Optimization of hybrid PV/WIND power system for remote telecom station

Abstract

O rápido esgotamento dos recursos fósseis e as preocupações ambientais tem gerado uma consciencialização acrescida sobre as possibilidades de aproveitamento de recursos energéticos renováveis. De entre os vários recursos renováveis, os sistemas híbridos solar/eólicos aparentam resultados promissores no que se refere ao fornecimento fiável de energia, com melhoria da eficiência e redução dos requisitos de armazenagem em sistemas isolados. A presente dissertação apresenta uma nova metodologia para realização da análise de viabilidade de sistemas isolados, a qual inclui a geração artificial de disponibilidade horária de recursos renováveis e a optimização das dimensões da matriz fotovoltaica, da turbina eólica e do painel de baterias para um sistema autónomo híbrido fotovoltaico/eólico (HSWPS). Em qualquer sistema baseado em recursos renováveis, o estudo de viabilidade é considerado como a primeira etapa de análise. Neste trabalho, o estudo de viabilidade é realizado através do modelo híbrido de optimização para as energias renováveis HOMER. A segunda etapa consiste no desenvolvimento de modelos matemáticos para geração de perfis artificiais horários de velocidade do vento, radiação solar e temperatura a partir das médias mensais conhecidas ao longo de um ano. A terceira etapa engloba o desenvolvimento de modelos matemáticos para caracterização do desempenho dos módulos fotovoltaicos, turbina eólica e baterias. Finalmente, a metodologia desenvolvida permite encontrar as configurações ideais para uma determinada carga e para um determinado factor de probabilidade de perda de alimentação (LPSP) a partir de um conjunto de componentes de sistemas com o menor valor da função de custo que é definir, em termos de fiabilidade e de custo de eletricidade nivelado unidade (LUEC). A viabilidade de aplicação desta metodologia foi ensaiada num caso de estudo, composto por um terminal de telecomunicações de pequena abertura (VSAT), por uma estação repetidora e por uma estação transceptora de acesso múltiplo (BTS CDMA 2C10) localizada numa zona remota do Nepal. Os modelos matemáticos foram implementados em ambiente MATLAB e os resultados da simulação foram obtidos quer para a configuração actual quer para a configuração optimizada. Os resultados da simulação mostram que a arquitectura existente, composta por módulos fotovoltaicos KC85T de 6,12 kW, uma turbina eólica H3.1 de 1kW e um banco de baterias de 1600 Ah GFM-800 proporciona cerca de 36,6% de carga não satisfeita durante um ano caracterizando-se esta por potências de 655 W a plena carga e 405 W a meia-carga. Por outro lado, o sistema proposto de configuração optimizada inclui 2 turbinas eólicas de 1 kW H3.1, módulos fotovoltaicos TSM-175DA01 com 8,05 kW e um banco de baterias T-105 de 1125 Ah. Esta configuração apresenta uma fiabilidade de 99,99%, com uma redução significativa dos custos e uma produção energética estável.

The rapid depletion of fossil fuel resources and environmental concerns has given awareness on generation of renewable energy resources. Among the various renewable resources, hybrid solar and wind energy seems to be promising solutions to provide reliable power supply with improved system efficiency and reduced storage requirements for stand-alone applications. This dissertation presents a methodology for carrying the feasibility analysis, for generation of hourly synthetic availability of renewable resources sources (RES) and optimum size of PV array, Wind Power and battery bank for a standalone hybrid Solar/Wind Power system (HSWPS). In any RES based system, the feasibility assessment is considered as the first step analysis. In this work, feasibility analysis is carried through hybrid optimization model for electric renewables (HOMER). Mathematical models to generate hourly synthetic solar, wind and temperature from the monthly average RES of a year were developed. In addition, mathematical models to characterize PV modules, Wind power and battery were created. And finally, the optimal configurations for a given load and a desired loss of power supply probability (LPSP) from a set of systems components with the lowest value of cost function defined in terms of reliability and levelized unit electricity cost (LUCE) was performed. Applying this methodology, a telecommunication load consisting Very Small Aperture Terminal (VSAT), Repeater station and Code Division Multiple Access Base Transceiver Station(CDMA 2C10 BTS) of a remote station of Nepal is used as a case study for load demand of the hybrid system. The mathematical models were implemented in the MATLAB environment and the simulation results for the existing and the proposed models are compared. The simulation results shows that existing architecture consisting of 6.12 kW KC85T photovoltaic modules, 1kW H3.1 wind turbine and 1600 Ah GFM-800 battery bank have a 36.6% of unmet load during a year with a full and half load demand of 655 W and 405 W. On the other hand, the proposed system includes 1kW *2 H3.1 Wind turbine, 8.05 kW TSM-175DA01 photovoltaic modules and 1125 Ah T-105 battery bank with system reliability of 99.99% with a significant cost reduction as well as reliable energy production.