برنامه‌ریزی بهینه سیستم ترکیبی تجدیدپذیر مبنی بر ذخیره‌سازهای هیدروژنی و حرارتی با در نظر گرفتن مدیریت انرژی الکتریکی و حرارتی

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

رضا سپه وند ¹ , اکبر اصغرزاده بناب ²

1 - دانشکده مهندسی و پرواز- دانشگاه امام علی (ع)، تهران، ایران
2 - گروه مطالعات علم و فناوری- دانشگاه فرماندهی و ستاد آجا، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1401/08/08 تاریخ پذیرش : 1401/11/22 تاریخ انتشار : 1403/09/01

کلید واژه: توربین بادی, مدیریت انرژی, واحد انرژی بیوماس, سیستم ترکیبی تجدیدپذیر, ذخیره‌ساز هیدروژنی, ذخیره‌سازی حرارتی,

چکیده مقاله :

در این مقاله برنامه ریزی بهینه سیستم ترکیبی تجدیدپذیر دارای توربین بادی و واحد انرژی بیوماس مبنی بر ذخیره ساز هیدروژنی با در نظر گرفتن تغذیه هم‌زمان انرژی های الکتریکی و حرارتی ارائه می شود. واحد بیوماس مبنی بر عملکرد سیستم ترکیبی برق و حرارت است که هم‌زمان انرژی الکتریکی و حرارتی تولید می کند. ذخیره ساز هیدروژنی ترکیبی از الکترولیزر، هیدروژن تانک و پیل سوختی است. طرح پیشنهادی مجموع هزینه های سالانه احداث، تعمیر و نگهداری منابع و ذخیره سازها را کمینه سازی می کند که مقید به مدل بهره برداری عناصر یاد شده است. در مدل بهره برداری منابع و ذخیره سازها، ابتدا تأمین انرژی بر عهده منابع تجدیدپذیر است، سپس ذخیره سازها جهت پوشش فاصله بین پروفیل بار و توان تجدیدپذیر استفاده می شوند. در این مقاله، حل کننده ترکیبی شامل بهینه ساز گرگ خاکستری و الگوریتم سینوس-کسینوس برای استخراج راه حل بهینه مطمئن دارای انحراف معیار پایین در پاسخ دهی نهایی استفاده می شود. درنهایت با استخراج نتایج عددی متناسب با داده های شهر اسپو در فنلاند، قابلیت طرح پیشنهادی در استخراج اقتصادی سیستم ترکیبی جزیره ای 100 درصد تجدیدپذیر متناسب با تأمین هم‌زمان انرژی الکتریکی و حرارتی تأیید می شود.

چکیده انگلیسی:

This paper presents the optimal planning of renewable hybrid systems including wind turbines and bio-waste energy units according to hydrogen and thermal storages considering feeding of electrical and thermal energies. Bio-waste unit is based on the operation of the combined power and heat system, which produces electrical and thermal energy at the same time. Hydrogen storage is hybrid of an electrolyze, hydrogen tank, and fuel cell. The proposed scheme minimizes the total annual investment and maintenance costs. It is subject to the operation model of the mentioned elements. In the operation model of sources and storage, renewable sources supply loads of energy, then storage uses to cover the gap between the load and renewable power profiles. This paper uses the hybrid solver of the Gray wolf optimizer and the sine-cosine algorithm to obtain a reliable optimal solution with a low standard deviation in the final response. Finally, based on numerical results according to Espoo in Finland data, the proposed scheme's capability is confirmed in the Economic extraction of a 100% renewable island hybrid system suitable for simultaneous supply of electrical and thermal energy.

منابع و مأخذ:

[1] F. Khalafian, "Robust planning of the islanded hybrid system including renewable and non-renewable sources and stationary and mobile storages", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 53, pp. 15-32, June 202e (dor: 20.1001.1.23223871.1402.14.53.2.6).

[2] M. Sattar, M. Samiei Moghaddam, A. Azadfar, N. Salehi, M. Vahedi, "Joint optimization of integrated energy systems in the presence of renewable energy sources, power-to-gas systems and energy storage", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 15, no. 57, pp. 15-30, June 2024 (dor: 20.1001.1.23223871.1403.15.57.2.1).

[3] M.A. Voelklein, D. Rusmanis, J.D. Murphy, "Biological methanation: Strategies for in-situ and ex-situ upgrading in anaerobic digestion", Applied Energy, vol. 235, pp. 1061-1072, Feb. 2019 (doi: 10.1016/j.ap­en­­­ergy.2018.11.006).

[4] R. Homayoun, B. Bahmani‐Firouzi, T. Niknam, "Multi‐objective operation of distributed generations and thermal blocks in microgrids based on energy management system", IET Generation, Transmission and Distribution, vol. 15, no. 9, pp. 1451-1462, May 2022 (doi: 10.1049/gtd2.12112).

[5] R. Homayoun, B. Bahmani‐Firouzi, T. Niknam, "Multi-objective optimization minimizing cost and life cycle emissions of stand-alone PV–wind–diesel systems withbatteries storage”, Applied Energy, vol. 88, pp. 4033–4041, Nov. 2011 (doi: 10.1016/j.apenergy.2011.04.019).

[6] M.A. Ashraf, Z. Liu, A.A. Alizadeh, S. Nojavan, K. Jermsittiparsert, D. Zhang, "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, vol. 270, Article Number: 112467, Oct. 2020 (doi: 10.1016/j.jcl­ep­ro­.2­020.122467).

[7] H. Sun, A.G. Ebadi, M. Toughani, S.A. Nowdeh, A. Naderipour, A. Abdullah, “Designing framework of hybrid photovoltaic-biowaste energy system with hydrogen storage considering economic and technical indices using whale optimization algorithm”, Energy, vol. 238, Article Number: 121555, Jan. 2022 (doi: 10.10­16/j.energy.2021.121555).

[8] A. Naderipour, A.R. Ramtin, A. Abdullah, M. Hedayati Marzbali, S.A. Nowdeh, H. Kamyab, "Hybrid energy system optimization with battery storage for remote area application considering loss of energy probability and economic analysis", Energy, vol. 239, Article Number: 122303, Jan. 2022 (doi: 10.1016/j.en­ergy.2­021.1­22­303).

[9] A. Maleki, A. Askarzadeh, “Optimal sizing of a PV/wind/diesel system with battery storage for electrification to an off-grid remote region: A case study of Rafsanjan, Iran", Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 7, pp. 147-153, Sept. 2014 (doi: 10.1016/j.seta.2014.04.005).

[10] A. Maleki, A. Askarzadeh, "Distribution generation by photovoltaic and diesel generator systems: Energy management and size optimization by a new approach for a stand-alone application", Energy, vol. 122, pp. 542-551, Mar. 2017 (doi: 10.1016/j.energy.2017.01.105).

[11] T. Salameh, M.A. Abdelkareem, A.G. Olabi, E.T. Sayed, M. Al-Chaderchi, H. Rezk , “Integrated standalone hybrid solar PV, fuel cell and diesel generator power system for battery or supercapacitor storage systems in Khorfakkan, United Arab Emirates", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no. 8, pp. 6014-6027, Jan. 2021 (doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.153).

[12] C. Li, D. Zhou, H. Wang, H. Cheng, D. Li, "Feasibility assessment of a hybrid PV/diesel/battery power system for a housing estate in the severe cold zone—A case study of Harbin, China", Energy, vol. 185, pp. 671-681, Oct. 2019 (doi: 10.1016/j.energy.2019.07.079).

[13] L.K. Gan, J.K. Shek, M.A. Mueller, "Analysis of tower shadow effects on battery lifetime in standalone hybrid wind-diesel-battery systems", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 64, no. 8, pp. 6234-6244, Aug. 2017 (doi: 10.1109/TIE.2017.2682817).

[14] P. Marocco, D. Ferrero, A. Lanzini, M. Santarelli, "The role of hydrogen in the optimal design of off- grid hybrid renewable energy systems", Journal of Energy Storage, vol. 46, Article Number: 103893, Feb. 2022 (doi: 10.1016/j.est.2021.103893).

[15] T.R. Ayodele, T.C. Mosetlhe, A.A. Yusuff, A.S.O. Ogunjuyigbe, "Off-grid hybrid renewable energy system with hydrogen storage for South African rural community health clinic", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no. 38, pp. 19871-19885, June 2021 (doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.03.140).

[16] H. Rahbarimagham, "Optimal control of micro-grid (MG) to improve voltage profile including combined heat and power system", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 9, no. 36, pp. 43-50, Jan. 2019 (dor: 20.1001.1.23223871.1397.9.36.5.0).

[17] S.A. Mirjalili, S.M. Mirjalili, A. Lewis, "Grey wolf optimizer", Advances in Engineering Software, vol. 69, pp. 46-61, Mar. 2014 (doi: 10.1016/j.advengsoft.2013.12.007).

[18] K. Sarwagya, P.K. Nayak, S. Ranjan, "Optimal coordination of directional overcurrent relays in complex distribution networks using sine cosine algorithm”, Electric Power Systems Research, vol. 187, Article Number: 106435, pp. 106435, Oct. 2020 (doi: 10.1016/j.epsr.2020.106435).

[19] W.K.A. Najy, H.H. Zeineldin, W.L. Woon, "Optimal protection coordination for microgrids with grid-connected and islanded capability", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 60, no. 4, pp. 1668-1677, April 2013 (doi: 10.1109/TIE.2012.2192893).