Ένα Προηγμένο Σύστημα Υβριδικής Αιολικής-Ηλιακής Ενέργειας με Έλεγχο Fuzzy-PID για Βελτιωμένη Διαχείριση Μπαταριών και MPPT

Περίληψη

Αυτή η πρόταση παρουσιάζει ένα σύστημα γενικής ενέργειας από άνεμο-ήλιο με βάση προηγμένη τεχνολογία ελέγχου, με στόχο να αντιμετωπίσει αποτελεσματικά και οικονομικά τις ανάγκες ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές και ειδικές εφαρμογές. Το κύριο σημείο του συστήματος είναι ένα σύστημα έξυπνου ελέγχου που βασίζεται σε έναν μικροεπεξεργαστή ATmega16. Αυτό το σύστημα εκτελεί Εύρεση Σημείου Μέγιστης Ισχύος (MPPT) για και την ενέργεια του ανέμου και την ηλιακή ενέργεια και χρησιμοποιεί έναν βελτιστοποιημένο αλγόριθμο που συνδυάζει PID και έλλογο έλεγχο για ακριβή και αποτελεσματική διαχείριση φόρτισης/ξεφόρτισης του κεντρικού συστατικού – της μπαταρίας. Έτσι, αυξάνει σημαντικά την συνολική απόδοση παραγωγής ενέργειας, επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και εξασφαλίζει την αξιοπιστία και οικονομικότητα της παροχής ενέργειας.

I. Φόντο Προγράμματος και Σημασία

1. Ενεργειακό Φόντο: Παγκοσμίως, οι παραδοσιακές ορυκτές καυσίμα είναι όλο και πιο εξαντλούμενες, παραθέτοντας σοβαρές προκλήσεις στην ενεργειακή ασφάλεια και την αειφόρο ανάπτυξη. Η ενεργός ανάπτυξη και χρήση καθαρών, ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια, έχει γίνει στρατηγική προτεραιότητα για τη λύση των τρέχουσας ενεργειακής και περιβαλλοντικής προβλήματα.
2. Αξία του Συστήματος: Το σύστημα αιολικής-ηλιακής ενέργειας εκμεταλλεύεται πλήρως τις φυσικές συμπληρωματικές χαρακτηριστικές της αιολικής και ηλιακής ενέργειας σε όρους χρόνου και γεωγραφίας (π.χ., ισχυρή ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας, δυνατότεροι άνεμοι τη νύχτα), ξεπερνώντας την διακοπή της μονοπηγής παραγωγής ενέργειας. Είναι μια δομικά λογική, χαμηλού κόστους λειτουργίας λύση ανεξάρτητης παροχής ενέργειας, που επιλύει αποτελεσματικά τα προβλήματα ενεργειακής παροχής για εγκαταστάσεις όπως κατοικίες, βάσεις επικοινωνίας και σταθμοί μετεωρολογικής παρατήρησης σε ανεξερεύνητες ή αδύναμα εξοπλισμένες απομακρυσμένες περιοχές.
3. Σημασία των Κεντρικών Συστατικών: Η μπαταρία, ως ενιαία αποθήκευση ενέργειας του συστήματος, είναι κρίσιμη για την εγγύηση συνεχούς παροχής ενέργειας στο φορτίο κατά τη διάρκεια περιόδων χωρίς άνεμο ή ήλιο. Το κόστος της αποτελεί σημαντικό μέρος του συνολικού συστήματος παραγωγής ενέργειας. Συνεπώς, η βελτίωση της αποδοτικότητας φόρτισης της μπαταρίας και η βελτιστοποίηση των στρατηγικών φόρτισης/ξεφόρτισης για την επέκταση της διάρκειας ζωής της είναι κρίσιμες για τη μείωση του κόστους κύκλου ζωής του συστήματος και την ενίσχυση της λειτουργικής αξιοπιστίας.

II. Συνολική Σχεδίαση του Συστήματος

1. Κύριοι Στόχοι του Συστήματος:
• Βελτιστοποίηση Αποθήκευσης Ενέργειας: Εκτελεί βελτιστοποιημένον έλεγχο για μέγιστη αποδοτικότητα στην ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τον αιολικό γεννήτρια και τα φωτοβολταϊκά πάνελ, επιτυγχάνοντας Εύρεση Σημείου Μέγιστης Ισχύος (MPPT) για την πλήρη εκμετάλλευση των φυσικών πόρων.
• Διαχείριση Συστήματος Αποθήκευσης Ενέργειας: Εξυπνά διαχειρίζεται τη διαδικασία φόρτισης και ξεφόρτισης της μπαταρίας, αποτρέποντας την υπερφόρτιση και την υπερξεφόρτιση, προστατεύοντας αποτελεσματικά τη μπαταρία και βελτιώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα φόρτισης και τη διάρκεια ζωής της.
2. Σκελετική Δομή Σκευής του Συστήματος:

Το σύστημα αποτελείται από τρία κύρια λειτουργικά μόντουλ, συντονισμένα από έναν κεντρικό ελεγκτή CPU για τη δημιουργία ενός συνολικού εξυπνού συστήματος ελέγχου.

III. Κύρια Τεχνολογία Ελέγχου: Εξυπνή Διαχείριση Μπαταρίας

1. Επιλογή και Βασικά Στοιχεία Μπαταρίας:
• Τύπος: Αυτή η λύση επιλέγει μηχανικά ανεξάρτητες μολυβδοξηλιδικές μπαταρίες, οι οποίες είναι τεχνολογικά ώριμες και φθηνές, κατάλληλες για μικρά συστήματα αιολικής-ηλιακής ενέργειας.
• Μέθοδος Λειτουργίας: Η φόρτιση και η ξεφόρτιση της μπαταρίας είναι βασικά διαδικασίες μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια και αντίστροφα. Ωστόσο, λόγω φαινομένων όπως η πολικοποίηση των ηλεκτρόδων, η αποδοτικότητα μετατροπής ενέργειας δεν μπορεί να φτάσει στο 100%.
2. Προκλήσεις Ελέγχου και Στρατηγική Βελτιστοποίησης:
• Αδυναμίες του Κλασικού Ελέγχου: Οι κλασικές μεθόδοι ελέγχου PID εξαρτώνται βαρύνουσα από ένα ακριβές μαθηματικό μοντέλο του ελεγχόμενου αντικειμένου (της μπαταρίας). Η μπαταρία είναι ένα μη γραμμικό, χρονικά μεταβαλλόμενο σύστημα, τα παράμετρα του οποίου (εσωτερική αντίσταση, πυκνότητα ηλεκτρολύτη, κλπ.) μεταβάλλονται δυναμικά με την περιβαλλοντική θερμοκρασία και την κατάσταση χρήσης, κάνοντας δύσκολη την κατασκευή ενός ακριβού μοντέλου. Αυτό οδηγεί σε προκλήσεις στον προσαρμογή των παραμέτρων PID, χαμηλή προσαρμοστικότητα και χαμηλή απόδοση ελέγχου.
• Χρησιμοποιημένη Προηγμένη Μέθοδος Ελέγχου: Αυτή η λύση χρησιμοποιεί μια συνδυασμένη στρατηγική Fuzzy-PID, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα των δύο:
• Πλεονέκτημα του Fuzzy Control: Δεν απαιτεί ακριβές μαθηματικό μοντέλο του ελεγχόμενου αντικειμένου, μπορεί να χειρίζεται ακριβή εισαγωγική πληροφορία, δείχνει μεγάλη προσαρμοστικότητα σε αλλαγές των παραμέτρων της μπαταρίας και μπορεί να ενσωματώσει εμπειρική γνώση.
• Πλεονέκτημα του PID Control: Μπορεί να επιτευχθεί υψηλή ακρίβεια, μηδενικό σταθερό σφάλμα ελέγχου όταν η απόκλιση του συστήματος είναι μικρή.
• Ρουτίνα Εργασίας του Ελεγκτή: Το σύστημα συνεχίζει να επιτηρεί τη διαφορά e(t) μεταξύ της προκαθορισμένης τάσης της μπαταρίας και της πραγματικής τάσης. Όταν η απόκλιση e(t) είναι μεγάλη, ο fuzzy control κυριαρχεί για ταχεία απόκριση. Όταν η e(t) μειώνεται μέσα σε ένα συγκεκριμένο πεδίο, μετατρέπεται ομαλά σε PID control για λεπτομερή προσαρμογή. Τελικά, το εξόδιο σήμα u(t) προσαρμόζεται για τον έλεγχο της ποσοστιαίας τιμής του MOSFET, επιτυγχάνοντας δυναμική βελτιστοποίηση της ροής φόρτισης.

IV. Σύνοψη Λύσης και Προοπτικές

• Αποτελεσματικότητα Ελέγχου: Το σύστημα ελέγχου παραγωγής ενέργειας από αιολική-ηλιακή ενέργεια που σχεδιάστηκε σε αυτή τη λύση επιτυγχάνει επιτυχώς βελτιστοποιημένη διαχείριση φόρτισης/ξεφόρτισης της μπαταρίας μέσω της συμπληρωματικής εξυπνής στρατηγικής Fuzzy-PID. Αυτό μη μόνο προστατεύει αποτελεσματικά τη μπαταρία και επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της, αλλά επίσης ενισχύει την αποδοτικότητα απόθεσης ενέργειας από τον αέρα και τον ήλιο μέσω της MPPT, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του συστήματος παραγωγής ενέργειας.
• Πειραματική Επαλήθευση: Οι πειραματικοί αποτελέσματες δείχνουν ότι ο ελεγκτής σχεδιάστηκε σωστά και είναι εφικτός, λειτουργεί με ασφάλεια και αξιοπιστία, και παρουσιάζει καλή δυναμική απόκριση και σταθερή ακρίβεια.
• Προοπτικές Εφαρμογής: Αυτή η ολοκληρωμένη λύση παραγωγής ενέργειας από αιολική-ηλιακή ενέργεια με τεχνολογία εξυπνής διαχείρισης μπαταρίας είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σενάρια όπως απομακρυσμένες περιοχές χωρίς κάλυψη δικτύου, νησιά, ποιμαντικές περιοχές και βάσεις επικοινωνίας. Προσφέρει σημαντικά οικονομικά και κοινωνικά οφέλη και έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής.