Design of an optimized photovoltaic and microturbine hybrid power system for a remote small community: Case study of Palestine - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Energy Conversion and Management Année : 2013

Entwurf eines optimierten Photovoltaik- und Mikroturbinen-Hybridstromsystems für eine abgelegene kleine Gemeinde: Fallstudie aus Palästina

Design of an optimized photovoltaic and microturbine hybrid power system for a remote small community: Case study of Palestine

Diseño de un sistema de energía híbrido fotovoltaico y de microturbinas optimizado para una pequeña comunidad remota: estudio de caso de Palestina

طراحی یک سیستم قدرت هیبریدی فتوولتائیک و میکروتوربین بهینه برای یک جامعه کوچک از راه دور: مطالعه موردی فلسطین

Conception d'un système électrique hybride photovoltaïque et microturbine optimisé pour une petite communauté isolée : étude de cas de la Palestine

Résumé

Unter Hybridsystemen versteht man Systeme, die mehr als eine Energiequelle nutzen, um eine bestimmte Last zu versorgen. Die Implementierung eines auf Photovoltaik (PV) basierenden Hybridsystems zur Stromversorgung abgelegener und isolierter Standorte gilt als praktikable Option. Dies gilt insbesondere für Gebiete, die jährlich ausreichend Sonneneinstrahlung erhalten. Während die Analyse von Hybridsystemen, die auf Dieselgeneratoren als Backup-Quellen angewiesen sind, in vielen früheren Forschungsarbeiten zu finden ist, wird eine detaillierte technisch-ökonomische Analyse von Hybridsystemen, die auf Mikroturbinen als Backup-Quellen angewiesen sind, weniger behandelt. In diesem Dokument werden eine technisch-ökonomische Analyse und der Entwurf eines kompletten Hybridsystems vorgestellt, das aus Photovoltaik (PV)-Modulen, einem Batteriesystem und einer Mikroturbine als Notstromquelle für eine abgelegene Gemeinde besteht. Die Untersuchung der Machbarkeit der Nutzung der Mikroturbinen als Backup-Quellen in den Hybridsystemen ist eines der Ziele dieser Studie. In diesem Artikel wurden auch ein Szenario untersucht, das auf einem eigenständigen PV-System basiert, und ein anderes Szenario, das nur auf einer Mikroturbine basiert. Außerdem wurde der Vergleich verschiedener Szenarien hinsichtlich Energiekosten und Schadstoffemissionen durchgeführt. Ein Simulationsprogramm wurde entwickelt, um sowohl die Größe der PV-Anlage als auch der Batteriebank zu optimieren und somit die detaillierten Spezifikationen der verschiedenen Komponenten zu bestimmen, aus denen das Hybridsystem besteht. Außerdem wurde die Optimierung des PV-Neigungswinkels durchgeführt, um die jährliche Energieproduktion zu maximieren. Die Auswirkung der Variation einiger Parameter auf die Energiekosten wurde ordnungsgemäß bewertet. Die Stromversorgung einer ländlichen Gemeinde allein mit einer Mikroturbine weist im Vergleich zu einem Hybridsystem, bei dem eine Kombination aus PV-Modulen, Batteriebank und Mikroturbine verwendet wurde, auf niedrigere Werte der Energiekosten (COE) hin. Der Unterschied ist sehr gering und die Berücksichtigung der Umweltauswirkungen der Mikroturbine wird das Hybridsystem mit begrenzten Betriebsstunden der Mikroturbine sicherlich attraktiver machen. Darüber hinaus wird aus der Sensitivitätsanalyse deutlich, dass jede Senkung des Preises der PV-Module oder jede Erhöhung des Erdgaspreises das Hybridsystem wirtschaftlich und ökologisch attraktiver machen wird.
Hybrid systems are defined as systems that utilize more than one energy source to supply a certain load. The implementation of a hybrid system that is based upon Photovoltaic (PV) to supply power to remote and isolated locations is considered a viable option. This is especially true for areas that receive sufficient amounts of annual solar radiation. While analysis of hybrid systems that depend on diesel generators as backup sources can be found in many previous research works, detailed techno economic analysis of hybrid systems that depend on microturbines as backup sources are less addressed. A techno-economic analysis and the design of a complete hybrid system that comprises of Photovoltaic (PV) panels, a battery system, and a microturbine as a backup power source for a remote community is presented in this paper. The investigation of the feasibility of using the microturbines as backup sources in the hybrid systems is one of the purposes of this study. A scenario depending on PV standalone system and other scenario depending on microturbine only were also studied in this paper. The comparison between different scenarios with regards to the cost of energy and pollutant emissions was also conducted. A simulation program was developed to optimize both the sizes of the PV system and the battery bank, and consequently determine the detailed specifications of the different components that make up the hybrid system. The optimization of the PV tilt angle that maximizes the annual energy production was also carried out. The effect of the variation of some parameters on the cost of energy was duly evaluated. Powering a rural community using microturbine alone indicates lower values of cost of energy (COE) production compared to the hybrid system in which a combination of PV panels, battery bank and microturbine has been used. The difference is very small and taking into account the environmental effect of the microturbine surely will make the hybrid system with limited running hours of the microturbine more attractive. Furthermore, as it is obvious from the sensitivity analysis, any reduction in the price of the PV panels or any increase in the natural gas price will make the hybrid system economically and environmentally more attractive.
Los sistemas híbridos se definen como sistemas que utilizan más de una fuente de energía para suministrar una determinada carga. La implementación de un sistema híbrido basado en energía fotovoltaica (PV) para suministrar energía a lugares remotos y aislados se considera una opción viable. Esto es especialmente cierto en áreas que reciben cantidades suficientes de radiación solar anual. Si bien el análisis de sistemas híbridos que dependen de generadores diésel como fuentes de respaldo se puede encontrar en muchos trabajos de investigación anteriores, el análisis tecnoeconómico detallado de los sistemas híbridos que dependen de microturbinas como fuentes de respaldo se aborda menos. En este artículo se presenta un análisis tecnoeconómico y el diseño de un sistema híbrido completo que consta de paneles fotovoltaicos (PV), un sistema de baterías y una microturbina como fuente de energía de respaldo para una comunidad remota. La investigación de la viabilidad de utilizar las microturbinas como fuentes de respaldo en los sistemas híbridos es uno de los propósitos de este estudio. En este artículo también se estudiaron un escenario que depende de un sistema fotovoltaico independiente y otro escenario que depende únicamente de una microturbina. También se realizó la comparación entre diferentes escenarios en cuanto al coste de la energía y las emisiones contaminantes. Se desarrolló un programa de simulación para optimizar tanto los tamaños del sistema fotovoltaico como del banco de baterías, y en consecuencia determinar las especificaciones detalladas de los diferentes componentes que componen el sistema híbrido. También se llevó a cabo la optimización del ángulo de inclinación fotovoltaico que maximiza la producción anual de energía. Se evaluó debidamente el efecto de la variación de algunos parámetros sobre el costo de la energía. Alimentar una comunidad rural utilizando únicamente microturbinas indica valores más bajos de costo de producción de energía (COE) en comparación con el sistema híbrido en el que se ha utilizado una combinación de paneles fotovoltaicos, bancos de baterías y microturbinas. La diferencia es muy pequeña y teniendo en cuenta el efecto medioambiental de la microturbina seguramente hará más atractivo el sistema híbrido con horas de funcionamiento limitadas de la microturbina. Además, como resulta evidente del análisis de sensibilidad, cualquier reducción en el precio de los paneles fotovoltaicos o cualquier aumento en el precio del gas natural hará que el sistema híbrido sea más atractivo económica y ambientalmente.
سیستم های هیبریدی به سیستم هایی گفته می شود که از بیش از یک منبع انرژی برای تامین یک بار معین استفاده می کنند. اجرای یک سیستم هیبریدی که مبتنی بر فتوولتائیک (PV) برای تامین برق مکان‌های دورافتاده و ایزوله است، یک گزینه مناسب در نظر گرفته می‌شود. این امر به ویژه برای مناطقی که مقادیر کافی تابش خورشیدی سالانه دریافت می کنند صادق است. در حالی که تجزیه و تحلیل سیستم های هیبریدی که به ژنراتورهای دیزلی به عنوان منابع پشتیبان وابسته هستند را می توان در بسیاری از کارهای تحقیقاتی قبلی یافت، تجزیه و تحلیل اقتصادی اقتصادی دقیق سیستم های هیبریدی که به میکروتوربین ها به عنوان منابع پشتیبان وابسته هستند کمتر مورد توجه قرار گرفته است. یک تحلیل فنی-اقتصادی و طراحی یک سیستم ترکیبی کامل که شامل پانل‌های فتوولتائیک (PV)، یک سیستم باتری و یک میکروتوربین به‌عنوان منبع تغذیه پشتیبان برای یک جامعه از راه دور است، در این مقاله ارائه شده است. بررسی امکان سنجی استفاده از میکروتوربین ها به عنوان منابع پشتیبان در سیستم های هیبریدی یکی از اهداف این مطالعه است. یک سناریو بسته به سیستم مستقل PV و سناریوهای دیگر بسته به تنها میکروتوربین نیز در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفت. مقایسه بین سناریوهای مختلف با توجه به هزینه انرژی و انتشار آلاینده ها نیز انجام شد. یک برنامه شبیه‌سازی برای بهینه‌سازی اندازه‌های سیستم PV و بانک باتری و در نتیجه تعیین مشخصات دقیق اجزای مختلف که سیستم هیبریدی را تشکیل می‌دهند، توسعه داده شد. بهینه‌سازی زاویه شیب PV که تولید انرژی سالانه را به حداکثر می‌رساند نیز انجام شد. تأثیر تغییر برخی پارامترها بر هزینه انرژی به درستی ارزیابی شد. تامین انرژی یک جامعه روستایی با استفاده از میکروتوربین به تنهایی نشان دهنده مقادیر کمتر هزینه تولید انرژی (COE) در مقایسه با سیستم هیبریدی است که در آن ترکیبی از پانل های PV، بانک باتری و میکروتوربین استفاده شده است. این تفاوت بسیار ناچیز است و با در نظر گرفتن تأثیر محیطی میکروتوربین مطمئناً سیستم هیبریدی با ساعات کار محدود میکروتوربین جذاب تر خواهد شد. علاوه بر این، همانطور که از تجزیه و تحلیل حساسیت مشخص است، هر گونه کاهش قیمت پانل های PV یا افزایش قیمت گاز طبیعی، سیستم هیبریدی را از نظر اقتصادی و زیست محیطی جذاب تر می کند.
Les systèmes hybrides sont définis comme des systèmes qui utilisent plusieurs sources d’énergie pour alimenter une certaine charge. La mise en œuvre d'un système hybride basé sur le photovoltaïque (PV) pour alimenter des sites éloignés et isolés est considérée comme une option viable. Cela est particulièrement vrai pour les zones qui reçoivent des quantités suffisantes de rayonnement solaire annuel. Alors que l'analyse des systèmes hybrides qui dépendent de générateurs diesel comme sources de secours peut être trouvée dans de nombreux travaux de recherche antérieurs, l'analyse technico-économique détaillée des systèmes hybrides qui dépendent de microturbines comme sources de secours est moins abordée. Une analyse technico-économique et la conception d'un système hybride complet comprenant des panneaux photovoltaïques (PV), un système de batterie et une microturbine comme source d'alimentation de secours pour une communauté éloignée sont présentées dans cet article. L'étude de la faisabilité de l'utilisation des microturbines comme sources de secours dans les systèmes hybrides est l'un des objectifs de cette étude. Un scénario dépendant d'un système PV autonome et un autre scénario dépendant uniquement d'une microturbine ont également été étudiés dans cet article. La comparaison entre différents scénarios en matière de coût de l'énergie et d'émissions polluantes a également été réalisée. Un programme de simulation a été développé pour optimiser à la fois les tailles du système photovoltaïque et du parc de batteries, et par conséquent déterminer les spécifications détaillées des différents composants qui composent le système hybride. L'optimisation de l'angle d'inclinaison du PV qui maximise la production annuelle d'énergie a également été réalisée. L'effet de la variation de certains paramètres sur le coût de l'énergie a été dûment évalué. Alimenter une communauté rurale à l’aide d’une microturbine seule indique des valeurs de coût de production énergétique (COE) inférieures à celles du système hybride dans lequel une combinaison de panneaux photovoltaïques, d’un parc de batteries et d’une microturbine a été utilisée. La différence est très faible et la prise en compte de l'effet environnemental de la microturbine rendra sûrement plus attrayant le système hybride avec des heures de fonctionnement limitées de la microturbine. De plus, comme le montre clairement l’analyse de sensibilité, toute réduction du prix des panneaux photovoltaïques ou toute augmentation du prix du gaz naturel rendra le système hybride plus attractif sur les plans économique et environnemental.

Dates et versions

hal-04324901 , version 1 (05-12-2023)

Identifiants

Citer

M.S. Ismail, Mahmoud Moghavvemi, T.M.I. Mahlia. Design of an optimized photovoltaic and microturbine hybrid power system for a remote small community: Case study of Palestine. Energy Conversion and Management, 2013, 75, pp.271-281. ⟨10.1016/j.enconman.2013.06.019⟩. ⟨hal-04324901⟩
18 Consultations
0 Téléchargements

Altmetric

Partager

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More