลดส่วนใหญ่)
• หน่วยใช้ไฟฟ้า: โหลด

2.2 โมเดลการคำนวณการผลิตไฟฟ้าที่แม่นยำ

เพื่อให้ได้การออกแบบที่เหมาะสม เราได้สร้างโมเดลการคำนวณการผลิตไฟฟ้ารายชั่วโมงที่แม่นยำ

• โมเดลอาร์เรย์ PV:
1. การแปลงรังสีแสงอาทิตย์: ใช้โมเดลกระจายแสงท้องฟ้าแบบอนิสโตรปิคขั้นสูงเพื่อแปลงข้อมูลรังสีแสงอาทิตย์ในแนวนอนที่วัดได้จากสถานีสภาพอากาศไปเป็นรังสีที่ตกกระทบบนพื้นผิวที่เอียงของโมดูล PV คำนึงถึงรังสีลำแสงตรง, รังสีกระจายจากท้องฟ้า, และรังสีสะท้อนจากพื้นดินอย่างครบถ้วน
2. การจำลองลักษณะของโมดูล: ใช้โมเดลทางกายภาพที่แม่นยำเพื่อบ่งชี้ลักษณะการผลิตไฟฟ้าที่ไม่เชิงเส้นของโมดูล PV คำนึงถึงผลกระทบของรังสีและอุณหภูมิแวดล้อมต่อแรงดันและกระแสขาออกของโมดูล ทำให้การคำนวณการผลิตไฟฟ้ามีความแม่นยำ
• โมเดลกังหันลม:
1. การแก้ไขความเร็วลม: ทำการแก้ไขความเร็วลมที่ระดับความสูงอ้างอิงจากข้อมูลสภาพอากาศไปเป็นความเร็วลมที่ระดับความสูงของฮับตามกฎเลขชี้กำลังของการเปลี่ยนแปลงความเร็วลมตามความสูง
2. การปรับโค้งพลังงาน: ใช้ฟังก์ชันแบ่งส่วน (สมการทวินามต่างๆ สำหรับช่วงความเร็วลมต่างๆ) เพื่อทำให้โค้งพลังงานที่แท้จริงของกังหันลมมีความแม่นยำสูง ทำให้สามารถคำนวณพลังงานรายชั่วโมงได้อย่างแม่นยำตามข้อมูลความเร็วลม

2.3 โมเดลลักษณะพลวัตของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบหลักในการเก็บพลังงาน ซึ่งมีสถานะที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง โมเดลนี้มุ่งเน้นที่:

• การคำนวณ SOC (State of Charge): จำลองกระบวนการชาร์จและปล่อยไฟของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องตามความสัมพันธ์ระหว่างการผลิตไฟฟ้าและโหลดที่ใช้ไฟฟ้าในแต่ละช่วงเวลา คำนวณความจุที่เหลืออย่างแม่นยำ โดยคำนึงถึงปัจจัยที่ใช้จริง เช่น อัตราการปล่อยไฟฟ้าเอง, ประสิทธิภาพการชาร์จ, และประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์
• การจัดการการชาร์จ-ปล่อยไฟ: เพื่อขยายอายุการใช้งานแบตเตอรี่ กำหนดขอบเขตการดำเนินงาน SOC ที่เหมาะสม (เช่น จำกัดการปล่อยไฟฟ้าสูงสุดที่ 50%) และสร้างโมเดลที่เชื่อมโยงแรงดันชาร์จลอยกับ SOC และอุณหภูมิแวดล้อม เพื่อกำหนดเงื่อนไขการชาร์จอย่างแม่นยำ

III. วิธีการปรับปรุงและกำหนดขนาดของระบบ

3.1 ตัวชี้วัดความเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้า

การออกแบบมีเป้าหมายเพื่อตอบสนองความต้องการความเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้าที่ผู้ใช้ระบุ ตัวชี้วัดหลักประกอบด้วย:

• ความน่าจะเป็นของการขาดแคลนไฟฟ้า (LPSP): อัตราส่วนเวลาที่ระบบหยุดทำงานต่อเวลาประเมินทั้งหมด แสดงให้เห็นถึงความต่อเนื่องในการจ่ายไฟฟ้า
• ความน่าจะเป็นของการขาดแคลนโหลด (LLP): อัตราส่วนความต้องการโหลดที่ระบบไม่สามารถตอบสนองได้ต่อความต้องการทั้งหมด นี่เป็นตัวชี้วัดหลักที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบให้เหมาะสม

3.2 กระบวนการปรับปรุงและออกแบบทีละขั้นตอน

วิธีแก้ไขนี้ใช้กระบวนการปรับปรุงระบบอย่างเป็นระบบ มีเป้าหมายเพื่อลดต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นของอุปกรณ์เพื่อหาการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุด

1. ขั้นตอนที่ 1: ปรับปรุงการกำหนดค่าของ PV และแบตเตอรี่สำหรับความจุกังหันลมที่กำหนดไว้
• งานหลัก: ภายใต้เงื่อนไขที่โมเดลและจำนวนกังหันลมถูกกำหนดไว้แล้ว หาการรวมกันของความจุโมดูล PV และแบตเตอรี่ที่ตอบสนองตัวชี้วัดความเชื่อถือ (LPSP) และมีต้นทุนรวมของอุปกรณ์ต่ำที่สุด
• วิธีการดำเนินการ: ผ่านการคำนวณจำลอง วาด "เส้นโค้งสมดุล" ที่แสดงการรวมกันของ PV และแบตเตอรี่ทั้งหมดที่ตอบสนองตัวชี้วัดความเชื่อถือ จากนั้น ใช้วิธีการสัมผัสค่าต้นทุนหรือการคัดเลือกด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ตามราคาอุปกรณ์ต่อหน่วย เพื่อกำหนดการรวมกันที่มีค่าต้นทุนต่ำที่สุด
2. ขั้นตอนที่ 2: การปรับปรุงอย่างทั่วถึงโดยการเปลี่ยนความจุกังหันลม
• งานหลัก: เปลี่ยนความจุหรือจำนวนกังหันลม ทำซ้ำกระบวนการปรับปรุงในขั้นตอนที่ 1 และได้รับการกำหนดค่าที่เหมาะสมและต้นทุนที่สอดคล้องกับความจุกังหันลมที่แตกต่างกัน
• การตัดสินใจสุดท้าย: เปรียบเทียบต้นทุนรวมของทุกโซลูชันที่เป็นไปได้ และเลือกการรวมกันของลม-PV-แบตเตอรี่ที่มีต้นทุนรวมต่ำที่สุดเป็นการกำหนดค่าระบบที่เหมาะสมที่สุด

3.3 การจำลองประสิทธิภาพของระบบและการแสดงผล

หลังจากกำหนดค่าที่เหมาะสมแล้ว ระบบสามารถจำลองการทำงานรายชั่วโมงตลอดปี และสร้างรายงานรายละเอียด รวมถึง:

• มิติเวลา: SOC ของแบตเตอรี่รายชั่วโมง, สมดุลพลังงานของระบบ
• มิติสถิติ: พลังงานโหลดที่ไม่ได้รับรายวัน/รายเดือน/รายปี, ตัวชี้วัดความเชื่อถือ (LPSP, LLP), สัดส่วนการผลิตไฟฟ้าจากลมและแสงอาทิตย์, สถานการณ์เกินและขาดแคลนพลังงาน ฯลฯ

IV. สรุป

วิธีการปรับปรุงการออกแบบระบบผลิตไฟฟ้าผสมระหว่างลมและแสงอาทิตย์ที่เสนอในวิธีแก้ไขนี้ บนพื้นฐานของโมเดลคณิตศาสตร์ที่ครอบคลุมและข้อมูลสภาพอากาศท้องถิ่นที่แม่นยำ สามารถกำหนดการกำหนดค่าระบบที่มีต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นต่ำที่สุดได้อย่างเป็นเอกลักษณ์ในขณะที่ตอบสนองความต้องการไฟฟ้าเฉพาะของผู้ใช้และความเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้า วิธีนี้สามารถแก้ไขข้อเสียของระบบผลิตไฟฟ้าจากแหล่งเดียว แก้ไขข้อจำกัดของวิธีการออกแบบที่มีอยู่ และให้เครื่องมือที่ทรงพลังสำหรับการออกแบบระบบผลิตไฟฟ้าผสมระหว่างลมและแสงอาทิตย์อย่างมีวิทยาศาสตร์ ประสิทธิภาพ และประหยัด ซึ่งมีคุณค่าอย่างมากสำหรับการประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรม