Système de Production d'Énergie Hybride Éolien-Solaire et Solutions
2025-01-07
Définition du système hybride éolien-solaire
Un système hybride éolien-solaire est un système d'application de production d'énergie qui utilise des cellules solaires et des éoliennes (qui convertissent le courant alternatif en courant continu) pour stocker l'électricité générée dans un pack de batteries. Lorsque l'utilisateur a besoin d'électricité, l'onduleur convertit le courant continu stocké dans le pack de batteries en courant alternatif et l'envoie à la charge de l'utilisateur via la ligne de transmission. C'est un système où deux dispositifs de production d'énergie, les éoliennes et les panneaux solaires, génèrent de l'électricité ensemble.
Composition du système hybride éolien-solaire
Le système hybride éolien-solaire est principalement composé d'éoliennes, de panneaux photovoltaïques solaires, de contrôleurs, de batteries, d'onduleurs, de charges AC et DC, etc. Voir le diagramme de structure du système ci-joint. Le système est un système composite de production d'énergie renouvelable qui intègre plusieurs technologies de production d'énergie telles que l'énergie éolienne, l'énergie solaire et les batteries, ainsi que la technologie de contrôle intelligent du système.
(1).Système de production d'énergie éolienne
La partie de production d'énergie éolienne utilise une éolienne pour convertir l'énergie du vent en énergie mécanique, qui est ensuite convertie en énergie électrique grâce à un générateur d'éolienne. Le contrôleur charge ensuite la batterie et l'onduleur fournit l'énergie à la charge.
(2).Système de production d'énergie photovoltaïque
La partie de production d'énergie photovoltaïque utilise l'effet photovoltaïque des panneaux solaires pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique, qui est ensuite utilisée pour charger la batterie, et l'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif pour alimenter la charge.
(3).Système d'onduleur pour la conversion de l'énergie AC
Le système d'onduleur se compose de plusieurs onduleurs, qui convertissent l'énergie CC de la batterie en énergie CA standard de 220V pour garantir l'utilisation normale des équipements de charge AC. Il dispose également d'une fonction de stabilisation automatique de la tension, ce qui peut améliorer la qualité de l'alimentation du système hybride éolien-solaire.
(4).Système de gestion et de contrôle de l'énergie
La partie de contrôle bascule et ajuste en continu l'état de fonctionnement du pack de batteries en fonction des changements d'intensité du soleil, de la vitesse du vent et de la charge : d'une part, l'énergie ajustée est directement envoyée à la charge DC ou AC. D'autre part, l'excédent d'énergie électrique est envoyé au pack de batteries pour stockage. Lorsque la production d'énergie ne peut pas répondre aux besoins de la charge, le contrôleur envoie l'énergie de la batterie à la charge, garantissant ainsi la continuité et la stabilité du fonctionnement du système dans son ensemble.
(5).Système de batteries pour la régulation et le stockage de l'énergie
La partie batterie est composée de plusieurs batteries, qui jouent deux rôles dans le système : la régulation de l'énergie et l'équilibrage de la charge. Elle convertit l'énergie électrique produite par le système de production d'énergie éolienne et le système de production d'énergie photovoltaïque en énergie chimique et la stocke pour une utilisation ultérieure lorsque l'approvisionnement en énergie est insuffisant.
Le système hybride éolien-solaire peut fonctionner dans les trois modes suivants en fonction des changements de la puissance éolienne et du rayonnement solaire : l'éolienne fournit seule l'énergie à la charge ; le système de production d'énergie photovoltaïque fournit seul l'énergie à la charge ; l'éolienne et le système de production d'énergie photovoltaïque fournissent ensemble l'énergie à la charge.
Le système hybride éolien-solaire présente les avantages suivants par rapport à la production d'énergie éolienne ou photovoltaïque seule :
●Stabilité et fiabilité
En utilisant la complémentarité de l'énergie éolienne et solaire, une sortie relativement stable peut être obtenue, ce qui confère au système une plus grande stabilité et fiabilité.
●Réduction de la capacité de la batterie
Tout en garantissant le même approvisionnement en énergie, la capacité de la batterie de stockage peut être considérablement réduite.
●Optimisation de l'alimentation en énergie
Grâce à une conception et un appariement raisonnables, le système hybride éolien-solaire peut essentiellement fournir l'énergie nécessaire, et il y a peu ou pas besoin de démarrer des sources d'énergie de secours telles que des groupes électrogènes à diesel, ce qui permet d'obtenir de meilleurs avantages sociaux et économiques.
Scénarios d'application du système hybride éolien-solaire
Application extérieure
La consommation d'énergie des projets d'éclairage extérieur dans le monde représente environ 12 % de la production d'énergie mondiale. Dans le contexte de la pression croissante sur l'énergie et de la protection de l'environnement à l'échelle mondiale, son travail d'économie d'énergie attire de plus en plus l'attention à l'échelle mondiale.
L'énergie solaire et éolienne est intelligemment chargée dans la batterie sous une forme complémentaire via le contrôleur, et différents types de lampes LED extérieures sont automatiquement allumées et éteintes en fonction de l'intensité lumineuse pendant la nuit. Le contrôleur intelligent dispose d'une fonction de communication de réseau de capteurs sans fil et peut réaliser une gestion à trois distances (télémétrie, télécommunication et télécommande) avec l'ordinateur central. Le contrôleur intelligent possède également une fonction d'intelligence artificielle puissante et met en œuvre une gestion avancée à trois distances de l'ensemble du projet d'éclairage, se concentrant sur l'inspection de l'état de fonctionnement des luminaires ainsi que sur les alarmes de panne et de vol.
Éclairage routier
●Projets d'éclairage routier (autoroutes/routes principales/routes secondaires/rues secondaires);
●Projets d'éclairage routier communautaire (lampadaires de rue communautaires/lampes de jardin/lampes de pelouse/lampes souterraines/lampes murales, etc.).
Les projets d'éclairage extérieur utilisant de nouvelles énergies et sources lumineuses incluent : lampadaires intelligents à LED complémentaires éolien-solaire, projets d'éclairage routier communautaire à LED complémentaires éolien-solaire, projets d'éclairage paysager à LED complémentaires éolien-solaire, projets d'éclairage intelligent de tunnels à LED complémentaires éolien-solaire, lampadaires à LED intelligents, etc.
Application des marques de navigation
Les marques de navigation dans certaines régions ont adopté la génération d'énergie solaire, notamment les piles des phares, mais il existe également certains problèmes. Le plus important est que la production d'énergie solaire est insuffisante lors de conditions météorologiques défavorables prolongées, ce qui peut facilement entraîner une décharge excessive des batteries et une coupure de l'éclairage, affectant les performances de la batterie ou la rendant endommagée. Le problème de la production d'énergie solaire insuffisante est particulièrement grave en hiver et au printemps.
Les mauvaises conditions météorologiques sont souvent accompagnées de vents forts. En d'autres termes, les conditions météorologiques où la production d'énergie solaire n'est pas idéale sont souvent celles où l'énergie éolienne est la plus abondante. Dans ce cas, un système hybride éolien-solaire, avec la production d'énergie éolienne comme principale et la production d'énergie photovoltaïque comme auxiliaire, peut être utilisé pour remplacer le système traditionnel de production d'énergie solaire.
Le système hybride éolien-solaire possède des caractéristiques telles que la protection de l'environnement, l'absence de pollution, l'absence de maintenance, une installation et une utilisation faciles, et répond aux exigences des applications énergétiques des marques de navigation. Lorsque la configuration de l'énergie solaire répond aux besoins énergétiques au printemps et en été, le système hybride éolien-solaire ne démarre pas ; en hiver et au printemps ou lors de conditions météorologiques défavorables prolongées, le système hybride éolien-solaire se met en marche. Il est donc évident que l'application du système hybride éolien-solaire sur les marques de navigation présente des caractéristiques saisonnières et climatiques. Les faits ont prouvé que son application est à la fois faisable et efficace.
Alimentation électrique des systèmes de surveillance
Les caméras de surveillance des routes principales fonctionnent généralement 24 heures sur 24 et utilisent des systèmes d'alimentation traditionnels via le réseau électrique. Bien que la consommation d'énergie ne soit pas élevée pour chaque caméra, celle-ci devient importante en raison du grand nombre de caméras. L'utilisation des systèmes d'alimentation traditionnels n'est pas propice à l'économie d'énergie. De plus, les câbles d'alimentation des caméras sont souvent volés, ce qui entraîne d'importantes pertes et augmente considérablement les coûts d'utilisation, de maintenance et les coûts d'exploitation des unités de gestion des routes.
L'application de systèmes hybrides éolien-solaire pour fournir de l'énergie aux caméras de surveillance routières est non seulement économique en énergie, mais elle ne nécessite également pas l'installation de câbles, réduisant ainsi la possibilité de vol et prévenant efficacement ce dernier. Cependant, certaines régions peuvent connaître des conditions climatiques extrêmes, telles que des périodes prolongées de brouillard, un ensoleillement limité et une énergie éolienne insuffisante, ce qui pourrait entraîner une alimentation instable. Dans ce cas, les lignes d'alimentation d'origine peuvent être utilisées pour charger automatiquement les batteries lorsque l'énergie solaire et éolienne est insuffisante, afin de garantir le bon fonctionnement du système.
Applications de communication
De nombreuses îles et régions montagneuses sont éloignées du réseau électrique, mais en raison des besoins en communication des secteurs locaux tels que le tourisme, la pêche, la navigation, etc., des stations de base de communication doivent être établies. La charge électrique de ces stations de base n'est pas très élevée. Si l'alimentation provient du réseau électrique, le coût de l'installation des poteaux et des câblages est très élevé. Si un générateur diesel est utilisé, des problèmes tels que des coûts de stockage et de transport élevés du diesel, une maintenance difficile du système et une faible fiabilité se posent.
Pour résoudre le problème d'un approvisionnement en énergie stable et fiable à long terme, il est nécessaire de compter sur les ressources naturelles locales. L'énergie solaire et l'énergie éolienne, en tant que ressources renouvelables inépuisables, sont particulièrement abondantes sur les îles. De plus, l'énergie solaire et l'énergie éolienne ont une forte complémentarité en termes de temps et de région. Le système hybride éolien-solaire pour les îles est un système d'alimentation autonome offrant une bonne fiabilité et une bonne rentabilité, adapté pour alimenter des stations de base de communication. Étant donné que la station de base dispose de personnel pour la maintenance, le système peut être équipé de générateurs diesel pour être utilisés lorsque la production d'énergie solaire et éolienne est insuffisante. Cela permet de réduire la capacité des panneaux solaires et des éoliennes dans le système, réduisant ainsi les coûts du système et augmentant la fiabilité du système.
Application des centrales électriques
La centrale de stockage par pompage éolien-solaire utilise l'énergie éolienne et solaire pour produire de l'électricité, entraînant directement des pompes pour pomper de l'eau et stocker l'énergie à intervalles irréguliers sans utiliser de batteries, puis utilise l'énergie de l'eau stockée pour assurer une production d'énergie stable. Cette méthode de développement énergétique combine les sources d'énergie traditionnelles et nouvelles telles que l'hydroélectricité, l'énergie éolienne et l'énergie solaire, et utilise les différences de distribution temporelle et spatiale de ces trois sources d'énergie pour parvenir à un développement complémentaire. Elle est adaptée aux zones éloignées difficiles à couvrir par le réseau électrique et contribue à la protection de l'environnement écologique dans le développement énergétique.
Analyse de la solution du système hybride éolien-solaire
La solution du système hybride éolien-solaire est principalement utilisée pour l'éclairage routier, l'agriculture, l'élevage, la culture, le tourisme, la publicité, les services, les ports, les zones montagneuses, les zones forestières, les chemins de fer, le pétrole, les postes militaires frontaliers, les stations de relais de communication, les stations de signalisation des autoroutes et des chemins de fer, les stations de travail d'exploration géologique et d'enquête de terrain, et d'autres zones où l'approvisionnement en énergie est difficile.
Le système hybride éolien-solaire se compose principalement d'une éolienne, d'un ensemble de panneaux solaires, d'un contrôleur intelligent, d'un pack de batteries, d'un onduleur multifonction, de câbles, de supports et de pièces auxiliaires pour former un système de production d'énergie. L'énergie éolienne est utilisée pour produire de l'électricité la nuit et les jours de pluie, lorsque le soleil n'est pas disponible, et l'énergie solaire est utilisée pour produire de l'électricité les jours ensoleillés. Lorsque le vent et le soleil sont présents en même temps, les deux fonctionnent ensemble, réalisant une production d'énergie par tous les temps, ce qui est plus économique, scientifique et pratique que l'utilisation exclusive des éoliennes ou de l'énergie solaire.
Diagramme du système hybride éolien-solaire :
Les éoliennes sont des dispositifs qui convertissent l'énergie mécanique des turbines éoliennes en énergie électrique. Les éoliennes sont divisées en générateurs à courant continu (DC) et à courant alternatif (AC).
(1) Générateur à courant continu (DC). Générateur à courant continu excité électriquement.
Ce type de générateur est divisé en trois types : auto-excité, excité par l'extérieur et excité de manière composée. Les petits systèmes de production d'énergie à courant continu sont généralement utilisés avec des batteries, et la capacité de l'appareil est généralement inférieure à 1000 W.
Générateur à courant continu à aimant permanent : Comparé au générateur à courant continu excité électriquement, ce type de générateur a une structure plus simple. Sa tension de sortie varie en fonction de la vitesse du vent. Il est nécessaire d'ajouter une batterie et un système de contrôle entre le générateur et la charge, et d'ajuster la tension de sortie en ajustant le rapport cyclique du système de contrôle. Étant donné que les générateurs à courant continu ont une structure complexe et sont coûteux, et qu'ils sont équipés de collecteurs et de redresseurs, leur maintenance en cas de défaillance est assez problématique. Par conséquent, ce type d'éolienne est rarement utilisé dans les applications pratiques.
Générateur à courant continu à aimant permanent : Comparé au générateur à courant continu excité électriquement, ce type de générateur a une structure plus simple. Sa tension de sortie varie en fonction de la vitesse du vent. Il est nécessaire d'ajouter une batterie et un système de contrôle entre le générateur et la charge, et d'ajuster la tension de sortie en ajustant le rapport cyclique du système de contrôle. Étant donné que les générateurs à courant continu ont une structure complexe et sont coûteux, et qu'ils sont équipés de collecteurs et de redresseurs, leur maintenance en cas de défaillance est assez problématique. Par conséquent, ce type d'éolienne est rarement utilisé dans les applications pratiques.
(2) Générateur à courant alternatif (AC)
Les générateurs à courant alternatif sont divisés en générateurs synchrones et asynchrones. Les générateurs synchrones fonctionnent à une vitesse synchrone, déterminée par le nombre de pôles et la fréquence du générateur synchrone, tandis que les générateurs asynchrones fonctionnent à une vitesse légèrement supérieure à celle des générateurs synchrones. On trouve principalement des générateurs auto-excités à pôles griffes sans balais, des générateurs AC auto-excités à redresseur, des générateurs à induction et des générateurs à aimants permanents. Les générateurs synchrones à aimants permanents triphasés sont principalement utilisés dans les petits systèmes de production d'énergie éolienne. Ces générateurs sont généralement de petite taille, très efficaces et peu coûteux. La structure du stator du générateur synchrone à aimants permanents est similaire à celle d'un moteur synchrone classique, tandis que le rotor adopte une structure à aimants permanents. Comme il n'y a pas d'enroulement d'excitation, aucune énergie d'excitation n'est consommée, ce qui permet une meilleure efficacité. De plus, le générateur synchrone à aimants permanents, en omettant le dispositif de commutation et les balais, présente une grande fiabilité, des pertes de fer statorique relativement faibles et une faible perte mécanique, ce qui lui confère une longue durée de vie.
(3) Panneaux solaires
Les panneaux photovoltaïques solaires convertissent principalement l'énergie solaire en énergie électrique.
(4) Batterie
En tant que dispositif de stockage d'énergie dans le système hybride éolien-solaire, la batterie joue un rôle très important dans l'ensemble du système de production d'énergie. Tout d'abord, parce que le vent et la lumière naturels sont instables, lorsqu'il y a un excédent de vent et de lumière, l'excédent d'énergie de la charge est stocké. Lorsque le vent et la lumière sont faibles, la batterie de stockage d'énergie peut être utilisée comme source d'alimentation pour la charge. Ensuite, la batterie a un effet de filtrage, ce qui permet au système de production d'énergie de fournir de l'énergie à la charge de manière plus fluide. De plus, la production d'énergie éolienne et photovoltaïque est facilement influencée par le climat et l'environnement, et la quantité d'électricité générée varie à différents moments, avec de grandes différences. En tant que "hub" entre eux, la batterie peut les connecter efficacement et intégrer l'énergie solaire et l'énergie éolienne pour réaliser l'effet de complémentarité entre les deux.
(5) Contrôleur hybride éolien-solaire
Le contrôleur hybride éolien-solaire se compose de deux parties : la carte de circuit principal et la carte de circuit de contrôle.
La carte de circuit principal contrôle l'ensemble du système et est le cœur du contrôle. Ses circuits périphériques comprennent des circuits d'échantillonnage de tension et de courant, des circuits de commande des tubes de puissance, des circuits de protection, des circuits de communication, des circuits d'alimentation auxiliaire, etc. Le circuit principal est composé de deux circuits à découpage avec des bornes de sortie indépendantes connectées en parallèle, l'un étant le circuit principal du système de production d'énergie photovoltaïque et l'autre étant le circuit principal du système de production d'énergie éolienne.
Résumé du système hybride éolien-solaire
Les ressources éoliennes et solaires sont incertaines. En raison de cette incertitude, l'électricité générée par les systèmes de production d'énergie éolienne et solaire est déséquilibrée et ne peut pas être utilisée directement pour alimenter les charges. Afin de fournir une alimentation stable aux charges, il est nécessaire d'utiliser une batterie, considérée comme le "hub", pour assurer une alimentation continue. Le système hybride intelligent éolien-solaire, composé de batteries, de panneaux solaires, de turbines éoliennes et de contrôleurs, peut bien connecter la complémentarité de l'énergie éolienne et de l'énergie solaire en termes de temps et de région.
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