سیستم‌های ترکیبی بادی-خورشیدی: نحوهٔ عملکرد و زمان سرمایه‌گذاری

چرا باد و خورشید را با هم ترکیب کنیم

ا سیستم انرژی ترکیبی بادی-خورشیدی زیرا این دو منبع مکمل یکدیگرند، نه رقیب.

• خورشیدی در ظهر به اوج می‌رسد، از نظر فصلی بسیار قابل پیش‌بینی است و در شب هیچ تولیدی ندارد.

• پیچش اغلب در عصر، شب و زمستان قوی‌ترین است — دقیقاً زمانی که تولید خورشیدی ضعیف‌ترین است.

در مکان مناسب، این دو به اندازه‌ای همپوشانی دارند که منحنی تولید روزانه و فصلی را صاف می‌کنند؛ این امر حجم باتری لازم برای پوشش شکاف‌ها را کاهش می‌دهد. این کاهش در ظرفیت ذخیره‌سازی جایی است که بیشترین مزیت اقتصادی این روش قرار دارد.

مکمل‌بودن واقعی است — اما وابسته به مکان است

اثر مکمل‌بودن یکنواخت نیست. این اثر به الگوهای محلی باد بستگی دارد:

نتیجه‌گیری صادقانه: سیستم ترکیبی بادی-خورشیدی برای اندکی از محل‌ها مناسب است و برای اکثر محل‌ها مناسب نیست. پیش از تعهد، ارزیابی منابع بادی را انجام دهید — حداقل با دوازده ماه داده و ترجیحاً با سوابق بلندمدت مدل‌سازی‌شده. یکی از شایع‌ترین خطاهای رایج، خرید توربین بر اساس یک ماه بادی غیرمعمول است.

پیکربندی سیستم

ا سیستم تولید ترکیبی انرژی بادی و خورشیدی برای فروش معمولاً شامل:

اجزای حیاتی، کنترل‌کننده ترکیبی است. این کنترل‌کننده باید دو منبع با ویژگی‌های خروجی بسیار متفاوت را مدیریت کند: جریان مستقیم نسبتاً پایدار فتوولتائیک و جریان متناوب متغیر توربین که پس از بازتبدیل به جریان مستقیم، همچنان نامنظم است. کنترل‌کننده‌های ارزان‌قیمت معمولاً یکی از این منابع را خوب مدیریت می‌کنند اما دیگری را ضعیف مدیریت می‌کنند؛ این دقیقاً دلیلی است که سیستم‌های ترکیبی بدون آنکه کسی متوجه شود، عملکرد پایینی دارند.

منطق کنترل

سیستمی که به‌درستی طراحی شده باشد، اولویت‌ها را به این ترتیب تعیین می‌کند:

• تامین بار مستقیماً از هر منبعی که در حال تولید است.

• شارژ باتری با اضافه‌بردن تولید اضافی.

• کاهش یا تخلیه مقدار اضافی پس از پر شدن باتری.

توربین عاملی پیچیده‌تر ایجاد می‌کند: در بادهای شدید، بدون وجود سیستم محافظت مکانیکی نمی‌توان آن را به سادگی خاموش کرد. بنابراین توربین‌ها نیازمند یکی از این سه گزینه هستند: مکانیزم جمع‌شونده (فُرلینگ)، ترمز الکتریکی، یا بار تخلیه‌ای که بر اساس حداکثر توان خروجی توربین طراحی شده باشد. این امر یک ضرورت مهندسی است، نه یک امکان فرعی — و حذف آن رایج‌ترین دلیل خرابی توربین‌هاست.

تعیین اندازه‌ی سیستم ترکیبی بادی-خورشیدی

روشی قابل تکرار:

• تقاضای روزانه — همان‌طور که برای هر سیستم خارج از شبکه، بر حسب کیلووات‌ساعت در روز.

• سهم انرژی خورشیدی — توان آرایه (کیلووات) × ساعات آفتاب اوج × ۰٫۷۵.

• سهم انرژی بادی — توان اسمی توربین × ضریب ظرفیت. باید محتاط بود: توربین‌های مقیاس مسکونی معمولاً به ضریب ظرفیت ۱۰ تا ۲۰ درصد می‌رسند، نه ضریب ۴۰ درصد یا بیشتر که برای توربین‌های صنعتی و بزرگ رایج است.

• تعادل با تقاضا سپس باتری را بر اساس خودکفایی تنظیم کنید.

• یک منبع پشتیبان اضافه کنید — بیشتر سایت‌های دورافتاده ترکیبی (هیبریدی) از یک ژنراتور کوچک برای هفته‌ای آرام و ابری که هر سایتی در نهایت با آن مواجه می‌شود، استفاده می‌کنند.

یک بررسی معقولی برای اطمینان: اگر سهم انرژی بادی کمتر از حدود ۲۰ درصد از کل انرژی باشد، هزینه و نگهداری توربین بادی معمولاً توجیه‌پذیر نیست. صرف همان مبلغ بر روی فتوولتائیک (PV) و ذخیره‌سازی بیشتر، معمولاً سرمایه‌گذاری بهتری است.

جایی که استفاده از آن منطقی است

• سایت‌های دورافتاده بدون اتصال به شبکه — ایستگاه‌های مخابراتی، مزارع، اقامتگاه‌های جزیره‌ای، ایستگاه‌های نظارت دورافتاده، جایی که منطقه‌ای تأمین سوخت هزینه اصلی است

• خانه‌های ساحلی و کوهستانی بدون اتصال به شبکه

• مکان‌هایی با نامتعادلی شدید بین فصل زمستان و تابستان — جایی که تنها انرژی خورشیدی برای پوشش نیازهای زمستانی، نیازمند باتری بسیار بزرگی است

• ریزشبکه‌های ترکیبی خدمت‌رسانی به جوامع کوچک

جایی که معمولاً منطقی نیست: پشت‌بام‌های حومه‌ای، مکان‌هایی با اتصال قابل اعتماد به شبکه، و مکان‌هایی بدون منبع بادی اندازه‌گیری‌شده.

هزینه‌ها

توربین بخش گران‌قیمت سیستم و عامل اصلی نگهداری است. به‌همین دلیل تصمیم‌گیری باید بر اساس منابع بادی موجود و نه جذابیت فناوری انجام شود.

طراحی باتری برای سایت ترکیبی

باتری در یک سیستم ترکیبی کار بیشتری نسبت به سیستم خورشیدی محض انجام می‌دهد و تعیین ظرفیت آن نیازمند دقت و توجه ویژه است.

با طولانی‌ترین دورهٔ پیش‌بینی‌شدهٔ کمبود انرژی شروع کنید. در یک سایت ترکیبی، باتری باید شکاف بین تولید و مصرف را در بدترین ترکیب از باد ضعیف و آفتاب کم پوشش دهد. این دوره اغلب دو تا چهار روز است — نه صرفاً یک شب؛ به‌همین دلیل باتری‌های خارج از شبکهٔ ترکیبی نسبت به باتری‌های صرفاً خورشیدی از نظر ظرفیت بزرگ‌تر هستند.

سپس تغییرپذیری توربین را در نظر بگیرید. خروجی توربین از دقیقه‌ای به دقیقه دیگر نوسان می‌کند. باتری‌ای که بسیار کوچک باشد، دوره‌های شارژ و دشارژ کوتاه و مکرری را تجربه می‌کند؛ این حالت آسیب‌زا کمتر از دوره‌های عمیق است، اما باز هم عمر باتری را کوتاه می‌کند. یک قاعدهٔ کلی این است که ظرفیت باتری حداقل برابر با چهار ساعت مصرف متوسط بار باشد تا به عنوان ذخیره‌سازی عمل کند.

سپس نوع ژنراتور را تعیین کنید. در اکثر سایت‌های ترکیبی، یک ژنراتور پشتیبان کوچک نگهداری می‌شود. اگر چنین ژنراتوری وجود داشته باشد، باتری را می‌توان برای دو روز (نه چهار روز) طراحی کرد، زیرا ژنراتور بخش پایینی نیازها (حالت‌های نادر و شدید) را پوشش می‌دهد. در غیر این صورت، باتری باید تنها و بدون کمک، بدترین حالت ممکن را تحمل کند.

در نهایت، پذیرش شارژ باتری را تأیید کنید. بانک‌های LiFePO4 شارژ را به سرعت می‌پذیرند که این ویژگی با خروجی متغیر توربین سازگان بهتری دارد تا باتری‌های سرب-اسیدی که پذیرش شارژشان بالای ۸۰٪ ظرفیت اسمی به‌سرعت کاهش می‌یابد. در یک سایت ترکیبی، این تفاوت تنها می‌تواند افزایش قیمت باتری‌های LFP را توجیه کند.

سوالات متداول

پرسش: آیا سیستم ترکیبی بادی-خورشیدی از سیستم خورشیدی به‌همراه باتری‌های بیشتر بهتر است؟ فقط در جایی که منبع باد واقعاً قوی باشد و با انرژی خورشیدی تکمیل شود. در غیر این صورت، افزودن پنل‌های فتوولتائیک (PV) و سیستم ذخیره‌سازی معمولاً ارزان‌تر و نگهداری بسیار کم‌تری دارد.

پرسش: چقدر باد برای من لازم است؟ سرعت متوسط باد در محل نصب باید حداقل تقریباً ۵ متر بر ثانیه در ارتفاع محور توربین باشد و این تخمین باید بر اساس داده‌های اندازه‌گیری شده باشد. زیر این مقدار، توربین به ندرت هزینه‌اش را بازپس می‌دهد.

پرسش: آیا می‌توانم توربین بادی را به یک سیستم خورشیدی موجود اضافه کنم؟ اغلب بله، مشروط بر اینکه اینورتر یا کنترلر قابلیت پذیرش ورودی دوم را داشته باشد. بسیاری از اینورترهای ترکیبی این قابلیت را دارند؛ در غیر این صورت، یک کنترلر جداگانه برای توربین و یک بار تخلیه (dump load) اضافه می‌شود.

پرسش: یک توربین کوچک چقدر نگهداری نیاز دارد؟ حداقل یک بازرسی سالانه با بررسی یاتاقان‌ها و پره‌ها ضروری است. توربین‌ها نسبت به هر بخش دیگر سیستم، توجه بیشتری می‌طلبد.

پرسش: آیا توربین‌ها در مناطق شهری کار می‌کنند؟ خیر، عملکرد ضعیفی دارند. ساختمان‌ها جریان باد را مختل می‌کنند و این امر نه تنها تولید انرژی را کاهش می‌دهد بلکه سایش قطعات را نیز تسریع می‌کند. باد شهری عموماً منبعی قابل اعتماد نیست.

ارزیابی یک محل ترکیبی؟ کین‌پاور سیستم‌های یکپارچه بادی و خورشیدی را عرضه می‌کند — شامل آرایه‌های فتوولتائیک، اینورترهای ترکیبی، رابط‌های بادی و ذخیره‌سازی لیتیوم-آهن-فسفات — که به‌صورت یک سیستم مدیریت‌شدهٔ واحد با نظارت یکپارچه طراحی شده‌اند. مشاهدهٔ یکپارچه‌سازی باد و خورشید یا کاوش در راه‌حل‌های انرژی .