Utafiti huu unachunguza ni uwezo gani wa uzalishaji, uhifadhi wa umeme, uhifadhi wa joto na ubadilishaji wa umeme kuwa joto unaopaswa kusakinishwa kwa pamoja katika kituo kikubwa cha nishati mbadala chenye kiwango kikubwa cha uzalishaji wa upepo na fotovoltaiki. Katikati ya mfumo kuna kituo cha nishati ya jua iliyokolezwa cha trough ya paraboliki kilichobainishwa mapema; uwezo wa mitambo ya upepo, fotovoltaiki, mfumo wa uhifadhi wa nishati ya joto (TES), mfumo wa uhifadhi wa nishati kwa betri (BESS), pamoja na hita ya umeme au pampu ya joto ya halijoto ya juu, huoptimizwa kwa pamoja.

Swali kuu la kisayansi la utafiti ni kwa kiwango gani kudhani kwamba vifaa vya ubadilishaji kama vile power block na pampu ya joto hufanya kazi kwa ufanisi uleule katika kila kiwango cha mzigo kunaweza kubadilisha upangaji wa uwezo. Kwa sababu hiyo, watafiti walilinganisha dhana ya ufanisi usiobadilika na modeli za mstari za vipande vinavyowakilisha tabia ya power block katika mzigo wa sehemu na mgawo wa utendaji wa pampu ya joto unaotegemea mzigo.

Katika ngazi ya juu, gharama iliyosawazishwa ya uzalishaji wa umeme (LCOE) na uwezekano wa kupoteza usambazaji wa nguvu (LPSP) hupunguzwa kwa pamoja kwa kutumia NSGA-II; katika ngazi ya chini, ratiba ya uendeshaji kwa kila jalada la uwezo linalopendekezwa huhesabiwa kwa siku wakilishi kwa kutumia mixed-integer linear programming (MILP). Hivyo, si swali la “ni MW ngapi zisakinishwe?” pekee, bali pia jinsi uwezo uliochaguliwa unavyoweza kufanya kazi chini ya vizuizi halisi vya mzigo, uhifadhi, ubadilishaji, ramp na mzigo wa sehemu, huingizwa katika uboreshaji.

Katika kiwango cha seti za suluhisho za Pareto, kuzingatia tabia ya uendeshaji nje ya hali ya usanifu kuliongeza median LCOE kwa %3,3–%5,1 ikilinganishwa na modeli ya ufanisi usiobadilika, huku kukipunguza median LPSP kwa %8,3–%19,9. Hata hivyo, watafiti hawafasiri matokeo haya kama uboreshaji wa moja kwa moja katika kiwango kilekile cha kutegemewa; kwa kuwa modeli hizo mbili huunda majalada tofauti ya uwezo, asilimia hizo zinaonyesha mabadiliko katika mgawanyo wa seti za Pareto. Katika ulinganisho uliooanisha katika viwango sawa vya LPSP, tofauti ya wastani ya thamani kamili ya LCOE ni takribani %1,35–%1,74 pekee.

Matokeo muhimu zaidi ya upangaji ni kwamba tabia za nje ya hali ya usanifu, ingawa hubadilisha kwa kiwango kidogo thamani za kazi ya lengo, zinaweza kubadilisha kwa kiasi kikubwa mgawanyo wa teknolojia zitakazosakinishwa. Hasa katika usanidi wenye BESS, modeli ya mstari ya vipande kwa ujumla imehamisha jalada kutoka kwenye mitambo ya upepo kuelekea uwezo wa fotovoltaiki na betri. Kwa upande mwingine, uwezo wa TES umebadilika kwa kiwango kidogo zaidi.

Utafiti pia unaonyesha kwamba BESS na TES si teknolojia mbili sawa za uhifadhi zinazoweza kubadilishana. Katika modeli, BESS inaweza kujibu mabadiliko ya muda mfupi ya umeme kwa azimio la uendeshaji la dakika 5, wakati kwa TES muda wa kufunga hali wa saa 1 umetumika. Katika matokeo, BESS hutoa usawazishaji wa umeme wa muda mfupi, huku TES ikitekeleza jukumu la polepole zaidi la kuhamisha nishati ya joto kwa wakati.

Kikomo cha tafsiri kwa mtazamo wa Uturuki: Matokeo hayakupatikana kwa data za Uturuki; utafiti unategemea dhana za hali ya hewa na mfumo za eneo la kaskazini la Zhangjiakou. Hata hivyo, unatoa mfumo wa kimethodolojia kwa mifumo ambamo upepo, PV, uhifadhi wa umeme, uhifadhi wa joto na CSP hupangwa kwa pamoja. Ili kutumika Uturuki, lazima modeli ijengwe upya kwa kutumia profaili za eneo za DNI na GHI, hali za upepo, mizigo ya umeme, gharama, mahitaji ya gridi, bei za teknolojia na hali za uendeshaji. Haiwezekani kutoa moja kwa moja uwezo bora wa MW au MWh kwa Uturuki kutokana na utafiti huu.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Katika mfumo wa umeme wenye uzalishaji mkubwa wa upepo na fotovoltaiki, kukidhi tu jumla ya nishati ya mwaka haitoshi. Mionzi ya jua, upepo, mahitaji ya umeme na hitaji la usafirishaji hubadilika katika nyakati tofauti za siku na mwaka. Kwa hiyo, mfumo unaweza kuzalisha nishati ya kutosha kwa jumla ya mwaka lakini ukapata upungufu wa umeme katika saa fulani au ukazalisha nishati nyingi kuliko inayoweza kutumika katika nyakati nyingine.

Utafiti unashughulikia tatizo hili kama mfumo mmoja uliounganishwa badala ya kupima ukubwa wa teknolojia za uzalishaji na uhifadhi kwa kujitegemea. Katika mfumo, mitambo ya upepo na PV huzalisha umeme moja kwa moja, huku CSP ya trough ya paraboliki ikibadilisha mionzi ya jua kwanza kuwa joto la halijoto ya juu. Joto hili linaweza kutumwa moja kwa moja kwenye power block au kuhifadhiwa ndani ya TES kwa matumizi ya baadaye.

Umeme wa ziada wa upepo na PV pia si lazima upelekwe kwenye betri pekee. Kwa kutumia hita ya umeme (EH) au pampu ya joto (HP), unaweza kubadilishwa tena kuwa joto, kuhamishwa kwenda TES na baadaye kutumiwa tena kuzalisha umeme kupitia power block. Kwa njia hii, njia za nishati ya umeme na nishati ya joto zinaunganishwa.

Utafiti unalenga pengo gani katika fasihi?

Katika sehemu kubwa ya tafiti za awali za upangaji wa uwezo, ufanisi wa vifaa vya ubadilishaji huchukuliwa kuwa usiobadilika. Hata hivyo, power block haina ufanisi uleule wa ubadilishaji wa joto kwenda umeme katika mzigo kamili na mzigo wa sehemu. Vivyo hivyo, thamani ya COP ya pampu ya joto inaweza kubadilika kulingana na uwiano wa mzigo.

Hoja ambayo watafiti wanaichunguza ni hii: ikiwa modeli ya upangaji wa uwezo inawakilisha power block au pampu ya joto kwa hali bora zaidi kuliko ilivyo kweli, je, inaweza kuchagua mchanganyiko usio sahihi wa teknolojia hata kama gharama ya jumla na thamani za kutegemewa zinaonekana kuwa karibu?

Matokeo ya utafiti yanaelekea kujibu swali hili kwa ndiyo. Ingawa tofauti katika nafasi ya kazi ya lengo huwa ndogo katika hali nyingi, mgawanyo wa uwezo uliochaguliwa kati ya upepo, PV, BESS, TES na PtH unaweza kubadilika kwa kiasi kikubwa.

Muundo wa kimwili wa mfumo umeundwaje?

Mchoro wa mfumo katika utafiti unaunganisha safu ya PV, shamba la upepo, BESS, uwanja wa jua wa trough ya paraboliki, matangi ya TES ya moto na baridi, kitengo cha power-to-heat na power block kuzunguka basi la pamoja la AC na mzunguko wa joto.

Katika mfumo mdogo wa CSP, uwanja wa jua (SF) na power block (PB) zimekubaliwa kama msingi uliobainishwa mapema. Uwezo wake hauoptimizwi katika tatizo kuu la upangaji. Kinyume chake, TES inaweza kupanuliwa; kwa sababu huhifadhi joto kutoka uwanja wa jua na pia joto linalozalishwa na kitengo cha ubadilishaji wa umeme kuwa joto.

Uwezo wa kawaida wa umeme wa power block umewekwa kuwa 50 MW. Uwanja wa jua umepimwa kwa marejeo ya 2,6 solar multiple dhidi ya power block. LS-2 imetumika kama kolekta ya trough ya paraboliki, Therminol VP-1 kama kiowevu cha uhamishaji joto, na halijoto ya kutoka ya uwanja wa jua imelengwa kuwa 390 °C.

Uwanja wa jua umemodeliwaje?

Mtiririko muhimu wa joto uliofyonzwa na kolekta za trough ya paraboliki huhesabiwa kutokana na athari ya pamoja ya direct normal irradiance (DNI), pembe ya kuingia, mgawo wa marekebisho ya pembe ya kuingia, kivuli cha safu, hasara za mwisho, ufanisi wa uwanja wa jua na ufanisi wa kipengele cha kukusanya joto:

\[ Q_{absorb}=DNI \cdot \cos\theta \cdot K_{IAM}\cdot R_{shadow}\cdot R_{endloss}\cdot \eta_{field}\cdot \eta_{HCE} \]

Hapa DNI inawakilisha direct normal solar irradiance katika W/m², θ pembe ya kuingia, K_IAM kirekebishaji cha pembe ya kuingia, R_shadow athari ya kivuli kati ya safu za kolekta, R_endloss hasara za mwisho, η_field ufanisi wa uwanja wa jua na η_HCE ufanisi wa kipengele cha kukusanya joto.

Katika modeli, uwanja wa jua unachukuliwa kutofanya kazi wakati mtiririko wa joto uliofyonzwa uko chini ya 60 W/m². Kikomo hiki kinapozidiwa, kiwango cha mtiririko wa mafuta ya uhamishaji joto hurekebishwa ili kuweka halijoto ya kutoka katika 390 °C.

“Uendeshaji nje ya hali ya usanifu” katika power block unamaanisha nini?

Moja ya tofauti muhimu zaidi za uundaji modeli katika utafiti inaonekana kwenye power block. Power block imemodeliwa kama mzunguko wa mvuke wa Rankine wenye uwezo wa kawaida wa 50 MW. Kwa kuwa katika uendeshaji halisi power block haifanyi kazi kila mara katika mzigo wa %100, ufanisi wa ubadilishaji hutegemea uwiano wa mzigo.

Katika utafiti, ufanisi wa power block nje ya hali ya usanifu unawakilishwa na polinomu ifuatayo:

\[ \eta_{t-el}(x)=\eta^{0}_{t-el}(-0.7644x^4+2.3391x^3-2.7709x^2+1.5971x+0.5991) \]

Hapa x ni uwiano wa pato halisi la nguvu kwa nguvu ya kawaida na hutumika katika modeli ndani ya safu ya 0,2 ≤ x ≤ 1. η⁰_t-el ni ufanisi wa ubadilishaji wa umeme katika hatua ya kawaida ya usanifu.

Uhusiano wa msingi kati ya ingizo la joto na pato la umeme ni:

\[ P_{PB,t}=\eta_{t-el}(x)\cdot Q_{PB,t} \]

Q_PB,t inawakilisha nguvu ya joto inayoingia kwenye power block katika MW, huku P_PB,t ikiwakilisha nguvu ya umeme inayozalishwa.

Uhusiano huu si wa mstari moja kwa moja. Ili tatizo la ngazi ya chini liweze kutatuliwa kama MILP, watafiti waligawanya mkunjo katika vipande na kuwakilisha takribani kila safu ya mzigo kwa mlinganyo wa mstari. Vigezo vya binary huamua power block inafanya kazi katika eneo gani la mzigo.

Muda wa chini wa kuwashwa na kuzimwa wa power block pia umejumuishwa katika modeli. Muda wa chini wa kubaki imewashwa umewekwa kuwa saa 2, na muda wa chini wa kubaki imezimwa kuwa saa 1. Kikomo cha ramp kimetumika kama 0,20 p.u. ya nguvu ya kawaida ya umeme katika kila kipindi cha dakika 5.

Kwa nini utendaji wa pampu ya joto haukuchukuliwa kuwa usiobadilika?

Pampu ya joto hutumia umeme kuchukua joto kutoka chanzo cha halijoto ya chini na kulihamisha kwenda kwenye mzunguko wa uhamishaji joto wa halijoto ya juu. Kwa hiyo, nishati ya joto inayozalisha inaweza kuwa kubwa kuliko ingizo la umeme, na utendaji wake huonyeshwa kwa COP:

\[ Q_{HP,t}=COP_{HP,t}\cdot P_{HP,t} \]

P_HP,t ni ingizo la umeme katika MW, Q_HP,t ni pato la joto katika MW, na COP_HP,t ni mgawo wa utendaji usio na kipimo.

Pampu ya joto imemodeliwa kwa Aspen Plus na argon imetumika kama kiowevu cha mzunguko. Katika uigaji, thamani ya COP haibaki ileile kulingana na uwiano wa mzigo.

Kwamba COP hufikia thamani ya juu zaidi karibu na mzigo wa %100 na kisha kupungua tena katika mizigo ya juu zaidi kunaonyesha kwa nini kuimodeli pampu ya joto kama “kizidishi chenye COP isiyobadilika” pekee kunaweza kubadilisha matokeo ya uwezo na uendeshaji.

Tofauti kati ya hita ya umeme na pampu ya joto ni nini?

Kwa hita ya umeme, ufanisi wa ubadilishaji wa umeme kuwa joto umechukuliwa kuwa usiobadilika katika eneo la kawaida la uendeshaji:

\[ Q_{EH,t}=\eta_{EH}P_{EH,t} \]

Pampu ya joto inaweza kutoa nishati zaidi ya joto kwa ingizo lilelile la umeme; lakini thamani ya COP hutegemea uwiano wa mzigo na unyumbufu wake wa uendeshaji hutofautiana na EH.

Katika matokeo, HP imeweza kutoa ubadilishaji wa kutosha wa joto kwa uwezo mdogo uliosakinishwa kuliko EH katika majalada ya maelewano yaliyolinganishwa. Kwa upande mwingine, EH inaweza kuanza kazi haraka zaidi na kufuatilia kwa unyumbufu zaidi ziada za muda mfupi za upepo/PV. Kwa hiyo, utafiti hauhitimishi kwamba “HP ni bora katika kila hali”; unaonyesha kuwepo kwa trade-off kati ya ufanisi wa ubadilishaji na unyumbufu wa uendeshaji wa mienendo wa teknolojia hizo mbili.

Kwa nini BESS na TES zimemodeliwa katika vipimo tofauti vya muda?

Utafiti unasisitiza kwamba uhifadhi mseto haumaanishi tu gharama mbili tofauti za uhifadhi. BESS imemodeliwa kama uhifadhi unaojibu haraka upande wa umeme, huku TES ikiwa chombo cha kuhamisha nishati ya joto kwa muda mrefu zaidi.

Azimio la msingi la muda ni dakika 5. Kwa kuwa hakuna muda wa ziada wa kufunga hali uliotumika kwa BESS, hali ya kuchaji/kutoa chaji inaweza kubadilika katika kila kipindi cha dakika 5. Kwa TES, kwa msingi wa usalama wa uendeshaji na mahitaji ya O&M, kipindi cha kufunga hali cha saa 1 kimetumika.

Kwa hiyo modeli hutumia BESS kama rasilimali ya kusawazisha umeme inayojibu mabadiliko ya muda mfupi ya upepo, PV na mzigo; TES hutumiwa kama uhifadhi wa joto unaohamisha nishati polepole zaidi kati ya uwanja wa jua, PtH na power block.

Ngazi mbili za uboreshaji zinafanyaje kazi?

Mpangilio wa suluhisho wa utafiti una ngazi mbili zenye mrejesho. Katika ngazi ya juu, NSGA-II huzalisha majalada tofauti ya uwezo. Vekta ya uamuzi kwa ujumla ni kama ifuatavyo:

\[ X=[N_{WT},N_{PV},E_{TES},E_{BESS},P_{EH},P_{HP}]^T \]

N_WT inawakilisha idadi ya mitambo ya upepo, N_PV idadi ya moduli za PV, E_TES na E_BESS nishati ya uhifadhi katika MWh, na P_EH pamoja na P_HP uwezo uliosakinishwa wa power-to-heat katika MW.

Tatizo la malengo mawili la ngazi ya juu ni:

\[ \min F(X)=[LCOE(X),LPSP(X)] \]

LCOE inawakilisha gharama iliyosawazishwa kwa kila umeme uliosambazwa kwa ufanisi; LPSP inawakilisha uwiano wa nishati ya umeme isiyokidhiwa kwa jumla ya mahitaji. Kwa kuwa lengo moja linajaribu kupunguza gharama na jingine kuongeza kutegemewa kwa usambazaji, badala ya optimum moja ya moja kwa moja hutokea Pareto front.

Ngazi ya chini huhesabu kwa MILP, kwa kila mchanganyiko wa uwezo unaotoka ngazi ya juu, mtiririko wa umeme na joto, hali za kuchaji/kutoa chaji za BESS na TES, uendeshaji wa PtH, hali ya kuwashwa kwa power block, kukatwa kwa nishati mbadala na mzigo usiokidhiwa.

Matokeo ya ngazi ya chini hurudishwa kwa ngazi ya juu na thamani za LCOE na LPSP za jalada huhesabiwa. Kwa hiyo, mzunguko wa suluhisho unaoonyeshwa kwenye mchoro unaunganisha upangaji wa uwezo na ratiba halisi ya uendeshaji.

Programu gani zilitumika?

Mahesabu yote yalifanywa katika mazingira ya MATLAB R2024b. NSGA-II ya ngazi ya juu na tatizo la ngazi ya chini vilitatuliwa kwa kutumia Gurobi 12.0.3 kupitia YALMIP.

Mfumo wa kompyuta ulitumia prosesa mbili za AMD EPYC 7542, jumla ya cores 64 za kimwili na 256 GB RAM. Ukubwa wa population ya NSGA-II uliwekwa kuwa 80, idadi ya juu ya generations kuwa 100; ili kuharakisha suluhisho, mahesabu sambamba yalifanywa kwenye cores 25.

Data za hali ya hewa zilichaguliwaje?

Utafiti wa namba unategemea data za hali ya hewa za eneo la kaskazini la Zhangjiakou, China. Seti ya data iliundwa na Solargis kwa kutumia data za setilaiti za MTSAT na Himawari pamoja na data za anga za ECMWF na NOAA, na ilihusisha kipindi cha 1 Julai 2006–31 Julai 2016.

Takwimu ya Finkelstein–Schafer ilitumika kuchagua mwaka wa kawaida wa hali ya hewa. Uzito wa 0,35 kila mmoja ulitolewa kwa GHI na DNI; na 0,15 kila mmoja kwa kasi ya upepo na halijoto. Kwa kuwa alama ya chini zaidi ya kupotoka kwa jumla ilikuwa 0,1800, 2013 ilichaguliwa kuwa mwaka wa kawaida.

Ili kupunguza mahesabu ya MILP ya dakika 5 kwa mwaka mzima, siku ziliwekwa katika makundi kwa K-means. Siku nne wakilishi zilipatikana.

Mgawo wa wastani wa silhouette wa suluhisho la makundi manne uliripotiwa kuwa 0,4995; kwa mujibu wa watafiti, hii inaonyesha kiwango cha kati cha utengano kati ya makundi. Katika uwekaji makundi uliorudiwa kwa mwanzo tofauti wa nasibu, thamani ya wastani ya adjusted Rand index ilikuwa 0,9957, ikionyesha uthabiti mkubwa wa matokeo ya uwekaji makundi.

Usanidi tano tofauti wa mfumo unalinganisha nini?

Tofauti gani ilionekana kati ya ufanisi usiobadilika na modeli ya nje ya hali ya usanifu?

Muundo wa jumla wa Pareto fronts unafanana katika modeli zote mbili: ili kupunguza LPSP, yaani kuongeza kutegemewa, uwezo zaidi wa uzalishaji au uhifadhi unahitajika, kwa hiyo LCOE mara nyingi huongezeka.

Pareto fronts zinapolinganishwa katika viwango sawa vya LPSP, upotovu wa wastani wa thamani kamili ya LCOE ni %1,3537–%1,7400 pekee. Katika Case 2, Case 3 na Case 5, upotovu wa juu wa eneo ulisalia chini ya %3,34, wakati katika ncha za LPSP ya chini za Case 1 na Case 4 zisizo na BESS, upotovu wa eneo wa takribani %11,12 na %12,81 ulionekana mtawalia.

Hata hivyo, mgawanyo wa uwezo ulibadilika kwa kiwango kikubwa zaidi. Modeli ya mstari ya vipande iliongeza median ya uwezo wa PV katika hali zote tano. Katika Case 2, median ya idadi ya moduli za PV iliongezeka kutoka 23.224 hadi 56.959,5, yaani takribani %145,3. Katika Case 5 iliongezeka kutoka 25.050 hadi 51.237.

Pia kulikuwa na mabadiliko makubwa katika uwezo wa BESS. Katika Case 2 median BESS iliongezeka kutoka 92,33 MWh hadi 98,92 MWh, katika Case 3 kutoka 118,07 MWh hadi 161,65 MWh, na katika Case 5 kutoka 88,34 MWh hadi 112,52 MWh.

Matokeo haya yanaunga mkono moja ya ujumbe mkuu wa utafiti: hata kama thamani ya jumla ya gharama ya mfumo haibadiliki sana, modeli ya ubadilishaji iliyo halisi zaidi inaweza kutoa jibu tofauti kwa swali “ni kiasi gani cha kila teknolojia kinapaswa kusakinishwa?”

Suluhisho za maelewano za TOPSIS zinaonyesha nini?

Ili kuchagua suluhisho moja linaloweza kulinganishwa kutoka Pareto front, TOPSIS yenye kizuizi cha kutegemewa ilitumika. Kikomo cha juu cha LPSP kiliwekwa kuwa 0,4, na uzito wa LCOE na LPSP uliwekwa kwa usawa kuwa 0,5–0,5.

Ni muhimu kutafsiri jedwali kwa usahihi. Modeli ya mstari ya vipande si lazima itoe LPSP ya chini zaidi au LCOE ya chini zaidi katika kila suluhisho moja la TOPSIS. Ugunduzi wa utafiti kwamba “median LPSP inapungua” unahusu mgawanyo mzima wa Pareto; haupaswi kuchanganywa na suluhisho moja lililochaguliwa.

Muundo wa gharama unabadilikaje?

Katika suluhisho za maelewano zilizochaguliwa, jumla ya LCOE iko takribani katika safu ya 0,951–1,002 CNY/kWh. Katika Case 1 na Case 4 zisizo na BESS, mitambo ya upepo inachangia takribani %54–%59 ya jumla ya LCOE.

BESS inapoongezwa, sehemu ya gharama ya upepo hupungua huku sehemu za PV na betri zikiongezeka. Katika Case 2, baada ya kuhamia kwenye modeli ya mstari ya vipande, sehemu ya PV huongezeka kutoka %3,3 hadi %7,7, huku sehemu ya WT ikipungua kutoka %45,4 hadi %38,6. Katika Case 5, sehemu ya PV huongezeka kutoka %6,1 hadi %10,3, huku sehemu ya WT ikishuka kutoka %41,0 hadi %34,4.

Katika Case 3, chini ya modeli ya mstari ya vipande, mchango wa BESS katika LCOE hufikia takribani %24,8. Sababu ni kwamba hakuna PtH katika usanidi huu, hivyo njia kuu ya kuhamisha umeme wa ziada wa upepo na PV kwa wakati ni betri.

Unyeti wa uwezo ulionyesha nini?

Katika Kielelezo 16, kila kijenzi kilipimwa kwa kiwango tofauti huku vingine vikishikiliwa bila kubadilika. Moja ya matokeo yaliyo wazi zaidi ilionekana katika uwezo wa upepo. Uwezo wa WT ulipopunguzwa hadi 0,5 p.u. ya benchmark, LPSP iliongezeka hadi takribani 0,10–0,21 katika hali tano; thamani za benchmark LPSP zilikuwa takribani 0,009–0,064.

Kuongeza uwezo wa upepo mara mbili kuliweza kushusha LPSP hadi chini ya 0,024 katika hali zote, lakini kuliongeza LCOE kwa takribani %31–%49. Kwa hiyo, uwezo zaidi wa upepo huongeza kutegemewa, lakini faida yake ya kiuchumi hupungua hatua kwa hatua.

Kwa TES, tabia iliyo wazi ya “upungufu–kujaa” inaonekana. Safu ya takribani 0,6–1,0 p.u. ndiyo eneo lenye LCOE ya chini zaidi, huku TES zaidi ikitoa mchango mdogo sana wa ziada kwa kutegemewa. Kuongeza TES hadi 2,0 p.u. huongeza LCOE kwa takribani %7–%10 ikilinganishwa na benchmark.

Kupunguza uwezo wa BESS hadi 0,1 p.u. pekee huongeza LPSP hadi takribani 0,12–0,16 katika Case 2, Case 3 na Case 5. BESS inapokaribia kiwango cha benchmark, kutegemewa huboreka haraka; lakini kuongeza uwezo mara mbili hupunguza LPSP kwa kiwango kidogo tu huku ikiongeza LCOE kwa takribani %18–%22.

Power block pia inaonyesha tabia sawa ya kizuizi–kujaa. PB ndogo huzuia ubadilishaji wa joto lililopo katika TES kuwa umeme. Hata hivyo, kuongeza uwezo wa PB hadi 2,0 p.u. kulipandisha LCOE na LPSP juu ya benchmark katika hali zote tano. Watafiti wanahusisha hili na kushindwa kuilisha power block kubwa kwa mzigo wa juu kwa muda wa kutosha na kuzorota kwa ufanisi wa mzigo wa sehemu.

Kwa nini athari ya gharama ya PV kwenye uamuzi wa uwezo ni kubwa?

Katika uchanganuzi wa unyeti wa gharama, gharama za uwekezaji za vipengele zilibadilishwa kati ya mara 0,25–1,50 na uboreshaji wa ngazi mbili ukatekelezwa upya katika kila hatua.

Katika Case 2, gharama ya PV ilipopunguzwa hadi mara 0,25 tu ya thamani ya msingi, median ya uwezo wa PV iliongezeka hadi takribani moduli 5,90×10⁵, huku gharama ilipoongezeka hadi mara 1,50 ikishuka hadi takribani moduli 1,07×10⁴. Katika Case 5, thamani zinazolingana ni takribani 5,28×10⁵ na 1,03×10⁴ moduli.

Kwa hiyo, watafiti wanafafanua “deployment boundary” iliyo wazi inayosukumwa na gharama kwa PV: PV inapokuwa nafuu, suluhisho hukaribia kikomo cha juu cha uwezo; inapokuwa ghali, husogea kuelekea kikomo cha chini cha upangaji.

Hakuna mwitikio wa mstari wa kiwango kilekile katika gharama za EH na HP. Katika Case 2, median ya EH ni 24,6 MW wakati kipengele cha gharama ni 0,25, na 12,0 MW wakati ni 1,50. Katika Case 5, median ya HP huongezeka hadi 16,6 MW kwa kipengele cha gharama cha 0,25, lakini kwa gharama ya msingi na zaidi hubaki karibu na kikomo cha chini cha upangaji cha takribani 10 MW.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba thamani ya kiuchumi ya PtH haiamuliwi na gharama ya kifaa chenyewe pekee. Kiasi cha umeme wa ziada wa nishati mbadala, hitaji la kuchaji TES, unyumbufu wa BESS na mahitaji ya joto ya power block kwa pamoja ni vikwazo.

Nguvu za utafiti ni zipi?

Nguvu muhimu ya utafiti ni kuunganisha upangaji wa uwezo na tatizo la uendeshaji wa muda mfupi katika muundo mmoja. Wakati malengo ya kiuchumi na kutegemewa yanatafutwa katika ngazi ya juu, ngazi ya chini hukagua ikiwa mfumo uliochaguliwa unaweza kweli kuendeshwa chini ya hali za uendeshaji za dakika 5.

Nguvu ya pili ni kuwakilisha tabia zinazotegemea mzigo za power block na pampu ya joto kwa modeli za mstari za vipande zinazofaa kwa MILP. Kwa njia hii, tatizo la upangaji ratiba linalobaki la mstari kabisa na linaloweza kuhesabiwa huhifadhiwa, huku upendeleo wa uwezo unaoweza kusababishwa na ufanisi usiobadilika ukichunguzwa pia.

Mchango wa tatu muhimu ni kwamba BESS na TES hazijashughulikiwa tu kama hifadhi zenye gharama tofauti, bali kama rasilimali zenye vipimo tofauti vya muda wa uendeshaji.

Mapungufu ya utafiti ni yapi?

Utafiti unategemea upangaji ratiba wa kideterministiki wa siku wakilishi. Hali ya uhifadhi inayofuatana katika mwaka mzima wa kikronolojia haifuatiliwi. Siku nne wakilishi zinawakilisha tabia ya hali ya hewa ya mwaka kwa umbo lililopunguzwa; mbinu hii inapunguza mzigo wa mahesabu lakini haihifadhi kikamilifu mienendo ya muda mrefu ya uhifadhi kati ya siku.

Kutokuwa na uhakika wa siku zijazo katika uzalishaji wa upepo na jua, mzigo na ingizo nyingine hakujamodeliwa katika mfumo wa stochastic au robust. Modeli za kina zaidi za kuzeeka/uharibifu kwa BESS na TES pia zimeachwa kama eneo la kazi ya baadaye.

Uwezo wa uwanja wa jua na power block ya 50 MW umeshikiliwa bila kubadilika katika tatizo kuu la upangaji. Kwa hiyo, utafiti haufanyi upimaji wa ukubwa wa optimum ya kimataifa wa kituo kizima cha CSP kuanzia sifuri. Mabadiliko ya uwezo wa SF na PB yalichunguzwa baadaye kama uchanganuzi wa unyeti.

Mikakati ya bei zinazobadilika inayoelekezwa na soko na muundo wa kina zaidi wa uendeshaji wa mwaka mzima pia ni miongoni mwa mada zilizopendekezwa kwa utafiti wa baadaye.

Utafiti unasema nini, na hausimi nini?

Kile ambacho utafiti unasema: Kuzingatia tabia za power block na pampu ya joto zinazotegemea mzigo kunaweza kubadilisha kwa kiwango kidogo viashiria vya jumla vya gharama na kutegemewa, huku kukisambaza upya kwa kiasi kikubwa jalada bora la uzalishaji na uhifadhi. BESS hutoa unyumbufu wa umeme wa muda mfupi, huku TES ikitoa unyumbufu wa joto wa muda mrefu zaidi. Uwezo wa PV, WT, BESS, TES na PB unapaswa kutathminiwa kwa pamoja.

Kile ambacho utafiti hausimi: Hauonyeshi kwamba usanidi mmoja wa mfumo ni bora kwa ulimwengu wote katika jiografia, miundo ya bei au mifumo yote ya umeme. Utafiti haupimi kwa majaribio utendaji wa uwanjani wa kituo halisi. Hauainishi moja kwa moja kiasi cha MW/MWh kinachopaswa kusakinishwa kwa Uturuki au nchi nyingine. Pia hausimi kwamba modeli ya ufanisi usiobadilika haiwezi kutumika katika kila hali; badala yake, unaonyesha umuhimu wa kuzingatia tabia za nje ya hali ya usanifu, hasa katika kuamua jalada la uwezo.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa modeli na data

Vigezo vikuu vya kiufundi

Dhana za kiuchumi

Kiwango cha discount kimechukuliwa kuwa %4, maisha ya jumla ya mfumo miaka 20, maisha ya BESS miaka 10, na maisha ya mizunguko ya betri mizunguko 10.000.

Matokeo muhimu zaidi ya namba

Grafu na migawanyo ya uwezo zinapotathminiwa kwa pamoja, hitimisho kuu la utafiti ni wazi: tabia ya ufanisi nje ya hali ya usanifu hubadilisha matokeo ya upangaji hasa kupitia mgawanyo wa uwezo kati ya teknolojia, badala ya kupitia gharama ya jumla ya mfumo.

Katika mifumo yenye BESS, hutokea mabadiliko kutoka uwezo wa upepo kuelekea PV na betri, huku TES ikibaki thabiti zaidi. Sababu kuu ni kwamba usawazishaji wa haraka upande wa umeme unashughulikiwa na BESS, huku uhamishaji wa muda wa polepole zaidi upande wa joto ukishughulikiwa na TES.

Mahitaji ya utafiti wa baadaye

Watafiti wanapendekeza kwamba katika siku zijazo modeli iongezwe ratiba ya kikronolojia ya mwaka mzima badala ya siku wakilishi, mwendelezo wa SOC ya uhifadhi kati ya siku, kutokuwa na uhakika wa upepo/PV/mzigo, modeli za kina zaidi za uharibifu wa uhifadhi wa umeme na joto, pamoja na mikakati ya uendeshaji wa soko inayotegemea bei zinazobadilika za umeme.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti: Capacity planning for a renewable energy base coupled with a parabolic trough CSP plant considering off-design operating characteristics

Waandishi: Yu Chen, Beiyuan Zhang, Xuanchen Deng, Jiafei Qiao, Zhanwei Liang, Xingpu Zhang, Chao Xu, Xing Ju

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio katika ukurasa wa kichwa wa utafiti umehifadhiwa bila kubadilishwa.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Hakuna tamko la uandishi wa kwanza sawa katika utafiti.

Mwandishi anayewajibika: Xing Ju

Uhusiano wa taasisi: Beijing Laboratory of New Energy Storage Technology, North China Electric Power University, Beijing 102206, PR China; CHN Energy New Energy Technology Research Institute Co., Ltd., Yingcai North Second Street, Future Science City, Changping District, Beijing 102209, PR China.

DOI: Taarifa ya DOI haipo katika toleo hili na rekodi huru rasmi ya DOI haikuweza kuthibitishwa. DOI haijabuniwa.

Jarida: Jina la jarida lililopitiwa na wataalamu halikuweza kuthibitishwa kutoka toleo hili.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN, Abstract 7199512.

Mchapishaji asili: Hakuweza kuthibitishwa kutoka toleo hili.

Mwaka wa uchapishaji: Hakuna mwaka tofauti wa bibliografia wa uchapishaji uliotajwa katika ukurasa wa kichwa. Ingawa marejeo na tarehe za ufikiaji za utafiti zinafikia 2026, mwaka sahihi wa uchapishaji haujakadiriwa kwa sababu haukuthibitishwa kupitia rekodi huru rasmi.

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti inayotegemea uigaji, uundaji modeli wa mfumo wa nishati na uboreshaji.

Hali ya mapitio ya kitaalamu: Utafiti huu ni preprint na haujapitia mapitio ya kitaalamu.

Kiungo rasmi cha preprint: https://ssrn.com/abstract=7199512

Ufadhili/shukrani: Fundamental and Interdisciplinary Disciplines Breakthrough Plan of the Ministry of Education of China, JYB2025XDXM303.

Mchango wa uandishi wa CRediT: Hakuna CRediT authorship contribution statement tofauti iliyotambuliwa katika toleo hili.

Upatikanaji wa data: Hakuna Data Availability Statement tofauti iliyotambuliwa katika toleo hili.

Mgongano wa maslahi: Hakuna tamko tofauti la mgongano wa maslahi lililotambuliwa katika toleo hili.

Maelezo ya kisayansi katika maudhui haya yanategemea tu modeli, fomula, majedwali, grafu na matokeo ya utafiti wenyewe. Hakuna matokeo mapya ya kisayansi yaliyoongezwa kutoka nje.

Kikomo kikuu cha kimethodolojia cha utafiti ni uboreshaji wa uendeshaji unaotegemea siku nne wakilishi za kideterministiki. Mwendelezo kamili wa SOC wa mwaka wa kikronolojia, tabia ya uhifadhi wa muda mrefu kati ya siku na kutokuwa na uhakika wa hali ya hewa/mzigo havijamodeliwa moja kwa moja. Aidha, katika tatizo kuu la upangaji, uwezo wa uwanja wa jua na power block umebainishwa mapema. Kwa hiyo, matokeo hayapaswi kufasiriwa kama uboreshaji wa pamoja wa usanifu wa vipengele vyote vya kituo cha CSP kuanzia sifuri.