Karmaşık Rüzgar-Güneş Enerji Sistemi Optimizasyonu: Ağ Dışı Uygulamalar için kapsamlı bir tasarım çözümü

1. Giriş ve Arka Plan

1.1 Tek Kaynaklı Güç Üretim Sistemlerinin Zorlukları

Geleneksel tek başına güneş (PV) veya rüzgar güç üretim sistemleri kendi içinde bazı dezavantajlara sahiptir. PV güç üretimi günlük döngüler ve hava koşullarına bağlı olarak etkilenir, rüzgar güç üretimi ise kararsız rüzgar kaynaklarına dayanır, bu da güç çıkışı üzerinde önemli dalgalanmalara neden olur. Sürekli bir güç sağlanması için, enerji depolama ve dengeleme amacıyla büyük kapasiteli pil bankaları gereklidir. Ancak, pil bankaları sık şarj-boşaltma döngülerine maruz kalınca, sert çalışma koşullarında uzun süre yarı şarjlı durumda kalabilir, bu da teorik değere göre çok daha kısa bir pratik ömür anlamına gelir. Daha önemlisi, pillerin yüksek maliyeti, toplam yaşam döngüsü maliyetinin PV modüllerinin veya rüzgar türbinlerinin kendisini aşması veya eşit olması anlamına gelebilir. Bu nedenle, pil ömrünü uzatmak ve sistem maliyetlerini azaltmak, tek başına güç sistemlerinin optimize edilmesinde temel zorluklar haline gelmiştir.

1.2 Hibrit Rüzgar-Güneş Güç Üretiminin Önemli Avantajları

Hibrit rüzgar-güneş güç üretim teknolojisi, iki yenilenebilir enerji kaynağı olan PV ve rüzgar gücünü organik bir şekilde birleştirerek, tek enerji kaynaklarının kesintili doğasını etkili bir şekilde aşmaktadır. Rüzgar ve güneş enerjisi, zaman açısından doğal bir tamamlılık gösterir (gündüz/gece, mevsimler): gündüz güçlü güneş ışığı genellikle geceleri potansiyel olarak daha güçlü rüzgarlarla birlikte gelir; yaz aylarındaki iyi güneş ışınımının kış aylarındaki bol rüzgar kaynaklarıyla birleşmesi mümkündür. Bu tamamlılık, aşağıdaki avantajları sağlar:

• Pillerin etkili şarj süresinin önemli ölçüde uzaması, dolayısıyla yarı şarjlı durumda geçirilen sürenin azalması, bu da pil ömrünü önemli ölçüde uzatır.
• Gerekli pil kapasitesinin azalması. Hem rüzgar hem de güneş aynı anda kullanılamaz olma olasılığı düşük olduğundan, sistem genellikle yükü doğrudan besleyebilir, bu da daha küçük kapasiteli bir pil bankası kullanılmasına imkan tanır.
• Yurtiçi ve uluslararası çalışmalar, hibrit rüzgar-güneş sistemlerinin, tek kaynaklı güç üretim sistemlerine kıyasla hem güç sağlama güvenilirliği hem de yaşam döngüsü maliyet etkinliği açısından üstün olduğunu doğrulamaktadır.

1.3 Mevcut Tasarım Yöntemlerinin Eksiklikleri ve Önerilen Çözüm

Mevcut sistem tasarımı zorluklarla karşı karşıyadır. Yabancı profesyonel simülasyon yazılımları pahalıdır ve çekirdek modelleri genellikle gizlidir, yaygın benimsenmesini engeller. Ayrıca, çoğu basitleştirilmiş tasarım yöntemi yetersizdir—ya meteorolojik ortalamalara aşırı bağımlı olurlar, detayları görmezden gelirler, ya da doğrusal basitleştirilmiş modeller kullanırlar, bu da sınırlı doğruluk ve uygulanabilirliğe neden olur.

Bu çözüm, yukarıdaki sorunları çözmek için doğru ve uygulanabilir bilgisayar destekli tasarım metodolojileri sunmayı amaçlamaktadır.

II. Sistem Bileşenleri ve Çekirdek Teknik Modeller

2.1 Sistem Mimarisi

Bu çözümda tasarlanan hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemi, dizel jeneratörler gibi yedek güç kaynakları olmadan tamamen tek başına çevrim dışı bir sistemdir. Çekirdek bileşenler şunlardır:

• Güç Üretim Birimi: Rüzgar türbin jeneratörleri, PV dizisi.
• Enerji Depolama ve Yönetim Birimi: Pil bankası, şarj kontrolcüsü (şarj ve boşaltmayı yönetmek için).
• Koruma ve Dönüşüm Birimi: Ayrılma yükü (pil aşırı şarjını önler, inverteri korur), inverter (DC'yi AC'ye dönüştürerek çoğunlukla yük gereksinimlerini karşılar).
• Güç Tüketim Birimi: Yük.

2.2 Doğru Güç Üretim Hesaplama Modelleri

Optimize edilmiş tasarım elde etmek için, saatlik güç üretim hesaplama modellerini oluşturduk.

• PV Dizisi Modeli:
1. Güneş Işınımın Değiştirilmesi: İleri seviye anizotropik gökyüzü saçılmalı modeli kullanarak, hava istasyonları tarafından ölçüm yapılan yatay güneş ışınım verilerini PV modüllerin eğik yüzeyine düşen ışınımına doğru bir şekilde çevirir, doğrudan ışınım, gökyüzü saçılmalı ışınım ve zemin yansımalı ışınımı kapsamlı olarak düşünerek.
2. Modül Özellik Simülasyonu: PV modüllerinin doğrusal olmayan çıkış özelliklerini karakterize etmek için hassas fiziksel bir model kullanır, ışınım ve çevresel sıcaklığın modül çıkış gerilimi ve akım üzerindeki etkilerini tam olarak dikkate alarak, güç üretim hesaplamalarının doğruluğunu sağlar.
• Rüzgar Türbini Modeli:
1. Rüzgar Hızı Düzeltmesi: Meteorolojik verilerden referans yüksekliğinden rüzgar hızını, yükseklikle değişen rüzgar hızını düzenleyen üstel yasaya dayanarak türbin merkez yüksekliğine doğru düzeltir.
2. Güç Eğrisi Uydurma: Kesilmiş fonksiyon (farklı rüzgar hızı aralıkları için farklı ikinci dereceden denklemler) kullanarak, türbinin gerçek güç çıkış eğrisine yüksek doğrulukta uydurma yaparak, rüzgar hızı verilerine dayalı saatlik enerji hesaplamasını mümkün kılar.

2.3 Pil Dinamik Özellik Modeli

Pil, dinamik olarak değişen durumlara sahip ana enerji depolama bileşenidir. Model, şunları öncelikle ele alır:

• Şarj Durumu (SOC) Hesaplaması: Her adımda güç üretim ve yük tüketimi arasındaki ilişkiye dayanarak pilin şarj ve boşaltma süreçlerini dinamik olarak simüle ederek, kalan kapasiteyi doğru bir şekilde hesaplar, ayrıca kendi kendine boşalma oranı, şarj etkinliği ve inverter etkinliği gibi pratik faktörleri dikkate alır.
• Şarj-Boşaltma Yönetimi: Pillerin ömrünü uzatmak için makul bir SOC çalışma aralığı tanımlanır (örneğin, maksimum boşaltma derinliğini %50 ile sınırlama) ve SOC ile çevresel sıcaklık arasındaki ilişkiye dayalı bir model oluşturulur, bu da şarj koşullarını doğru bir şekilde belirlemeyi sağlar.

III. Sistem Optimizasyonu ve Boyutlandırma Metodolojisi

3.1 Güç Sağlama Güvenilirliği Göstergeleri

Tasarım, kullanıcının belirlediği güç sağlama güvenilirliği gereksinimlerini karşılamayı öncelikli hale getirir. Ana göstergeler şunlardır:

• Güç Sağlama Olasılığının Kaybı (LPSP): Sistem açık kalma süresinin toplam değerlendirme süresine oranı, sağlama sürekliliğini somut bir şekilde yansıtır.
• Yük Gücü Talebi Olasılığının Kaybı (LLP): Sistem tarafından karşılanmayan yük güç talebinin toplam talebe oranı. Bu, sistem optimizasyon tasarımı için en kritik ana gösterge olmaktadır.

3.2 Adım Adım Optimizasyon Tasarım Süreci

Bu çözüm, sistem ekipmanlarının başlangıç yatırım maliyetini minimize etmeye yönelik sistematik bir optimizasyon süreci benimsemiştir.

1. Adım 1: Sabit Rüzgar Türbini Kapasitesi İçin PV ve Pil Konfigürasyonunu Optimize Etme
• Çekirdek Görev: Rüzgar türbini modeli ve miktarı sabit olduğu şartlarda, önceden belirlenen güvenilirlik göstergesi (LPSP) ve en düşük toplam ekipman maliyetini sağlayan PV modülü ve pil kapasitelerinin kombinasyonunu bulmak.
• Uygulama Yöntemi: Simülasyon hesaplamaları aracılığıyla, güvenilirlik gereksinimini karşılayan tüm PV ve pil konfigürasyonlarını temsil eden "dengeli eğri" çizilir. Daha sonra, ekipman birim fiyatlarına dayalı olarak maliyet teğet yöntemi veya bilgisayar programı filtreleme yoluyla, en düşük maliyetli benzersiz kombinasyon belirlenir.
2. Adım 2: Rüzgar Türbini Kapasitesini Değiştirerek Küresel Optimizasyon
• Çekirdek Görev: Rüzgar türbini kapasitesini veya sayısını değiştirerek, Adım 1'in optimizasyon sürecini tekrarlayın ve farklı rüzgar türbini kapasiteleri için bir dizi optimal konfigürasyon ve bunların karşılık gelen maliyetlerini elde edin.
• Son Karar: Tüm aday çözümlerin toplam maliyetlerini karşılaştırın ve küresel olarak en düşük maliyetli rüzgar-PV-pil kombinasyonunu nihai optimize edilmiş sistem konfigürasyonu olarak seçin.

3.3 Sistem Performans Simülasyonu ve Çıktı

En iyi konfigürasyon belirlendikten sonra, sistemin yıllık işlemi saatlik olarak simüle edilebilir, detaylı raporlar oluşturulabilir:

• Zaman Boyutu: Saatlik pil şarj durumu, sistem enerji dengesi.
• İstatistiksel Boyut: Günlük/aylık/yıllık karşılanmayan yük enerjisi, güvenilirlik göstergeleri (LPSP, LLP), rüzgar/güneş güç üretim payları, enerji fazlası ve eksiklik durumları vb.

IV. Sonuç

Bu çözümda önerilen hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin optimize edilmiş tasarım yöntemi, kapsamlı matematiksel modeller ve hassas yerel meteorolojik verilere dayanarak, kullanıcıya özgü elektrik taleplerini ve güç sağlama güvenilirliği gereksinimlerini karşılayan minimum başlangıç ekipman yatırım maliyetiyle benzersiz bir sistem konfigürasyonunu belirleyebilir. Bu yöntem, tek kaynaklı güç üretim sistemlerinin eksikliklerini etkili bir şekilde ele alır, mevcut tasarım yaklaşımlarının sınırlamalarını aşar ve hibrit rüzgar-güneş güç üretim sistemlerinin bilimsel, etkin ve ekonomik tasarımına güçlü bir araç sağlar, mühendislik uygulamaları için önemli bir değer taşır.