Simulation, design study and optimization of small hybrid RES energy systems for electrification of remote communities

Abstract

Η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών απομακρυσμένων αγροτικών περιοχών, βασίζεται συνήθως σε αυτόνομους ενεργειοβόρους και επιβαρυντικούς για το περιβάλλον πετρελαιοκίνητους σταθμούς παραγωγής ή σε ασύμφορες επεκτάσεις του εθνικού δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Αποδεκτή λύση του προβλήματος, τόσο από πλευράς οικονομίας όσο και από πλευράς περιβαλλοντολογικών επιπτώσεων, μπορεί να προσφέρει η ανάπτυξη μικρού μεγέθους υβριδικών συστημάτων, τα οποία συνδυάζουν διαφορετικές πλην όμως συμπληρωματικές τεχνολογίες. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, παρουσιάζουμε το θεωρητικό υπόβαθρο της ηλεκτροδότησης απομακρυσμένων περιοχών αλλά και των εννοιών της υδροηλεκτρικής ενέργειας, της αιολικής ενέργειας και των φωτοβολταϊκών. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζουμε ανάλυση και βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός υβριδικού συστήματος παραγωγής ενέργειας, το οποίο έχει τη δυνατότητα να συνδυάσει υδροηλεκτρική ενέργεια, αιολική ενέργεια και φωτοβολταϊκά, όπως επίσης και μπαταρίες για αποθήκευση ενέργειας και γεννήτριες για περιπτώσεις ανάγκης. Για τις ανάγκες μελέτης και ανάπτυξης της μεθόδου που παρουσιάζουμε, επιλέξαμε την περιοχή Western Ghats (Kerala) της Ινδίας, για την οποία συγκεντρώσαμε διαθέσιμα στοιχεία μέσων ωριαίων φορτίων ζήτησης, ταχύτητας του ανέμου και ηλιακής ακτινοβολίας. Λαμβάνοντας υπ’ όψη μας τα εν λόγω στοιχεία, αναπτύξαμε με FORTRAN έναν επαναληπτικό αλγόριθμο, προκειμένου να αναδείξουμε τους δυνατούς συνδυασμούς όλων των συνιστωσών του υβριδικού συστήματος, δια των οποίων θα εξασφαλίζεται 24ωρη ηλεκτροδότηση της συγκεκριμένης περιοχής (και κατ’ επέκταση κάθε παρόμοιας απομακρυσμένης περιοχής). Τα αποτελέσματα του αλγόριθμου, αναπαριστάνουν την παροχή ισχύος κατά την διάρκεια ενός μέσου 24ώρου καθώς και άλλα δεδομένα, όπως το κόστος των συνδυασμών. Έτσι, καταδεικνύονται τα πλεονεκτήματα του συστήματος έναντι της επέκτασης του πλησιέστερου υπάρχοντος δικτύου διανομής ή της χρήσης πετρελαιοκίνητων γεννητριών. Επίσης, η εργασία αυτή, καταλήγει με την ανάδειξη των βέλτιστων συνδυασμών μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση του κόστους ανά κιλοβατώρα, όπως και η ελαχιστοποίηση της χρήσης των γεννητριών. Η διαδικασία βελτιστοποίησης πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό EASY. Τέλος, γίνεται σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων του αλγορίθμου και του λογισμικού βελτιστοποίησης.

Small-sized hybrid power systems may be designed to solve the power supply problem in some rural areas. In most of these areas the energy production is mainly based on energy-intensive and polluting autonomous diesel generator units or on a really expensive and hardly advantageous grid extension. Therefore, the development of hybrid systems that combine different but complementary renewable energy technologies can offer solutions both in the environmental pollution and the economical problem. The subject of this diploma thesis, is the electrification of remote areas. In the first part, the theoretical background of the electrification of such areas is presented, as well as the main characteristics of hydropower, wind power and photovoltaics. In the second one, the operation of a hybrid wind-hydro-solar power generation system with batteries for power storage and diesel generators for emergencies is analyzed and optimized. In order to find the combinations of the hybrid system’s components that can provide 24h electrification of a remote area, an iterative algorithm written in FORTRAN was developed. The proposed method has been tested by taking into consideration the annual average hourly values of the load demand, wind speed, insolation and water flow that the hybrid generation system would meet in Western Ghats (Kerala), India. The results of this algorithm depict the power distribution throughout an average day and other data like the costs of the combinations, which prove the advantages of the system over constructing an extension to the nearest existing distribution line or using diesel generators. Furthermore, an optimization software (EASY) was used to find the optimal combination that would minimize the cost per kWh and the use of diesel generators. Comparison between the results of the algorithm and the optimization procedure was made.