Analysis and optimization of hybrid renewable energy systems

• Autorzy: Palej Patryk , Qusay Hassan , Kleszcz Sławosz , Hanus Robert , Jaszczur Marek

Identyfikatory

DOI

10.33223/epj/109911

Warianty tytułu

PL

Analiza i optymalizacja hybrydowego systemu bazującego na odnawialnych źródłach energii

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hybrid Renewable Energy Systems connected to the traditional power suppliers are an interesting technological solution in the field of energy engineering and the integration of renewable systems with other energy systems can significantly increase in energy reliability. In this paper, an analysis and optimization of the hybrid energy system, which uses photovoltaic modules and wind turbines components connected to the grid, is presented. The system components are optimized using two objectives criteria: economic and environmental. The optimization has been performed based on the experimental data acquired for the whole year. Results showed the optimal configuration for the hybrid system based on economical objective, that presents the best compromise between the number of components and total efficiency. This achieved the lowest cost of energy but with relatively high CO₂ emissions, while environmental objective results with lower CO₂ emissions and higher cost of energy and presents the best compromise between the number of components and system net present cost. It has been shown that a hybrid system can be optimized in such a way that CO₂ emission is maximally reduced and – separately – in terms of reducing the cost. However, the study shows that these two criteria cannot be optimized at the same time. Reducing the system cost increase CO₂ emission and enhancing ecological effect makes the system cost larger. However, depends on strategies, a balance between different optimization criteria can be found. Regardless of the strategy used economic criteria – which also indirect takes environmental aspects as a cost of penalties – should be considered as a major criterion of optimization while the other objectives including environmental objectives are less important.

PL

Energia elektryczna produkowana z dostępnej powszechnie energii odnawialnej ze względu na nieprzewidywalność wytwarzania ma często bardzo niską jakość. Rozwiązaniem tego problem mogą być układy hybrydowe, w których systemy bazujące na energii odnawialnej połączone zostają z tradycyjnymi systemami bazującymi na energii nieodnawialnej. Integracja takich układów może znacząco zwiększyć ich niezawodność energetyczną i poprawić jakość dostaw energii. W niniejszym artykule przedstawiono analizę oraz optymalizację hybrydowego systemu energetycznego wykorzystującego moduły fotowoltaiczne oraz turbiny wiatrowe i podłączonego do sieci elektroenergetycznej. Komponenty systemu podlegają optymalizacji przy wykorzystaniu dwóch kryteriów optymalizacyjnych: ekonomicznego i środowiskowego. Optymalizacja została przeprowadzona w oparciu o wyniki pomiarów eksperymentalnych dla całego roku. Uzyskane wyniki pozwoliły na określenie optymalnej konfiguracji systemu hybrydowego, który stanowi najlepszy kompromis między liczbą komponentów a całkowitą jego wydajnością. Wykazano, że system hybrydowy można zoptymalizować w taki sposób, aby emisja CO₂ była minimalna lub w taki sposób, aby całkowity koszty systemu NPC był minimalny. Przeprowadzone analizy pokazują jednak, że tych dwóch kryteriów nie można jednocześnie zoptymalizować. Zmniejszenie emisji CO₂, a tym samym zwiększenie efektu ekologicznego sprawia, że system kosztuje znacznie więcej. Niezależnie od zastosowanej strategii kryterium ekonomiczne, które pośrednio uwzględnia aspekty środowiskowe (w postaci kar lub opłat środowiskowych), powinno być traktowane jako główne kryterium optymalizacji, natomiast inne kryteria, w tym środowiskowe, należy traktować jako drugorzędne.

Słowa kluczowe

EN

hybrid system; renewable sources of energy; energy safety; optimization

PL

optymalizacja; odnawialne źródła energii; bezpieczeństwo energetyczne; system hybrydowy

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Polityka Energetyczna
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 22, z. 2
• Strony: 107--120
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Palej Patryk

• AGH University of Science and Technology Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Krakow

autor

Qusay Hassan

• AGH University of Science and Technology Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Krakow

autor

Kleszcz Sławosz

• AGH University of Science and Technology Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Krakow

autor

Hanus Robert

• Rzeszów University of Technology, Poland

autor

Jaszczur Marek

• AGH University of Science and Technology Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Krakow

Bibliografia

• Buonomano et al. 2018 – Buonomano, A., Calise, F., d’Accadia, M.D. and Vicidomini, M. 2018. A hybrid renewable system based on wind and solar energy coupled with an electrical storage: Dynamic simulation and economic assessment. Energy 155(C), pp. 174–189. DOI: 10.1016/j.energy.2018.05.006.
• Ceran et al. 2017 – Ceran, B., Hassan, Q., Jaszczur, M. and Sroka, K. 2017. An analysis of hybrid power generation systems for a residential load. E3S Web of Conferences, 14, 01028, 10, DOI:10.1051/e3sconf/20171401020.
• Dawoud et al. 2018 – Dawoud, S.M, Lin, X. and Okba, M.I. 2018. Hybrid renewable microgrid optimization techniques: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 82, pp. 2039–2052, DOI: 10.1016/j.rser.2017.08.007.
• Dawoud et al. 2015 – Dawoud, S.M, Lin, X, Sun, J., Mohsin, Q.K, Flaih, F.M. and Long, P. 2015. Reliability study of hybrid PV-wind power systems to isolated micro-grid. Sixth International Conference on Intelligent Control and Information Processing, 26–28 November 2015, Wuhan, China, DOI: 10.1109/ICICIP.2015.7388210.
• Ding et al. 2019 – Ding, Z., Hou, H., Yu, G., Hu, E., Duan, L. and Zhao, J. 2019. Performance analysis of a wind-solar hybrid power generation system. Energy Conversion and Management 181, pp. 223–234, DOI: 10.1016/j.enconman.2018.11.080.
• EIA 2016 – Energy Information Administration (EIA) & Government publications office (Eds.). International Energy Outlook 2016: With Projections to 2040. Government Printing Office.
• Hassan et al. 2016a – Hassan, Q., Jaszczur, M. and Abdulateef, J. 2016. Optimization of PV/wind/ diesel hybrid power system in homer for rural electrification. Journal of Physics. 745, 032006.
• Hassan et al 2016b – Hassan, Q, Jaszczur, M, Mohamed, M, Styszko, K, Szramowiat, K. And Gołaś, J. 2016. Off-grid photovoltaic systems as a solution for the ambient pollution avoidance and Iraq’s rural areas electrification. Web of Conferences, 10, DOI: 10.1051/e3sconf/20161000093.
• Huang et al. 2015 – Huang, Q, Shi, Y, Wang, Y, Lu, L. and Cui, Y. 2015. Multi-turbine wind-solar hybrid system. Renewable Energy 76, pp. 401–407, DOI: 10.1016/j.renene.2014.11.060.
• Jahangiri et al. 2019 – Jahangiri, M., Haghani, A., Mostafaeipour, A., Khosravi, A. and Raeisi, H.A. 2019. Assessment of solar-wind power plants in Afghanistan: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 99(C), pp. 169–190. DOI: 10.1016/j.rser.2018.10.003.
• Jaszczur et al. 2018 – Jaszczur, M., Hassan, Q. and Teneta, J. 2018. Temporal load resolution impact on PV/grid system energy flows. MATEC Web Conference, 240, 04003. DOI: 10.1051/matecconf/201824004003.
• Jaszczur et al. 2019 – Jaszczur, M., Teneta, J., Styszko, K., Hassan, Q., Burzyńska, P., Marcinek, E. and Łopian, N. 2019. The field experiments and model of the natural dust deposition effects on photovoltaic module efficiency. Environmental Science and Pollution Research 26(9), pp. 1–16, DOI: 10.1007/s11356-018-1970-x.
• Ma et al. 2015 – Ma, T., Yang, H. and Lu, L. 2015. Study on stand-alone power supply options for an isolated community. International Journal of Electrical Power & Energy Systems 65, pp. 1–11. DOI: 10.1016/j.ijepes.2014.09.023.
• Mirowski, T. and Sornek, K. 2015. Potential of prosumer energy in Poland on the subject of photovoltaic micro-installations in private constructions (Potencjał energetyki prosumenckiej w Polsce na przykładzie mikroinstalacji fotowoltaicznych w budownictwie indywidualnym). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 18(2), pp. 73–84 (in Polish).
• Prashanth et al. 2015 – Prashanth, B.N., Pramod, R. and Kumar, G.V. 2018. Design and Development of Hybrid Wind and Solar Energy System for Power Generation. Materials Today: Proceedings 5(5), pp. 11415–11422. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.02.109.
• Rezzouk, H. and Mellit, A. 2015. Feasibility study and sensitivity analysis of a stand-alone photovoltaic–diesel–battery hybrid energy system in the north of Algeria. Renewable and Sustainable Energy Reviews 43, pp. 1134–1150. DOI: 10.1016/j.rser.2014.11.103.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).