نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

طراحی بهینه و تحلیل فنی اقتصادی یک سیستم قدرت هیبریدی برای برق پایدار در مناطق روستایی: مطالعه موردی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
اکبر ملکی
علی صادقی
سید ابوالفضل موسویان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
امروزه تأمین انرژی پایدار برای مناطق دورافتاده به یکی از چالش‌های اساسی در سطح جهانی تبدیل شده است. در این راستا، استفاده از سیستم‌های هیبریدی انرژی مبتنی بر منابع تجدیدپذیر به عنوان راهکاری عملی و اقتصادی مورد توجه قرار گرفته است. پژوهش حاضر به بهینه‌سازی چندهدفه یک سیستم انرژی هیبریدیشامل پنل‌های فتوولتائیک، توربین‌های بادی، دیزل‌ژنراتور و باتری‌ها برای تأمین برق یک روستای نمونه می‌پردازد. اهداف طراحی شامل حداقل‌سازی هزینه‌های سیستم، حداکثرسازی قابلیت اطمینان و کاهش انتشار کربن دی‌اکسید است. بهینه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار هومر پرو و دو استراتژی مدیریت انرژی انجام شده است. در این مطالعه، علاوه بر تحلیل‌های فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی، سه تحلیل حساسیت جامع نیز بر روی قیمت سوخت، شدت تابش خورشیدی و سرعت باد صورت گرفته است تا پایداری و انعطاف‌پذیری سیستم پیشنهادی در مواجهه با تغییرات پارامترهای کلیدی سنجیده شود. نتایج نشان می‌دهد که سیستم ترکیبی باد، خورشید، دیزل‌ژنراتور و باتری نسبت به سایر پیکربندی‌ها از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی برتری دارد و هزینه انرژی و هزینه خالص فعلی آن به ترتیب 0.191 دلار بر کیلووات‌ساعت و 4.65 میلیون دلار به دست آمد. همچنین، تحلیل حساسیت نشان داد که افزایش قیمت سوخت و تغییرات منابع تجدیدپذیر می‌تواند بر انتخاب بهینه اجزای سیستم و سهم هر منبع تأثیرگذار باشد. در نهایت، استفاده از سیستم هیبریدی پیشنهادی نسبت به سیستم کاملاً دیزلی، به طور میانگین موجب کاهش بیش از 73 درصدی انتشار کربن­دی‌اکسید می‌شود و پایداری بیشتری را در تأمین انرژی مناطق دورافتاده فراهم می‌آورد.
کلیدواژه‌ها
بهینه­
؛ ؛ سازی، سیستم­
؛ ؛ های قدرت ترکیبی، سیستم خورشیدی-بادی-دیزل، تحلیل فنی - اقتصادی، برق رسانی پایدار

موضوعات

[1]    Twidell J., Renewable Energy Resources. Routledge, (2021).
[2]    Nalley J.O., Optimizing the Productivity and Sustainability of Algal Biofuel Systems: Investigating the Benefits of Algal Diversity and Utilizing Brewery Wastewater for Cultivation. Michigan State University, (2016).
[3]    Sadeghi A., Maleki A., Haghighat S., "Techno-Economic Analysis and Optimization of a Hybrid Solar-Wind-Biomass-Battery Framework for the Electrification of a Remote Area: A Case Study," Energy Conversion and Management: X, 24: 100732 (2024).
[4]    Okonkwo P.C., Mansir I.B., Ogunleye G.J., "Technoeconomic Analysis of Hybrid Energy System for Health Clinic in Salalah Oman," Energy Reports, 9: 444-447 (2023).
[5]    Araoye T.O., Ashigwuike E.C., Mbunwe M.J., Bakinson O.I., Ozue T.I., "Techno-Economic Modeling and Optimal Sizing of Autonomous Hybrid Microgrid Renewable Energy System for Rural Electrification Sustainability Using HOMER and Grasshopper Optimization Algorithm," Renewable Energy, 229: 120712 (2024).
[6]    Samatar A.M., Mekhilef S., Mokhlis H., Kermadi M., Alshammari O., "Performance Analysis of Hybrid Off-Grid Renewable Energy Systems for Sustainable Rural Electrification," Energy Conversion and Management: X, 24: 100780 (2024).
[7]    Ennemiri N., Berrada A., Emrani A., Abdelmajid J., El Mrabet R., "Optimization of an Off-Grid PV/Biogas/Battery Hybrid Energy System for Electrification: A Case Study in a Commercial Platform in Morocco," Energy Conversion and Management: X, 21: 100508 (2024).
[8]    Khan I. ,  Guanghua L. ,  Sahito A.A. ,  Memon A.A., Hao C. ,  Soomro A.H. ,  Hussain Shah S.H., "Analysis of Jamrao Canal for Potential of Hybrid Photovoltaic/Hydrokinetic Turbine System," Energy Reports, 10: 419-430 (2023).
[9]    Zhu C.,  Zhang Y.,  Wang M.,  Deng J.,  Cai Y., Wei W.,  Guo M., "Optimization, Validation and Analyses of a Hybrid PV-Battery-Diesel Power System Using Enhanced Electromagnetic Field Optimization Algorithm and ε-Constraint," Energy Reports, 11: 5335-5349 (2024).
[10] Serat Z., Danishmal M., Mohammadi F.M., "Optimizing Hybrid PV/Wind and Grid Systems for Sustainable Energy Solutions at the University Campus: Economic, Environmental, and Sensitivity Analysis," Energy Conversion and Management: X, 24: 100691 (2024).
[11]  Anugrah P., Sholekan M., "Study on Hybrid Renewable Energy Optimization in Mentawai Island using HOMER Pro," in International Conference On Mechanical Engineering For Emerging Technologies (Icomeet 2021), AIP Publishing LLC, 2592(1): 060003 (2023).
[12] Gul E., Baldinelli G., Bartocci P., Shamim T., Domenighini P., Cotana F., Wang J., Fantozzi F., Bianchi F., "Transition Toward Net Zero Emissions-Integration and Optimization of Renewable Energy Sources: Solar, Hydro, and Biomass with the Local Grid Station in Central Italy," Renewable Energy, 207: 672-686 (2023).
[13] Li J., Liu P., Li Z., "Optimal Design and Techno-Economic Analysis of a Solar-Wind-Biomass Off-Grid Hybrid Power System for Remote Rural Electrification: A Case Study of West China," Energy, 208: 118387 (2020).
[14] Ray A., Jana K., Assadi M., De S., "Distributed Polygeneration Using Local Resources for an Indian Village: Multiobjective Optimization Using Metaheuristic Algorithm," Clean Technologies and Environmental Policy, 20(6): 1323-1341 (2018).
[15] Krishan O., Suhag S., "Techno-Economic Analysis of a Hybrid Renewable Energy System for an Energy Poor Rural Community," Journal of Energy Storage, 23: 305-319 (2019).
[16] Maleki A., "Design and Optimization of Autonomous Solar-Wind-Reverse Osmosis Desalination Systems Coupling Battery and Hydrogen Energy Storage by an Improved Bee Algorithm," Desalination, 435: 221-234 (2018).
[17] فربد آل عزیز.، نسیم طاهونی.، محمدحسن پنجه شاهی.، تامین هیدروژن و الکتریسیته موردنیاز یک واحد تولید الفین با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 43(2): 93 تا 111 (1403).
[18] Liu H., Wu B., Maleki A., "Effects of Dispatch Strategies on Optimum Sizing of Solar-Diesel-Battery Energy Storage-RO Desalination Hybrid Scheme by Efficient Heuristic Algorithm," Journal of Energy Storage, 54: 104862 (2022).
[19] Jahangir M.H., Mousavi S.A., Rad M.A.V., "A Techno-Economic Comparison of a Photovoltaic/Thermal Organic Rankine Cycle With Several Renewable Hybrid Systems for a Residential Area in Rayen, Iran," Energy Conversion and Management, 195: 244-261 (2019).
[20] Fazelpour F., Soltani N., Rosen M.A., "Economic Analysis of Standalone Hybrid Energy Systems for Application in Tehran, Iran," International journal of hydrogen energy, 41(19): 7732-7743 (2016).
[21] Almutairi K., Hosseini Dehshiri S.S., Hosseini Dehshiri S.J., Mostafaeipour A., Issakhov A., Techato K., "Use of a hybrid wind–solar–diesel–battery energy system to power buildings in remote areas: a case study," Sustainability, 13(16): 8764 (2021).
[22] Kasaeian A., Rahdan P., Rad M.A.V., Yan W.-M., "Optimal design and technical analysis of a grid-connected hybrid photovoltaic/diesel/biogas under different economic conditions: A case study," Energy Conversion and Management, 198: 111810 (2019).
[23] Gökçek M., "Integration of hybrid power (wind-photovoltaic-diesel-battery) and seawater reverse osmosis systems for small-scale desalination applications," Desalination, 435: 210-220 (2018).
[24] Li C., Zhou D., Wang H., Lu Y., Li D., "Techno-economic performance study of stand-alone wind/diesel/battery hybrid system with different battery technologies in the cold region of China," Energy, 192: 116702 2020.
[25] Singh A., Baredar P., Gupta B., "Techno-economic feasibility analysis of hydrogen fuel cell and solar photovoltaic hybrid renewable energy system for academic research building," Energy Conversion and Management, 145: 398-414 (2017).
[26] Mahmoudi S.M., Maleki A., Ochbelagh D.R., "Optimization of a hybrid energy system with/without considering back-up system by a new technique based on fuzzy logic controller," Energy Conversion and Management, 229: 113723 (2021).
[27] Mahmoudi S.M., Maleki A., Ochbelagh D.R., "A novel method based on fuzzy logic to evaluate the storage and backup systems in determining the optimal size of a hybrid renewable energy system," Journal of Energy Storage, 49: 104015 (2022).
[28] Maleki A., Eskandar Filabi Z., Nazari M.A., "Techno-economic analysis and optimization of an off-grid hybrid photovoltaic–diesel–battery system: Effect of solar tracker," Sustainability, 14(12): 7296 (2022).
[29] Ashraf M.A., Liu Z., Alizadeh A.A., Nojavan S., Jermsittiparsert K., Zhang D., "Designing an optimized configuration for a hybrid PV/Diesel/Battery Energy System based on metaheuristics: A case study on Gobi Desert," Journal of Cleaner Production, 270: 122467 (2020).
[30] علی بداخانیان، اکبر ملکی"بهینه‌سازی یک سیستم تجدیدپذیر ترکیبی برای تولید توان و هیدروژن," نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 42(3): 319 تا 339 (1402).
[31] Boussetta M., El Bachtiri R., Khanfara M., El Hammoumi K., "Assessing the potential of hybrid PV–Wind systems to cover public facilities loads under different Moroccan climate conditions," Sustainable Energy Technologies and Assessments, 22: 74-82 (2017).
[32] HOMER Energy. HOMER Pro user manual (2017).
[33] B. K. Das and F. Zaman, "Performance Analysis of a PV/Diesel Hybrid System for a Remote Area in Bangladesh: Effects of Dispatch Strategies, Batteries, and Generator Selection," Energy, 169: 263-276 (2019).
[34] Kamal M.M., Ashraf I., Fernandez E., "Planning and Optimization of Microgrid for Rural Electrification With Integration of Renewable Energy Resources," Journal of Energy Storage, 52: 104782 (2022).
[35] Kamal M.M., Ashraf I., Fernandez E., "Sustainable Electrification Planning of Rural Microgrid Using Renewable Resources and Its Environmental Impact Assessment," Environmental Science and Pollution Research, 29(57): 86376-86399 (2022).
[36] Kamal M.M., Mohammad A., Ashraf I., Fernandez E., "Rural Electrification Using Renewable Energy Resources and Its Environmental Impact Assessment," Environmental Science and Pollution Research, 29(57): 86562-86579 (2022).