Älykäs tuuli-aurinkohybridijärjestelmä fuzzy-PID-ohjauksella parannettuun akkujen hallintaan ja MPP-hakuun

Yhteenveto

Tämä ehdotus esittelee tuulivoima- ja aurinkoenergian yhdistelmäjärjestelmän, joka perustuu edistyneeseen ohjausteknologiaan ja jonka tavoitteena on tehokas ja taloudellisesti kannattava vastaus kaukana sijaitsevien alueiden ja erityisten sovellustilanteiden sähkötarpeisiin. Järjestelmän ydin on älykäs ohjausjärjestelmä, joka perustuu ATmega16-mikroprosessoriin. Tämä järjestelmä suorittaa Maksimivalon pisteen seuranta (MPPT) sekä tuulivoiman että aurinkoenergian osalta ja käyttää optimoitua algoritmia, joka yhdistää PID- ja sumuohjausmenetelmät akun täsmälliseen ja tehokkaaseen lataus/puraushallintaan. Tämä parantaa huomattavasti kokonaissähköntuotannon tehokkuutta, pidentää akun käyttöikää ja varmistaa sähköntarjonnan luotettavuuden ja taloudellisen kannattavuuden.

I. Projektin tausta ja merkitys

1. Energiateksti: Ympäri maailmaa perinteiset fossiiliset polttoaineet ovat yhä enemmän loppumassa, mikä asettaa vakavia haasteita energiaturvallisuudelle ja kestävälle kehitykselle. Uusiutuvien, puhtaiden energialähteiden kuten tuulivoiman ja aurinkoenergian vilkas kehittäminen ja hyödyntäminen on tullut strategiseksi painopisteeksi nykyisten energiavaltaisten ja ympäristöongelmien ratkaisemiseksi.
2. Järjestelmän arvo: Tuuli-aurinkojärjestelmä hyödyntää täysin tuulivoiman ja aurinkoenergian luonnollisia aikalisässä ja geografisesti komplementaarisia ominaisuuksia (esimerkiksi vahva auringonsäteily päivisin, mahdollisesti vahvat tuulet yöisin), ylittäen yksipohjaisen sähköntuotannon epäjatkuvuuden. Se on rakenteellisesti järkevä, alhaisilla toimintakustannuksilla toimiva itsenäinen sähköntarjonta, joka ratkaisee tehokkaasti sähköntarpeet, kuten asuinalueet, viestintäyksiköt ja sääseurantayksiköt, sähköntuotannosta riippuvaisissa tai heikosti sähköistettyjen kaukana sijaitsevissa alueissa.
3. Ytimen osien merkitys: Akku, joka toimii järjestelmän energiavarastona, on olennainen osa sähköntarjonnan jatkuvan varmistamista ilman tuulta tai auringonvaloa. Sen hinta muodostaa huomattavan osan koko sähköntuotantojärjestelmästä. Siksi akun lataustehon parantaminen ja sen lataus/purausstrategioiden optimointi akun käyttöajan pidentämiseksi ovat olennaisia koko järjestelmän elinkaarihin liittyvien kustannusten vähentämiseksi ja toiminnan luotettavuuden parantamiseksi.

II. Kokonaisjärjestelmän suunnittelu

1. Järjestelmän ytimen tavoitteet:
• Energian noutamisen optimointi: Suorita optimaalinen hallinta tuuliturbini- ja aurinkopaneelien tuottaman sähkön maksimitehokkuuden saavuttamiseksi, toteuttaen Maksimivalon pisteen seurannan (MPPT) luonnonvarojen täydelliseksi hyödyntämiseksi.
• Energivarastojärjestelmän hallinta: Älykäs hallinta akun lataus- ja purausprosessia, estää ylikuormitus ja -purku, suojelee tehokkaasti akkua ja parantaa huomattavasti sen lataustehoa ja käyttöikää.
2. Järjestelmän laitteistokarkasu:

Järjestelmä koostuu kolmesta pääfunktiomoduulista, jotka koordinoidaan keskusohjaus-CPU:n avulla muodostaen täydellisen älykäsen ohjausjärjestelmän.

III. Ydinohjausteknologia: Älykäs akkujen hallinta

1. Akkujen valinta ja perusteet:
• Tyyppi: Tämä ratkaisu valitsee ylläpitovapaita plommonkyttelyakkuja, jotka ovat teknologisesti kypsä ja alhaisilla kustannuksilla, sopivat pienimuotoisiin tuuli-aurinkojärjestelmiin.
• Toimintaperiaate: Akun lataus ja purku on periaatteessa prosessi, jossa sähköenergia muunnetaan kemialliseksi energiaaksi ja päinvastoin. Kuitenkin elektrodien polarisaation kaltaisten ilmiöiden vuoksi energiamuunnoksen tehokkuus ei voi saavuttaa 100%:n.
2. Ohjaushaasteet ja optimointistrategia:
• Perinteisten ohjausmenetelmien haitat: Perinteiset PID-ohjausmenetelmät nojaavat vahvasti ohjattavan objektin (akun) tarkkaan matemaattiseen malliin. Akku on epälineaarinen, aikavaihteleva järjestelmä, jonka parametrit (sisäinen vastus, elektrolyyttiheys jne.) muuttuvat dynaamisesti ympäristön lämpötilan ja käyttötilan mukaisesti, mikä tekee tarkan mallin luomisesta vaikeaa. Tämä johtaa haasteisiin perinteisten PID-parametrien säätämisessä, heikkoon sopeutuvuuteen ja huonoon ohjaustehokkuuteen.
• Käytetty edistynyt ohjausmenetelmä: Tämä ratkaisu käyttää Fuzzy-PID-yhdistelmäohjausstrategiaa, joka yhdistää molempien etuja:
• Fuzzy-ohjauksen etu: Ei vaadi ohjattavan objektin tarkkaa matemaattista mallia, voi käsitellä epätarkkoja syöttötietoja, osoittaa vahvaa sopeutumiskykyä akun parametrien muutoksille ja voi sisällyttää asiantuntijaosaamista.
• PID-ohjauksen etu: Voisi saavuttaa korkean tarkkuuden, nollan vakiovirheen ohjaus, kun järjestelmän poikkeama on pieni.
• Ohjaimeen työprosessi: Järjestelmä seuraa jatkuvasti akun asetettuun jännitteeseen ja sen todelliseen jännitteeseen liittyvää eroa e(t). Kun poikkeama e(t) on suuri, fuzzy-ohjaus dominoi nopeaksi vastauksena. Kun e(t) laskee tietylle rajalle, siirtyy sileästi PID-ohjaus tarkennukseen. Lopuksi ulostuloviesti u(t) säädellään ohjaamaan MOSFET:n duty cyclea, saavuttaen latausvirtauksen dynaamisen optimoinnin.

IV. Ratkaisun yhteenveto ja näkymät

• Ohjaustehokkuus: Tässä ratkaisussa suunniteltu tuuli-aurinkojärjestelmän ohjausjärjestelmä onnistuu optimoimaan akun lataus/puraushallinnan yhdistelemällä älykkäästä Fuzzy-PID-ohjausalgoritmiä. Tämä ei ainoastaan suojaa tehokkaasti akkua ja pidentää sen käyttöikää, mutta myös parantaa tuulivoiman ja aurinkoenergian noutotehokkuutta MPPT:n avulla, mikä parantaa koko sähköntuotantojärjestelmän yleistä tehokkuutta.
• Kokeellinen vahvistus: Kokeelliset tulokset osoittavat, että ohjaaja on oikein ja mahdollisesti suunniteltu, toimii turvallisesti ja luotettavasti, ja osoittaa hyvää dynaamista vastevaikutusta ja vakiovirheen tarkkuutta.
• Sovellusnäkymät: Tämä integroitu tuuli-aurinkojärjestelmä, jossa on älykäs akkujen hallintateknologia, on erityisesti soveltuva tilanteisiin, kuten verkon ulkopuolella oleville kaukana sijaitseville alueille, saarille, niityille ja viestintäyksiköille. Se tarjoaa merkittäviä taloudellisia ja sosiaalisia etuja ja on laajat sovellusnäkymät.