Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng và chi phí trong các tòa nhà thông minh sử dụng nguồn tài nguyên tái tạo
Optimizing power system efficiency and costs in smart buildings with renewable resources
| Tác giả | Ge Sun |
| Ngày đăng tải | 27/08/2024 |
| DOI | 10.1016/j.asej.2024.103014 |
| Nguồn bài nghiên cứu | Science Direct |
| Từ khóa | Quản lý năng lượng
Tòa nhà thông minh Quang điện mặt trời (Photovoltaics) Thuật toán tối ưu hóa Whale KNX protocol |
1 – GIỚI THIỆU
Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đã thúc đẩy việc tối ưu hóa sử dụng nguồn năng lượng sẵn có và triển khai các nguồn tài nguyên tái tạo. Quản lý năng lượng hiệu quả, mô hình hóa tối ưu và lập kế hoạch chính xác là yếu tố cần thiết để biến hệ thống năng lượng thành một mô hình hiệu suất cao và tối ưu. Nghiên cứu này tập trung vào bước đầu tiên của việc mô hình hóa các tòa nhà thông minh (SBs) được trang bị thiết bị không phản hồi và các nguồn năng lượng quang điện tái tạo. Một kế hoạch quản lý năng lượng toàn diện được thiết kế, tích hợp giao thức KNX để quản lý hệ thống năng lượng mặt trời. Pin được tích hợp trong mô hình để lưu trữ năng lượng trong thời gian tiêu thụ thấp và hoạt động như các máy phát điện trong điều kiện tải đỉnh, với mục tiêu chính là giảm tổn thất hệ thống năng lượng và chi phí liên quan. Để giải quyết sự phức tạp của mô hình, thuật toán tối ưu hóa Whale (WOA) được áp dụng. Các nút ứng viên tối ưu được chọn để quản lý tòa nhà liên kết, dựa trên phân tích độ nhạy được đề xuất nhằm giảm thiểu tổn thất. Hiệu suất chi phí sau đó được đánh giá, cân nhắc giữa sản xuất và bán năng lượng. Kết quả cho thấy việc quản lý chiến lược quá trình sạc/xả pin và sử dụng các đơn vị quang điện có thể kiểm soát đáng kể chi phí vận hành. Mô hình được kiểm tra trên một hệ thống thử nghiệm gồm 30 nút, chứng minh tính hiệu quả trong việc nâng cao hiệu suất và quản lý năng lượng.
2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG
Hệ thống nghiên cứu là mô hình tòa nhà thông minh tích hợp các thiết bị như hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BES), bảng quang điện (PV), và các thiết bị thông minh. Giao thức KNX được sử dụng để điều khiển việc sạc và xả pin, tối ưu hóa sự tương tác giữa các thiết bị tiêu thụ và sản xuất năng lượng. Hệ thống cho phép bán năng lượng dư thừa từ các tấm pin PV trở lại mạng lưới phân phối, mang lại hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, hệ thống bao gồm các thành phần như cảm biến, hệ thống chiếu sáng thông minh, và báo cháy, tất cả đều được giám sát và quản lý tập trung.
3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu áp dụng thuật toán tối ưu hóa Whale (WOA) để giải quyết bài toán mô hình hóa và quản lý năng lượng. Hệ thống được mô phỏng dựa trên dữ liệu thực tế về mức tiêu thụ năng lượng, thông số của các tấm PV và pin. Các phân tích được thực hiện để tối ưu hóa thời điểm sạc/xả pin và sử dụng năng lượng từ PV. Mô hình này được kiểm tra trên hệ thống 30 nút IEEE, nơi hiệu suất của các giải pháp được đánh giá dựa trên độ nhạy tổn thất, chi phí tiêu thụ hàng ngày và tính ổn định điện áp.
4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Kết quả cho thấy hệ thống quản lý năng lượng thông minh giúp giảm 25–30% tổn thất năng lượng so với hệ thống thông thường. Hiệu suất ổn định điện áp cải thiện từ 0.9038 lên 0.93446 đơn vị, và tỷ lệ tổn thất giảm từ 13% xuống còn 5%. Về mặt chi phí, việc tích hợp pin và PV trong mô hình giảm chi phí tiêu thụ điện từ $5040 xuống còn $4280 mỗi ngày. Thời gian hoàn vốn của hệ thống được xác định trong khoảng 2.5–3 năm, khẳng định tính khả thi kinh tế của mô hình này.
5 – KẾT LUẬN
Mô hình được đề xuất đã chứng minh khả năng tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống năng lượng trong các tòa nhà thông minh. Việc tích hợp PV và hệ thống lưu trữ năng lượng không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn thúc đẩy việc quản lý năng lượng bền vững. Những kết quả này cung cấp một giải pháp đầy tiềm năng cho các tòa nhà thông minh trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng.
