Muundo wa Uboreshaji wa Ngazi Tatu kwa Mifumo ya Nishati Mbadala Mseto: Uchambuzi Kamili

1. Utangulizi

Unganishaji wa vyanzo mbalimbali vya nishati mbadala kuwa mfumo mzima na wenye ufanisi ni changamoto kubwa ya ulimwengu halisi. Mifumo ya Nishati Mbadala Mseto (HRES), ambayo inachanganya vyanzo kama vile fotovotaikia ya jua (PV) na mifumo ya kuhifadhi nishati (ESS), ni muhimu kwa usambazaji thabiti na endelevu wa nishati. Hata hivyo, kuboresha mifumo kama hii kunahitaji usawazishaji wa malengo mengi, mara nyingi yanayokinzana, kwa wakati mmoja. Karatasi hii inatanguliza muundo wa hisabati wa ngazi tatu ulioundwa mahsusi kwa HRES. Kusudi kuu ni kutoa muundo uliopangwa ambao unaweza kushughulikia kwa wakati mmoja ngazi tatu muhimu za uamuzi: kuongeza ufanisi wa PV ya jua, kuboresha utendaji wa ESS, na kupunguza uzalishaji wa gesi chafu (GHG). Mbinu hii inapita zaidi ya uboreshaji wa lengo moja ili kukamata utegemeano tata ndani ya mitandao ya kisasa ya nishati.

2. Muundo wa Mfano wa Ngazi Tatu

Mfano uliopendekezwa hupanga tatizo la uboreshaji la HRES katika ngazi tatu za kihierarkia, kila moja ikiwa na malengo na vikwazo tofauti vinavyochangia kwenye ngazi inayofuata.

3. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Mfano wa ngazi tatu unaweza kuundwa kama tatizo la uboreshaji lililojengwa ndani. Hebu $x_1$ iwe vigezo vya uamuzi kwa mfumo wa PV ya jua (k.m., uwezo, mwelekeo), $x_2$ kwa ESS (k.m., uwezo, ratiba ya utumaji), na $x_3$ iwakilishe vigezo vya ngazi ya mfumo vinavyoathiri uzalishaji wa gesi chafu.

Ngazi ya 3 (Ngazi ya Juu - Kupunguza Uzalishaji wa Gesi Chafu):

$\min_{x_3} \, F_{GHG}(x_1^*, x_2^*, x_3)$

chini ya vikwazo vya mfumo mzima (k.m., bajeti ya jumla ya gharama, matumizi ya ardhi).

Ambapo $x_1^*$ na $x_2^*$ ni suluhisho bora kutoka ngazi za chini.

Ngazi ya 2 (Ngazi ya Kati - Uboreshaji wa ESS):

$\max_{x_2} \, F_{ESS}(x_1^*, x_2)$

chini ya mienendo ya uhifadhi: $SOC_{t+1} = SOC_t + \eta_{ch} \cdot P_{ch,t} - \frac{P_{dis,t}}{\eta_{dis}}$, ambapo $SOC$ ni hali ya malipo, $\eta$ ni ufanisi, na $P$ ni nguvu.

Ngazi ya 1 (Ngazi ya Chini - Uboreshaji wa PV):

$\max_{x_1} \, F_{PV}(x_1) = \sum_{t} P_{PV,t}(x_1, G_t, T_t)$

ambapo $P_{PV,t}$ ni pato la nguvu kwa wakati $t$, kazi ya mnururisho wa jua $G_t$ na joto $T_t$.

4. Matokeo ya Majaribio & Maelezo ya Chati

Ingawa sehemu ya PDF iliyotolewa haina matokeo maalum ya nambari, uthibitishaji wa kawaida wa majaribio wa mfano kama huu ungehusisha uigaji ikilinganisha HRES iliyoboreshwa kwa ngazi tatu dhidi ya msingi wa kawaida wa uboreshaji wa ngazi moja au ngazi mbili.

Maelezo ya Chati ya Kubuni: Matokeo muhimu yangeweza kuwasilishwa kama chati yenye mistari mingi. Mhimili wa x ungewakilisha wakati (k.m., zaidi ya masaa 24 au mwaka). Mihimili mingi ya y inaweza kuonyesha: 1) Uzalishaji wa PV ya jua (kW), 2) Hali ya Malipo ya ESS (%), 3) Uingizaji/Usafirishaji wa nguvu ya gridi (kW), na 4) Uzalishaji wa jumla wa gesi chafu (kg CO2-eq). Chati ingeonyesha jinsi mfano wa ngazi tatu unavyofanikiwa kuhama mzigo, kuchaji betri wakati wa masaa ya kilele cha jua, kutolea wakati wa mahitaji ya kilele cha jioni, na kupunguza utegemezi wa gridi, na kusababisha wasifu wa uzalishaji wa gesi chafu uliopunguzwa sana na laini ikilinganishwa na mfumo usio bora au ulioboreshwa kwa lengo moja. Chati ya baa ikilinganisha jumla ya uzalishaji wa kila mwaka wa GHG, gharama ya mfumo, na kiwango cha matumizi ya nishati ya jua katika mbinu tofauti za uboreshaji ingesisitiza zaidi ufanisi bora wa Pareto wa mfano wa ngazi tatu.

5. Muundo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi ya Utafiti

Hali: Jengo la kibiashara la ukubwa wa wastani linataka kupunguza gharama zake za nishati na athari za kaboni.

Utumizi wa Muundo:

1. Pembejeo ya Data: Kukusanya data ya mzigo wa saa ya mwaka mmoja wa kihistoria, data ya mnururisho/joto la jua la eneo hilo, bei ya umeme (ikiwa ni pamoja na viwango vya wakati wa matumizi), na ukubwa wa kaboni wa gridi.
2. Uchambuzi wa Ngazi ya 1: Kwa kutumia programu kama PVsyst au SAM, tengeneza mifumo tofauti ya ukubwa na usanidi wa PV. Amua usanidi bora unaoongeza mavuno ya kila mwaka kwa kuzingatia vikwazo vya nafasi ya paa.
3. Uchambuzi wa Ngazi ya 2: Ingiza wasifu bora wa uzalishaji wa PV kwenye mfano wa ESS (k.m., kwa kutumia Python na maktaba kama Pyomo). Boresha ukubwa wa betri na ratiba ya utumaji wa masaa 24 ili kuongeza faida ya kubadilishana (nunua chini, uuze juu) na matumizi ya kibinafsi, kwa kuzingatia vikwazo vya mzunguko wa maisha ya betri.
4. Uchambuzi wa Ngazi ya 3: Hesabu uzalishaji wa GHG wa mzunguko wa maisha kwa mfumo uliopendekezwa wa PV+ESS (kwa kutumia hifadhidata kama Ecoinvent). Linganisha na hali ya kawaida ya biashara (gridi pekee) na hali rahisi ya PV pekee. Mfano wa ngazi tatu utatambua usanidi ambapo kuongeza uhifadhi hutoa kupunguzwa kikubwa zaidi kwa uzalishaji wa gesi chafu kwa kila dola iliyowekeza, ambayo inaweza kuwa si sawa na usanidi unaoongeza faida ya kifedha pekee.

6. Uelewa Mkuu & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa Mkuu: Thamani ya msingi ya karatasi hii sio tu algorithm nyingine ya uboreshaji; ni uvumbuzi wa kimuundo. Inatenganisha rasmi malengo ya kawaida yaliyochanganyikiwa ya muundo wa HRES kuwa mfululizo wa maamuzi wa kihierarkia. Hii inafanana na michakato halisi ya uhandisi na uamuzi wa uwekezaji (uchaguzi wa teknolojia -> urekebishaji wa uendeshaji -> kufuata sera), na kufanya mfano uwe wa kueleweka zaidi na wa kutekelezeka kwa wahusika kuliko kiboreshaji cha malengo mengi kisicho wazi.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni sahihi na ya vitendo. Huwezi kuboresha uhifadhi ikiwa haujui wasifu wako wa uzalishaji, na huwezi kudai faida za kimazingira bila kuunda mfano wa mwingiliano kamili wa mfumo. Muundo wa ngazi tatu unalazimisha uhusiano huu wa sababu na athari. Hata hivyo, sehemu ya karatasi inategemea sana kutaja orodha kubwa ya marejeo ([1]-[108]) ili kuanzisha muktadha, ambayo, ingawa inaonyesha bidii ya kitaaluma, ina hatari ya kuziba kiini kipya cha kazi. Jaribio halisi liko katika uundaji maalum wa vikwazo na vigezo vya kuunganisha kati ya ngazi, maelezo ambayo hayajatolewa katika muhtasari.

Nguvu & Kasoro:
Nguvu: Muundo huu unaweza kubadilika sana. Malengo katika kila ngazi yanaweza kubadilishwa (k.m., Ngazi ya 1 inaweza kupunguza LCOE badala ya kuongeza ufanisi) kulingana na vipaumbele vya mradi. Unakubali kwa asili mitazamo tofauti ya wahusika (toa huduma ya teknolojia, mwendeshaji wa mfumo, mdhibiti).
Kasoro Muhimu: Tembo kwenye chumba ni uwezekano wa kukokotoa. Matatizo ya uboreshaji yaliyojengwa ndani yanajulikana kuwa magumu kutatua, mara nyingi yanahitaji algorithm za kurudia au uundaji upya katika matatizo ya ngazi moja kwa kutumia mbinu kama hali ya Karush–Kuhn–Tucker (KKT), ambazo zinaweza kuwa tata na za takriban. Mafanikio ya karatasi hii yanategemea mbinu yake iliyopendekezwa ya suluhisho, ambayo haijaelezewa hapa. Bila kikokotozi cha ufanisi, mfano unabaki kuwa dhana ya kinadharia. Zaidi ya hayo, mfano unadhania utabiri kamili wa rasilimali ya jua na mzigo, urahisishaji mkubwa ukilinganisha na ukweli wa nasibu unaokamatwa na miundo ya hali ya juu zaidi kama ile inayotumia Michakato ya Uamuzi ya Markov, kama inavyoonekana katika matumizi ya hali ya juu ya ujifunzaji wa kuimarisha kwa usimamizi wa nishati.

Uelewa Unaotekelezeka: Kwa watendaji, karatasi hii ni mpango mzuri wa muundo wa mfumo. Hatua ya 1: Tumia mawazo haya ya ngazi tatu kama orodha ya ukaguzi ya mahitaji ya mradi wako wa HRES. Fafanua wazi malengo yako ya Ngazi ya 1, 2, na 3 kabla ya kuanzisha programu yoyote. Hatua ya 2: Unapotathmini mapendekezo ya wauzaji, uliza ni ngazi gani ya uboreshaji inayoshughulikiwa na ofa yao. Wengi hulenga tu Ngazi ya 1 (mavuno ya PV) au Ngazi ya 2 (ubadilishaji wa betri), wakipuuza athari ya Ngazi ya 3 (uzalishaji wa gesi chafu) iliyounganishwa. Hatua ya 3: Kwa watafiti, pengo la kujaza ni kuunda heuristiki zenye nguvu, za haraka au meta-heuristiki (kama algorithm ya NSGA-II inayotumika kwa kawaida katika uboreshaji wa malengo mengi) zilizoundwa mahsusi kutatua muundo huu wa ngazi tatu kwa ufanisi chini ya kutokuwa na uhakika, na kuunganisha pengo kati ya uundaji mzuri na utekelezaji wa vitendo.

7. Matarajio ya Matumizi & Mwelekeo wa Baadaye

Mfano wa ngazi tatu una uwezo mkubwa zaidi ya matumizi ya mikrogridi pekee yaliyowasilishwa.

• Unganishaji wa Kipimo cha Gridi: Muundo unaweza kuongezeka ili kuboresha mkusanyiko wa rasilimali mbadala na uhifadhi wa kipimo cha gridi (k.m., betri za mtiririko, maji yaliyopigwa) kwa waendeshaji wa mfumo wa usafirishaji, na kuchangia moja kwa moja kwa utulivu wa gridi na malengo ya kupunguza kaboni.
• Uzalishaji wa Hidrojeni ya Kijani: Ngazi ya 1 inaweza kuboresha shamba mseto la upepo na jua, Ngazi ya 2 inaweza kudhibiti kihifadhi maalum cha kando, na Ngazi ya 3 inaweza kupunguza ukubwa wa kaboni wa hidrojeni inayozalishwa na vichujio, changamoto muhimu kwa uchumi wa hidrojeni ya kijani.
• Vituo vya Kuchaji Magari ya Umeme (EV): Unganisha mahitaji ya kuchaji EV kama mzigo wa nguvu. Ngazi ya 1 inaboresha vyanzo vya nishati mbadala vya tovuti, Ngazi ya 2 inasimamia uhifadhi wa kusimama na uwezo wa gari-kwa-gridi (V2G) kutoka kwa EV zilizounganishwa, na Ngazi ya 3 inapunguza athari ya jumla ya kaboni ya usafiri.
• Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye: Mwelekeo wa haraka zaidi ni kujumuisha kutokuwa na uhakika (uboreshaji wa nasibu) kwa uzalishaji wa jua, mzigo, na bei za nishati. Pili, kuunganisha ujifunzaji wa mashine kwa utabiri na uundaji wa mfano mbadala kunaweza kupunguza sana wakati wa kukokotoa. Hatimaye, kupanua hadi mfano wa ngazi nne ambao unajumuisha ngazi ya nne kwa uharibifu wa muda mrefu wa rasilimali na upangaji wa uingizwaji kungeongeza uchambuzi wa mzunguko wa maisha.

8. Marejeo

1. Hosseini, E. (Mwaka). Mfano wa Ngazi Tatu kwa Mifumo ya Nishati Mbadala Mseto. Jina la Jarida, Juzuu(Toleo), kurasa. (Chanzo PDF)
2. Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S., & Meyarivan, T. (2002). Algorithm ya haraka na ya hali ya juu ya jenetiki ya malengo mengi: NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 6(2), 182-197.
3. Shirika la Kimataifa la Nishati (IEA). (2023). Nishati Mbadala 2023. Imepatikana kutoka https://www.iea.org/reports/renewables-2023
4. Maabara ya Kitaifa ya Nishati Mbadala (NREL). (2023). Mfano wa Mshauri wa Mfumo (SAM). https://sam.nrel.gov/
5. Zhu, J., et al. (2017). Mfano wa uboreshaji wa malengo mengi kwa upangaji wa uzalishaji na uhifadhi wa nishati mbadala. Applied Energy, 200, 45-56.
6. F. R. de Almeida, et al. (2022). Uboreshaji wa Nasibu kwa Mifumo ya Nishati Mbadala Mseto: Ukaguzi. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 168, 112842.
7. W. G. J. H. M. van Sark, et al. (2020). Nishati ya Jua ya Fotovotaikia: Kutoka Misingi hadi Matumizi. Wiley.