Un Sistema Ibrido Intelligente Eolico-Fotovoltaico con Controllo Fuzzy-PID per una Gestione Avanzata delle Batterie e MPPT

Riassunto

Questa proposta presenta un sistema di generazione elettrica ibrido vento-solare basato su tecnologie di controllo avanzate, mirando a rispondere in modo efficiente ed economico alle esigenze energetiche di aree remote e scenari di applicazione speciali. Il cuore del sistema risiede in un sistema di controllo intelligente centrato su un microprocessore ATmega16. Questo sistema esegue il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) sia per l'energia eolica che solare e impiega un algoritmo ottimizzato che combina PID e controllo fuzzy per una gestione precisa ed efficiente della carica/scarica della componente chiave, la batteria. Di conseguenza, migliora significativamente l'efficienza complessiva della generazione di energia, estende la durata della batteria e garantisce affidabilità e costi contenuti nella fornitura di energia.

I. Contesto del progetto e rilevanza

1. Contesto energetico: A livello globale, i combustibili fossili tradizionali si stanno esaurendo sempre più, ponendo gravi sfide alla sicurezza energetica e allo sviluppo sostenibile. Lo sviluppo e l'utilizzo vigoroso di nuove fonti di energia pulite e rinnovabili come l'energia eolica e solare sono diventati una priorità strategica per risolvere le attuali questioni energetiche e ambientali.
2. Valore del sistema: Il sistema ibrido vento-solare sfrutta appieno le caratteristiche naturali complementari dell'energia eolica e solare in termini di orario e geografia (ad esempio, forte luce solare durante il giorno, potenzialmente venti più forti di notte), superando l'intermittenza della generazione di energia da singola fonte. È una soluzione di fornitura di energia indipendente strutturalmente razionale e a bassi costi operativi, che risolve efficacemente i problemi di fornitura di energia per strutture come abitazioni, stazioni di comunicazione e stazioni di monitoraggio meteorologico in aree remote non elettrificate o debolmente elettrificate.
3. Importanza dei componenti chiave: La batteria, funzionando come unità di accumulo di energia del sistema, è cruciale per garantire una fornitura continua di energia al carico durante periodi senza vento o luce solare. Il suo costo rappresenta una parte significativa dell'intero sistema di generazione di energia. Pertanto, migliorare l'efficienza della carica della batteria e ottimizzare le strategie di carica/scarica per prolungarne la vita utile sono fondamentali per ridurre i costi di ciclo di vita del sistema e migliorare l'affidabilità operativa.

II. Progettazione complessiva del sistema

1. Obiettivi principali del sistema:
• Ottimizzazione della cattura di energia: Eseguire un controllo ottimale per massimizzare l'efficienza dell'elettricità generata dal turbine eolica e dai pannelli fotovoltaici, raggiungendo il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) per sfruttare appieno le risorse naturali.
• Gestione del sistema di accumulo di energia: Gestire intelligentemente il processo di carica e scarica della batteria, prevenendo sovralimentazione e sovrascarica, proteggendo efficacemente la batteria e migliorando significativamente l'efficienza di carica e la vita utile.
2. Architettura hardware del sistema:

Il sistema è composto da tre moduli funzionali principali, coordinati da un CPU centrale di controllo per formare un sistema di controllo intelligente completo.

III. Tecnologia di controllo centrale: gestione intelligente della batteria

1. Selezione e nozioni di base della batteria:
• Tipo: Questa soluzione seleziona batterie piombo-acido a manutenzione zero, tecnicamente mature e a basso costo, adatte a sistemi ibridi vento-solare su piccola scala.
• Principio di funzionamento: La carica e la scarica della batteria sono essenzialmente processi di conversione dell'energia elettrica in chimica e viceversa. Tuttavia, a causa di fenomeni come la polarizzazione degli elettrodi, l'efficienza di conversione dell'energia non può raggiungere il 100%.
2. Sfide di controllo e strategia di ottimizzazione:
• Limiti del controllo tradizionale: I metodi di controllo PID classici si basano pesantemente su un modello matematico accurato dell'oggetto controllato (la batteria). La batteria è un sistema non lineare e variabile nel tempo, i cui parametri (resistenza interna, densità elettrolitica, ecc.) cambiano dinamicamente con la temperatura ambientale e lo stato di utilizzo, rendendo difficile stabilire un modello preciso. Ciò porta a difficoltà nella taratura dei parametri PID tradizionali, scarsa adattabilità e prestazioni di controllo subottimali.
• Metodo di controllo avanzato adottato: Questa soluzione impiega una strategia di controllo composito Fuzzy-PID, combinando i vantaggi di entrambi:
• Vantaggio del controllo fuzzy: Non richiede un modello matematico esatto dell'oggetto controllato, può gestire informazioni d'ingresso imprecise, mostra una forte adattabilità ai cambiamenti nei parametri della batteria e può incorporare conoscenze esperte.
• Vantaggio del controllo PID: Può raggiungere un controllo ad alta precisione e senza errore statico quando la deviazione del sistema è piccola.
• Flusso di lavoro del controller: Il sistema monitora continuamente la differenza e(t) tra la tensione impostata della batteria e la tensione effettiva. Quando la deviazione e(t) è grande, il controllo fuzzy prevale per una risposta rapida. Quando e(t) diminuisce all'interno di un certo intervallo, passa in modo fluido al controllo PID per un aggiustamento fine. Infine, il segnale di uscita u(t) viene regolato per controllare il ciclo di lavoro del MOSFET, ottenendo un'ottimizzazione dinamica della corrente di carica.

IV. Riepilogo della soluzione e prospettive

• Efficacia del controllo: Il sistema di controllo di generazione elettrica ibrido vento-solare progettato in questa soluzione riesce a gestire ottimamente la carica/scarica della batteria attraverso l'algoritmo di controllo intelligente Fuzzy-PID complementare. Ciò non solo protegge efficacemente la batteria e ne estende la vita utile, ma migliora anche l'efficienza di cattura dell'energia eolica e solare tramite MPPT, migliorando così l'efficienza complessiva del sistema di generazione di energia.
• Verifica sperimentale: I risultati sperimentali dimostrano che il controller è progettato correttamente e in modo fattibile, opera in modo sicuro e affidabile e presenta buone prestazioni di risposta dinamica e accuratezza nello stato stazionario.
• Prospettive di applicazione: Questa soluzione integrata di generazione elettrica ibrido vento-solare con tecnologia di gestione intelligente della batteria è particolarmente adatta a scenari come aree remote senza copertura di rete, isole, pascoli e stazioni di comunicazione. Offre benefici economici e sociali significativi e ha ampie prospettive di applicazione.