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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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可再生能源混合发电模式的并网供电

拉克什sahu1Balaram Das说2拉蒂·兰詹·萨巴特2马努基库马尔斯温1
  1. 印度奥里萨邦古努普尔市甘地工程技术学院电子电气工程系助理教授
  2. 印度奥里萨邦古努普尔市甘地工程技术学院电子电气工程系副教授
有关文章载于Pubmed,谷歌学者

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摘要

本文描述了用于规划、设计和实现一个位于农村地区的机构的并网电力系统的过程。适当的可再生能源混合模式将满足电网供应不可靠和高效的偏远地区的电力需求。此外，额外产生的电力可以供应到电网，以产生收入。风力发电机、生物质能发电机和光伏发电技术的快速发展为偏远地区利用这些资源带来了机遇，为电网供电提供了更好的选择。利用沼气、风能和太阳能资源发电在世界各地都是免费的。因此，这些技术的经济方面现在也有足够的希望证明它们在小型机构使用的小规模独立应用程序中的使用。如果开发一种基于计算机的方法来评估独立的风力-沼气-光伏混合发电系统的一般性能，并对其结果进行经济分析，这些系统可以使我们的供电系统更加高效和可靠。本文提出了一种用于在线系统设计的仿真方法。风力/太阳辐射和生物量数据的小时平均值用于发电机组，预期负荷数据用于预测发电系统的一般性能。多余的风能/沼气/太阳能发电，在可用的情况下，用于向电网供电。 Simulation studies were carried out using HOMER software. Simulation results will be given for performance evaluation and its efficiency of a stand-alone hybrid wind-Biogas-PV generating unit for a small institution assumed to be located in a remote area which is analyzed as connected with grid and without connected to grid. Finally, the results obtained and methods are suggested to enhance the performance of the proposed model.

关键字
微电网，光伏阵列，风力发电机，生物质，HOMER。

介绍
来自光伏、风力涡轮机和小型水力发电厂的可再生能源非常适合于离网供电，并已在发展中国家成功引入无数案例。然而，尽管生物质作为一种可持续的电力来源的应用看起来很有前途，但它仍然很少被认为是为农村贫困人口提供电力的一种选择。沼气是一种燃料气体，由65%的甲烷(CH4)和35%的二氧化碳组成。
用电量由不同性质的变量组成。全世界对这种能源的需求预计将迅速增长，特别是在发展中国家。在不同的国家，住宅电力消耗约占总能源消耗的30-40%。虽然许多可再生能源项目规模很大，但可再生能源技术也适用于农村和偏远地区，在这些地区，人类发展往往至关重要。可再生能源来自自然过程，如阳光、风、潮汐、地热，不断补充。然而，尽管有明显的好处，在发展中国家的离网地区实施小型发电生物质发电厂的经验却很少。对于目前依赖电网供电的家庭来说，可再生能源系统还有更多的好处。可再生能源产生的电力可以储存在电池组中，在公用事业电源故障时提供备用电源。在一些地区，房主生产的替代能源可以“卖回”给当地的公用事业公司，这样至少可以降低每月的电费，甚至可能为拥有大型可再生能源系统的房主带来收入。在农村电气化正在发展的发展中国家，光伏系统的应用非常重要。 Extending power lines form centralized sources to rural areas is often not yet economical, and so, decentralized power sources, such as the PV system, is reliable alternative. One of the primary concerns in designing off- grid PV system involving PV array and storage battery capacity to supply the required energy at a specified energy load fraction[4]-[7]
“脱网”一词指的是没有连接到主电网或国家输电网。这项工作包括使用电池储能装置、微电网、沼气发电机和风力涡轮机来提供持续的电力供应。铅酸电池是一种储能装置。微电网是分布式电网的集中式替代方案，为偏远社区的家庭提供电能。风力涡轮机和沼气被用作发电的可选替代方案。太阳能和风能系统的性能是通过更准确和实用的数学方法来评估的。

现代混合动力系统
现代混合动力系统通常采用可再生能源提供电力，并使用电池作为备用电源，以防缺乏主要电源而不中断。它们通常独立于大型中央电网，主要用于偏远地区，例如在阴天和刮风的日子，当太阳能电池板产生非常低的电力水平时，风力发电机和生物质发电机可以通过产生更多的电力来补偿。可以考虑以下几点:
一、以太阳能、生物质能和风能为主要可再生能源的无电网系统。
2以太阳能、生物质能和风能为主要可再生能源的系统，在电力短缺的情况下考虑电网。如果可再生能源产生了多余的电力，就会被输送到电网。

方法
1.风能和风速估算
风能有潜力显著降低燃料成本、温室气体排放以及与传统能源生产相关的自然栖息地干扰。风力发电机(wtg)是发展中国家的理想选择，这些国家最迫切的需求是为没有任何电力基础设施的农村或偏远地区提供基本电力。风能已经与传统能源形成竞争。电力系统的放松管制为许多私营能源生产商提供了机会。风能是小型能源生产商的潜在选择，因为它的安装时间相对较短，操作程序简单，投资风能有不同的激励措施。
一个经常被推荐用来模拟风速行为的很好的表达式是Weibull PDF(概率密度函数)，如下所示
图像
其中“k”是形状指数，调整后与研究地点的风速廓线相匹配。c是尺度指数，是根据年平均风速计算的，每年的平均风速不恒定。提出的估计年风速廓线的方法是基于利用三年历史数据的两个步骤。第一步是将数据划分为集群。而在第二步，约束灰色预测器将用于估计风速廓线。
2.数据聚类
在这里，数据将根据风的季节性划分为簇。为了得到合理的聚类结果，利用了研究地点三年的历史数据。通过分析现有资料，计算不同年份同期风速之间的相关系数[9]，观察到以下特征:
图像

操作方法
拟议的混合能源系统包括案例研究1中的可再生能源光伏、生物质和风能供应，以及案例研究2中的光伏、风能和电网。电池是由PV电流充电的存储设备。电源转换器用于将源总线从直流转换为交流，反之亦然。这个集成系统完全是为给选定的样品负载供电而设计的。即48kWh/d，峰值负载5.6W。
图像
本研究选择的地点为北纬19°08′，东经83°82′的大学。负荷分布是根据照明、冷却风扇和其他电气设备等公用事业的基本需求获得的，尽管这片土地上的大多数居民都在进行学术活动。因此，我们对负载分布分别计算工作日和周末。负荷随季节和每月的消耗而变化，这取决于气候。
图像
所选区域负荷总能耗为48KWh/d，峰值为5.6KW。在这里，负荷是按年观测计算的。在两个案例研究中，负载分布是相同的。如图4所示，指导了一年的负载变化情况。
图像
1.所选区域的可用资源
A.全球水平辐射和光伏输入成本
与选择的纬度和经度HOMER软件自动收集全球太阳率的地方，如参考[10]所示。平均太阳照射量为5.13千瓦时/平方米/天。该站点位于格林尼治时间+05:30地区。本项目光伏阵列初始尺寸为6KW尺寸[8]。该产能的价格保持在541950印度卢比/-，重置成本为540000印度卢比/-。如图5所示，不同的灵敏度变量最高可达10KW，并设置了不同的PV方位角，使用寿命为20年。
B.风力发电机成本投入
本项目使用的风力发电机初始尺寸为7.5KW。该容量的价格保持在900000卢比/-，替换成本为850000卢比/-。使用了不同的灵敏度变量，并设置了15年寿命的风力涡轮机规格。图6显示了风能资源与太阳全球辐射的季节变化。有了这个纬度和经度，在HOMER软件中提到的风速是这个地方的季节性。平均风速为5.16米/秒。该站点位于格林尼治时间+05:30地区。图6为风力资源。
C.沼气发生器成本投入
本项目沼气轮机初始规模为6KW。该产能的价格保持在1200000卢比/-，替换成本为1050000卢比/-。使用了不同的灵敏度变量，并设置了寿命为15000小时的沼气涡轮机规格。图7为月有效沼气资源量。
图像
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d .电池
系统使用的[12]型电池为Hoppecke 10 opzs 1000型号，额定电压为2V, 1000Ah, 3438 kWh。一个电池的成本是32,000卢比/-，更换成本是28,000卢比/-。图8显示了所考虑电池的故障寿命周期和放电深度，这是项目的关键指标。
图像

混合系统的经济分析
经济分析[14]可以用下面的关系式来完成。年度能源成本可按COE =Cann, tot / (eprem,ac+ eprem,Dc+Egrid,sales)进行计算。当前总净成本为HOMER的主要经济产出。HOMER使用以下公式计算NPC总数:
CNPC= Cann, tot / [CRF (i, Rproj)]
图像
1.系统成本汇总
案例1:无电网混合动力系统的成本汇总分析:根据分析，该系统的资本投资为53636700印度卢比，系统总成本包括更换和运行成本，需要2000印度卢比。图6显示了根据现金流量总额(按组成部分或按成本类型分类)所作的总结。
案例2:并网混合系统的成本汇总分析:根据分析，系统的资本投入为INR6280/-。系统总成本包括更换和运行成本，需要12000 INR12000。图7显示了基于现金流总额的总结，这两种情况下都是按组成部分或成本类型分类的。
图像
图9清楚地显示了没有电网的月平均电力产量，这里的运营成本更高。图10清楚地显示了与电网的月平均电力产量，这里的运营成本得到了改善。
图像

发电运营策略
在这部分模拟中，表2列出了有和没有电网的混合系统的生产和消费细节，从表3可以计算出有和没有电网的超额发电量。
图像
图像
通过观察上述结果，为未来找到足够的清洁能源供应是社会最令人沮丧的挑战之一。可再生能源将在未来能源供应的可持续发展中发挥重要作用，因为它们预计对环境的影响很小，而且它们的技术潜力很大。但另一方面，在它能够以可持续的方式对我们的能源需求做出实质性贡献之前，它仍然需要大量的技术和组织发展。光伏能源/技术、风能和混合能源系统、来自废弃物的太阳能热能和生物质结合节能和优化技术将针对特定的场地条件进行分析，以适应特定的负荷，以及如何将它们集成到当地电网[6]。

结论
来自HOMER软件的结果是真实的，并为上网家庭提供了非常有前途的结果。拥有综合能源系统、严重依赖电网的机构可能会受到启发，转而使用可再生能源。成功不仅取决于对综合能源系统效益的真诚和有计划的理解，还取决于对并网混合光伏系统的长期规划。
三种可再生能源，包括光伏系统、沼气涡轮机和风力涡轮机被考虑用于并网机构。仿真结果表明，该方法可为远程或隔离负荷提供一种可行的解决方案。此外，考虑碳信用额度和对传统化石燃料的补贴，可能会更好地提高效率和可靠性。本文研究了与本地电网相结合的混合动力发电机构规划的系统过程。最初的方案可能是昂贵的，但随着这种系统的客户越来越多，商业应用可以降低技术成本，对消费者来说变得经济。

参考文献










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