Στοχαστική προσομοίωση και βελτιστοποίηση υβριδικού συστήματος ανανεώσιμης ενέργειας

Abstract

Εξετάζεται ένα αυτόνομο υβριδικό σύστημα που αποτελείται από φωτοβολταϊκά πάνελ, αιολικές μηχανές, δύο ταμιευτήρες με κατάλληλη υψομετρική διαφορά και έναν αντλιοστρόβιλο. Η ενέργεια παράγεται από τις αιολικές μηχανές και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Ο αντλιοστρόβιλος χρησιμοποιείται για την αποθήκευση και την αξιοποίηση της ενέργειας με αποκλειστική πηγή τον άνεμο και την ηλιακή ακτινοβολία. Ζητούμενο του σχεδιασμού είναι η κατάλληλη εκτίμηση των μεγεθών του συστήματος ώστε να ικανοποιείται η ζήτηση ενέργειας αξιόπιστα με το μικρότερο κόστος. Η προσέγγιση που επιλέγεται για την αντιμετώπιση του προβλήματος σχεδιασμού είναι μέσω ενός στοχαστικού μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος με ημερήσιο χρονικό βήμα. Συγκεκριμένα δημιουργείται η συνθετική χρονοσειρά της ζήτησης ενέργειας, ώστε να αντιστοιχεί σε 100 000 άτομα, χρησιμοποιώντας την ιστορική χρονοσειρά της κατανάλωσης ενέργειας της ηπειρωτικής Ελλάδας. Επίσης δημιουργούνται οι συνθετικές χρονοσειρές της ταχύτητας ανέμου και της διάρκειας ηλιοφάνειας με χρήση πολυμεταβλητού μοντέλου που διατηρεί την εμμονή με χρήση μετεωρολογικών δεδομένων από σταθμό στην νότια Αττική (37.89N 23.71W). Αναλύεται η μεθοδολογία μετατροπής της διάρκειας ηλιοφάνειας σε ηλιακή ακτινοβολία και ο τρόπος υπολογισμού της ηλιακής ενέργειας. Όσον αφορά την αιολική ενέργεια αναλύεται ο τρόπος υπολογισμού της αντιμετωπίζοντας την επιρροή του ημερήσιου χρονικού βήματος. Συσχετίζονται με θεωρητικές σχέσεις μεγέθη του ταμιευτήρα που είναι απαραίτητα στην προσομοίωση του συστήματος. Αναλύεται ο τρόπος υπολογισμού του κόστους, που αποτελεί την αντικειμενική συνάρτηση που εισάγεται στο γενετικό αλγόριθμο με ζητούμενο την ελαχιστοποίηση της. Ο περιορισμός που εισάγεται είναι η αστοχία να είναι μικρότερη ή ίση του 100 στο μήκος προσομοίωσης των 182 500 ημερών. Εφαρμόζεται η διαδικασία βελτιστοποίησης για διαφορετικές γωνίες κλίσης των ηλιακών πάνελ ώστε να προκύψει η βέλτιστη. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά που προέκυψαν από συνθετικές χρονοσειρές με τα ίδια στατιστικά χαρακτηριστικά χωρίς όμως την δυναμικήHurst. Εξετάζονται επίσης σενάρια με περιορισμό στον αριθμό των ανεμογεννητριών και γίνεται ανάλυση ευαισθησίας στον εξυπηρετούμενο πληθυσμό.

Αn autonomous hybrid system is being analysed, which consists of photovoltaic panels, wind machines, two reservoirs with suitable height difference, and onepump-turbine. The energy is generated by wind machines and solar cells. The pump-turbine is used for the storage and utilization of energy, using wind and solar radiation as its exclusive sources. The objective of the design is to properly assess the size of the system in order to satisfy energy demands reliably at the lowest cost. The chosen approach to address the design problem is by a stochastic simulation model of system operations with a daily time step. Specifically, a synthetic time series of energy demand is created to correspond to 100 000 people, using the historical time series of energy consumption in continental Greece. The synthetic time series of wind speed and sunshine duration are also generated using a multivariable model that maintains persistence using data from a meteorological station in southern Attica (37.89N 23.71W). We analyze the methodology of converting sunshine duration to solar radiation and the way solar energy is calculated. As for the wind energy, its calculation method is analyzed by addressing the influence of the daily time step. The correlation with theoretical functions of reservoir characteristics is necessary to simulate the system. The calculation of the cost is analysed, which is the objective function introduced into the genetic algorithm in order to be minimized. The introduced restriction is that the failure is less than or equal to 100 in length simulation of 182 500 days. We apply the procedure of optimization to different angles of solar panels in order to obtain the optimum one. The results are compared with those derived from synthetic time series with the same statistical characteristics but without the Hurst dynamic. We also examine scenarios with a limited number of wind turbines and perform a sensitivity analysis to the served population.