Многоцелевое определение размеров и оптимизация производительности автономных гибридных возобновляемых микросетей: тематическое исследование в Янбу, Саудовская Аравия

Электропитание для удалённых домов

Надёжное электроснабжение по‑прежнему остаётся проблемой для многих изолированных сообществ, особенно в жарких сухих районах, где подведение магистральной сети слишком дорого. В этом исследовании рассматривается, как небольшие автономные энергосистемы — так называемые гибридные микросети — могут использовать солнечную радиацию, ветер, аккумуляторы и небольшой дизель‑генератор, чтобы круглосуточно обеспечивать дома в Янбу (Саудовская Аравия) электричеством, и как правильно подобрать размер каждого компонента, чтобы электроэнергия была одновременно надёжной и доступной по цене.

Небольшие сети на основе солнца и ветра

Микросеть, изученная в этой работе, рассчитана на группы из пяти, десяти или пятнадцати домов, расположенных далеко от основной сети. В её основе — солнечные панели и ветряные турбины, использующие сильное солнце и приличный прибрежный ветер региона. Они связаны с аккумуляторным блоком, который аккумулирует избыточную энергию, и дизель‑генератором, который включается только тогда, когда возобновляемые источники и запасенная энергия недостаточны. Вместе они образуют автономную систему, работающую как небольшой локальный энергетический узел, обеспечивая освещение, бытовые приборы и другие потребности домохозяйств.

Баланс стоимости, надёжности и чистой энергии

Проектирование такой системы не сводится к простому увеличению числа панелей и аккумуляторов. Слишком крупная система неоправданно дорога; слишком маленькая приводит к отключениям. Поэтому авторы рассматривают проект как многокритериальную задачу с тремя целями: снизить среднюю стоимость электроэнергии за весь срок службы системы, уменьшить вероятность того, что микросеть не сможет удовлетворить спрос, и увеличить долю энергии, поступающей из возобновляемых источников, а не из дизеля. Вместо выбора одной цели с компромиссом по остальным, они ищут комбинации оборудования, которые обеспечивают разные сочетания компромиссов между всеми тремя критериями.

Поиск лучших проектов, вдохновлённый природой

Чтобы исследовать многочисленные возможные сочетания солнечных панелей, ветряков, аккумуляторов и дизель‑агрегатов, в исследовании применяются два натуралистических вычислительных алгоритма. Один имитирует то, как цепочки мелких морских организмов — сальпы — сближаются с пищей; другой основан на спиральных охотничьих паттернах горбатых китов. В этом контексте каждая «особь» представляет собой кандидатный проект микросети. По мере того как симулированный рой или стая перемещается по пространству решений, он проверяет разные размеры оборудования с использованием подробной поминутной (покадровой) модели погоды, солнечной радиации, скоростей ветра и бытового энергопотребления в Янбу. За большое число итераций худшие решения отбрасываются, лучшие уточняются, формируя множество вариантов, которые по‑разному балансируют стоимость, надёжность и долю возобновляемой энергии.

Что происходит с ростом сообществ

Исследователи сравнивают системы с дизельным резервом и без него для трёх размеров сообществ. Когда используются только солнце, ветер и аккумуляторы, электричество выходит дешевле, но риск дефицита энергии выше, особенно при больших нагрузках или в периоды длительной пасмурной и безветренной погоды. Добавление дизель‑генератора повышает стоимость несколько, но значительно улучшает надёжность и снижает риск отключений до очень низкого уровня. Интересно, что по мере увеличения числа домов с пяти до пятнадцати оптимизированные проекты склоняются в сторону большей роли солнца и ветра и меньшей — дизеля. Большие сообщества могут оправдать более крупную возобновляемую мощность, что поднимает долю возобновляемой энергии выше 80–90% при сохранении конкурентоспособной средней стоимости за киловатт‑час по сравнению со многими традиционными внепроводными решениями.

Сравнение алгоритмов

Оба метода поиска находят сильные варианты проектов, но проявляют преимущества в немного разных аспектах. Подход на основе сальп даёт более разнообразный набор качественных решений, предоставляя планировщикам большую гибкость в выборе между различными сочетаниями стоимости, надёжности и доли возобновляемой энергии. Метод, вдохновлённый китами, чаще находит проекты с особенно привлекательной стоимостью, хотя иногда с несколько более узким набором вариантов. Анализ распределения решений по кривой компромиссов показывает, что сочетание продвинутой оптимизации с реалистичными моделями погоды, характеристик оборудования и бытового потребления может выявить закономерности, которые трудно обнаружить методом проб и ошибок.

Что это означает для удалённых сообществ

Практически эта работа даёт дорожную карту по проектированию автономных энергосистем, которые обеспечивают удалённые дома надёжным электроснабжением, опираясь преимущественно на солнце и ветер при тщательно рассчитанном дизельном резерве. Исследование показывает, что особенно по мере роста сообществ гибридные микросети могут достигать высокого уровня использования чистой энергии без удорожания электроэнергии или потери надёжности. Для планировщиков и политиков в засушливых прибрежных районах, подобных Янбу — и во многих аналогичных местах по всему миру — предложенная методика представляет способ превратить местные возобновляемые ресурсы в стабильные, масштабируемые сетевые решения на уровне квартала, поддерживающие современный образ жизни и уменьшающие зависимость от ископаемого топлива.

Цитирование: Saleh, A.A., Magdy, G. Multi-objective sizing and performance optimization of islanded hybrid renewable microgrids: a case study in yanbu, Saudi Arabia. Sci Rep 16, 12743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47028-1

Ключевые слова: гибридная микросеть, возобновляемая энергия, солнечная и ветровая энергия, внепроводное электрифицирование, энергетическое накопление