سیستم‌های ترکیبی باد و خورشید، که به آن‌ها سیستم‌های هیبریدی (Hybrid Systems) نیز گفته می‌شود، راهکاری مؤثر برای غلبه بر نوسانات ذاتی منابع انرژی تجدیدپذیر هستند. هدف اصلی مدیریت توان در این سیستم‌ها، تأمین پایداری شبکه و بهینه‌سازی استفاده از باتری‌های ذخیره‌سازی است.
۱. لزوم سیستم‌های ترکیبی و ذخیره‌سازی
الف) جبران نوسانات ذاتی
- انرژی خورشیدی: تولید در طول روز و حداکثر تولید در ظهر. تولید در شب صفر است و در روزهای ابری کاهش می‌یابد.
- انرژی بادی: تولید به متغیرهای آب و هوایی (فشار، دما و سرعت باد) وابسته است و ممکن است در شب، زمانی که تولید خورشیدی صفر است، به حداکثر برسد.
سیستم هیبریدی با ترکیب این دو منبع، تولید را توزیع کرده و قابلیت اطمینان (Reliability) را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. ذخیره‌سازی انرژی پل حیاتی بین تولید متغیر و تقاضای ثابت مصرف‌کننده است.
ب) وظایف کلیدی مدیریت توان (Power Management)
مدیریت توان در سیستم‌های ترکیبی حول محور کنترلر هیبریدی عمل می‌کند و وظایف زیر را بر عهده دارد:
- اولویت‌بندی منابع: تعیین اینکه برق تولیدی کدام منبع (باد یا خورشید) در هر لحظه، در اولویت مصرف، شارژ باتری یا اتصال به شبکه باشد.
- بهینه‌سازی MPPT: اطمینان از اینکه پنل‌های خورشیدی و توربین بادی همواره در نقطه حداکثر توان خود کار کنند.
- حفاظت از باتری: جلوگیری از شارژ بیش از حد (Overcharging) و دشارژ عمیق (Deep Discharging) برای افزایش عمر باتری.
۲. اجزای اصلی سیستم و مدیریت جریان انرژی
الف) تجهیزات تولید و تبدیل
- پنل‌های خورشیدی (PV): تولید برق DC.
- توربین بادی: تولید برق DC یا AC (نیاز به یکسوساز).
- کنترلر MPPT خورشیدی: بهینه‌سازی توان PV.
- کنترلر شارژ بادی (Wind Charge Controller): مدیریت شارژ توربین و معمولاً شامل Dump Load برای تخلیه توان اضافی.
ب) هسته کنترل و ذخیره‌سازی
جزء | وظیفه در مدیریت توان هیبریدی |
باتری‌های ذخیره (Battery Bank) | ذخیره انرژی مازاد تولیدی. معمولاً لیتیوم-یون یا Lead-Acid دیپ سایکل. |
کنترلر هیبریدی/BMS | نظارت بر سلامت سلول‌های باتری (BMS)، اولویت‌بندی منابع و فرمان به اینورتر. |
اینورتر هیبریدی | تبدیل برق DC ذخیره‌شده به AC برای مصرف یا اتصال به شبکه. قابلیت شارژ متقابل باتری از شبکه در صورت نیاز. |
۳. تکنیک‌های تخصصی مدیریت شارژ و دشارژ
سیستم‌های ترکیبی از تکنیک‌های پیچیده‌تری نسبت به سیستم‌های تک‌منبع استفاده می‌کنند:
الف) تخلیه بار (Dump Load/Diversion Load) در باد
برخلاف پنل‌های خورشیدی که می‌توان با قطع مدار، تولید آن‌ها را متوقف کرد، توربین‌های بادی نباید به طور ناگهانی متوقف شوند زیرا ممکن است به دلیل اینرسی در باد بشکنند.
- مکانیسم تخصصی: در صورت پر شدن باتری‌ها، کنترلر بادی به‌جای قطع کامل اتصال، توان الکتریکی مازاد را به یک مقاومت گرمایشی (Dump Load) هدایت می‌کند. این کار به توربین اجازه می‌دهد تا آزادانه و تحت بار الکتریکی (حتی اگر مفید نباشد) بچرخد، در نتیجه از افزایش دور بیش از حد و آسیب‌های مکانیکی جلوگیری می‌شود.
ب) استراتژی‌های کنترل هوشمند
سیستم‌های پیشرفته از الگوریتم‌های هوشمند برای تصمیم‌گیری استفاده می‌کنند:
- پیش‌بینی هواشناسی: استفاده از داده‌های پیش‌بینی هوا برای برنامه‌ریزی شارژ و دشارژ باتری. اگر فردا باد و آفتاب کم باشد، سیستم ممکن است اجازه دشارژ عمیق‌تر را ندهد.
- پشتیبانی Peak Shaving: در سیستم‌های متصل به شبکه، باتری می‌تواند در ساعات اوج مصرف (که قیمت برق گران‌تر است) دشارژ شود تا هزینه‌ها کاهش یابد.
ج) ملاحظات DC Coupling و AC Coupling
- DC Coupling (کوپلینگ DC): تولیدکنندگان (باد و خورشید) مستقیماً به بانک باتری DC متصل می‌شوند. این روش ساده‌تر و کارآمدتر است زیرا انرژی دو بار تبدیل نمی‌شود.
- AC Coupling (کوپلینگ AC): تولیدکنندگان به صورت جداگانه از طریق اینورتر به یک باس AC مشترک متصل می‌شوند. این روش انعطاف‌پذیری بیشتری در مقیاس‌های بزرگ ایجاد می‌کند. کنترلر هیبریدی باید تمام جریان‌های AC و DC را به طور همزمان مدیریت کند.
۴. چالش‌ها و نگهداری
- تعادل جریان: اطمینان از اینکه جریان شارژ ترکیبی (باد + خورشید) از ظرفیت ایمن باتری فراتر نرود.
- عمر باتری: سیکل‌های شارژ/دشارژ مکرر و عمیق، عمر باتری را کاهش می‌دهد. سیستم مدیریت توان باید حالت شارژ باتری (State of Charge یا SOC) را بین 20% تا 90% حفظ کند.
- رطوبت و دمای کنترلر: یونیت‌های کنترلر شارژ (به ویژه Dump Load) حرارت زیادی تولید می‌کنند و باید در محیطی با تهویه مناسب و عاری از رطوبت نگهداری شوند.
