Algorithm And Design Tool Development Of Sizing A Stand-Alone PV/WT/Electrolyzer/Hydrogen/Fuel-cell Power Generation System For Electricity Supply Under Weather related Uncertainty Considerations And Thermo-Fluid Effects

Thumbnail Image

Date

2023-09-22

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

PreQuest

Abstract

Today, reducing the greenhouse gas emissions and decentralizing the electrical power plants has become a worldwide target, which, in turns, helps in avoiding causing any damage to the environment and increasing and easing the accessibility to the network, respectively, especially at remote areas. One of the most promising ways for achieving this target is the utilization of green and renewable energy resources (RER) such as solar energy (SE) and wind energy (WE). However, in nature, SE and WE suffer from the intermittence and variability (IV) (also called volatility), which have made the task of forecasting the power outputs from and designing/sizing a RE-based power plant (REPP) very challenging and have made the reliability to become a big source of concern for the decisions makers. Nonetheless, researchers have been attempting to develop different approaches for the purpose of utilizing these RER and mitigating this natural issue as much as possible, simultaneously. One of the most promising and appreciated mitigator for the IV effect is by hybridizing the power plants of SE and WE (H-REPP), with not or equal penetration levels, by integrating the H-REPP with an energy storage system (ESS) (e.g., compressed air, pumped hydro (PHS), regenerative fuel cell (RFC), etc.), and by using a method that can forecast the historical weather data (called WYGM from now onward) for the sake of obtaining any statistical data that can map the potential at any site of interests. Moreover, since it is impractical to request unlimited surface area and energy storage capacity (ESC) for harvesting and storage SE/WE, respectively, but to be reasonable via developing sizing algorithms, instead; this has been introduced in the literature under the topic of sizing REPP. However, usually, in the literature, these three tasks (modeling H-REPP, formulating WYGMs, and developing sizing algorithms) are separately studied/adopted, which should not be the case due to the strong connections among these tasks; additionally, the literature is lacking from modeling and sizing algorithms for H-REPP where the above-mentioned complexity is addressed. Therefore, in this work, the core goal is to estimate the least required size of a H-REPP that can operate for a year-round, according to different weather conditions, and consists of: solar photovoltaic power generation system (SPVPGS) (thus, the concentrated solar panel (CSP) are excluded) and wind turbine power generation system (WTPGS) for direct power supply and RFC for indirect power supply and/or hydrogen production (called green hydrogen production system). This core goal has been divided into a set of objectives as follows: 1) building an advanced modeling of SPVPGS and WTGPS, 2) designing a novel WYGM that efficiently involve the IV effect and fulfills the requirements of such H-REPP at any particular site of interest and along with a new spatial-temporal weighting (STW) approach, 3) developing an algorithm for sizing such kind of H-REPP along with a RFC as function of the supply-demand period, 4). Optimizing the penetration levels of SE-WE according to the estimated potential of the location; also, improve the possible sub-optimal results by decreasing the size and the updating step. Additionally, this conducted research aims at: studying the effect of the initial conditions for the sake of selecting the “best day of start energy harvest and storage (BDHS), proposing a new method of determining the most-frequent data point for a data set that has a strongly varied standard deviation from time to time, considering the need for updating the surface roughness with wind direction inside the simulation of WTPGS, and implementing the entire work into a software. These objectives have been planned to be achieved in four phases: I. simple SPVPGS-RFC and WYGM, II. advanced SPVPGS-WTPGS and simple RFC and semi-advanced WYGM, III. advanced SPVPGS-WTPGS-RFC (and other forms of ESS as possible) and advanced WYGM. IV. releasing of the software (called renewable energy power system sizing software (REPPS)). The obtained results have showed the following. First, the hybridization of multiple resources (i.e., PV-WT) have reduced the required size of power plant, which has proven that such solution can minimize the intermittency effect and then, eventually, increase the reliability. Second, investigating and considering more than one statical type of weather years (i.e., average, most-frequent, worst, and best) has led to a major and significant finding, but not limited to, which is that Considering only one type is not recommended due to the huge variation on the harvested energy among all the types. Moreover, the novel developed generation methodology for weather year data set, in general, and the most-frequent data point selection method, in particular, have showed a very promising solution along with an acceptable range of errors. Also, it has been validated and showed that its performance is capable of predicting the limits of the highest and lowest possible of energy harvesting and supply. Additionally, the effect of different miscellaneous factors (i.e., tracking systems, round-trip efficiency of different energy storage systems, model-related uncertainty, etc.) have been investigated. Among the major and unique results that have been attained using the developed algorithm (REPPS) and weather year data set generator (ABTMY(SITY)) is the estimated range of uncertainty for the four modes; and, based on the validation, the tested day for a year-round operation and based on a real-new data set, the required area and energy storage capacity have both fallen within the estimated range. Future work can be conducted to study the effect of the environment on the performance of the RFC, consider the cooling and shading effects on the performance of the SPVPGS, apply the STW to the developed WYGM, and optimize the levels of penetration by the SE and WE at the studied site and selected conditions.
It has a novel weather year generation methodology and along with a software. Also, it has a new simulation modeling and sizing algorithm of hybrid PV and wind turbine power generation system. لديها منهجية جديدة لتوليد سنة الطقس جنبا إلى جنب مع برنامج. أيضا ، لديها خوارزمية محاكاة جديدة لنمذجة وتحجيم نظام توليد الطاقة الكهروضوئية وتوربينات الرياح الهجينة.

Description

اليوم ، أصبح الحد من انبعاثات غازات الدفيئة ولامركزية محطات الطاقة الكهربائية هدفا عالميا ، مما يساعد بدوره في تجنب التسبب في أي ضرر للبيئة وزيادة وتسهيل إمكانية الوصول إلى الشبكة ، على التوالي ، خاصة في المناطق النائية. واحدة من أكثر الطرق الواعدة لتحقيق هذا الهدف هي استخدام موارد الطاقة الخضراء والمتجددة (RER) مثل الطاقة الشمسية (SE) وطاقة الرياح (WE). ومع ذلك ، في الطبيعة ، تعاني SE و WE من التقطع والتباين (IV) (وتسمى أيضا التقلب) ، مما جعل مهمة التنبؤ بمخرجات الطاقة من وتصميم / تحجيم محطة توليد الطاقة القائمة على RE (REPP) صعبة للغاية وجعلت الموثوقية لتصبح مصدر قلق كبير لصانعي القرار. ومع ذلك ، يحاول الباحثون تطوير مناهج مختلفة لغرض استخدام هذه RER والتخفيف من هذه المشكلة الطبيعية قدر الإمكان ، في وقت واحد. أحد أكثر العوامل الواعدة والتقدير للتأثير الوريدي هو تهجين محطات توليد الطاقة في SE و WE (H-REPP) ، بمستويات اختراق غير متساوية أو متساوية ، من خلال دمج H-REPP مع نظام تخزين الطاقة (ESS) (على سبيل المثال ، الهواء المضغوط ، ضخ الطاقة المائية (PHS) ، خلية الوقود المتجددة (RFC) ، إلخ) ، وباستخدام طريقة يمكنها التنبؤ ببيانات الطقس التاريخية (تسمى WYGM من الآن فصاعدا) من أجل الحصول على أي بيانات إحصائية التي يمكن أن تحدد الإمكانات في أي موقع من الاهتمامات. علاوة على ذلك ، نظرا لأنه من غير العملي طلب مساحة سطح غير محدودة وسعة تخزين الطاقة (ESC) للحصاد والتخزين SE / WE ، على التوالي ، ولكن أن تكون معقولة من خلال تطوير خوارزميات التحجيم ، بدلا من ذلك ؛ تم تقديم هذا في الأدبيات تحت موضوع تحجيم REPP. ومع ذلك ، عادة ، في الأدبيات ، تتم دراسة / اعتماد هذه المهام الثلاث بشكل منفصل ، وهو ما لا ينبغي أن يكون عليه الحال بسبب الروابط القوية بين هذه المهام ؛ بالإضافة إلى ذلك ، تفتقر الأدبيات إلى خوارزميات النمذجة والقياس ل H-REPP حيث يتم تناول التعقيد أعلاه. لذلك ، في هذا العمل ، الهدف الأساسي هو تقدير الحد الأدنى للحجم المطلوب ل H-REPP الذي يمكن أن يعمل على مدار العام ، وفقا للظروف الجوية المختلفة ، ويتكون من: الطاقة الشمسية الكهروضوئية (SPVPGS) (وبالتالي ، يتم استبعاد الألواح الشمسية المركزة (CSPs)) ، ونظام توليد الطاقة من توربينات الرياح (WTPGS) لإمدادات الطاقة المباشرة و RFC لإمدادات الطاقة غير المباشرة و / أو إنتاج الهيدروجين (يسمى نظام إنتاج الهيدروجين الأخضر). تم تقسيم هذا الهدف الأساسي إلى مجموعة من الأهداف على النحو التالي: 1) بناء نمذجة متقدمة ل SPVPGS و WTGPS ، 2) تصميم WYGM جديد يتضمن بكفاءة تأثير IV ويلبي متطلبات H-REPP في أي موقع معين ذي أهمية وجنبا إلى جنب مع نهج الترجيح المكاني والزماني الجديد (STW) ، 3) تطوير خوارزمية لتحديد هذا النوع من H-REPP جنبا إلى جنب مع RFC كدالة لفترة العرض والطلب ، 4). تحسين مستويات اختراق SE-WE وفقا للقدرات المقدرة للموقع ؛ أيضا ، قم بتحسين النتائج المحتملة دون المستوى الأمثل عن طريق تقليل الحجم وخطوة التحديث. بالإضافة إلى ذلك ، يهدف هذا البحث الذي تم إجراؤه إلى: دراسة تأثير الظروف الأولية من أجل اختيار "أفضل يوم لبدء حصاد الطاقة وتخزينها (BDHS) ، واقتراح طريقة جديدة لتحديد نقطة البيانات الأكثر شيوعا لمجموعة البيانات التي لها انحراف معياري متنوع بشدة من وقت لآخر ، مع مراعاة الحاجة إلى تحديث خشونة السطح مع اتجاه الرياح ضمن محاكاة WTPGS ، وتنفيذ العمل بأكمله في برنامج. تم التخطيط لتحقيق هذه الأهداف على أربع مراحل: I. SPVPGS-RFC Simplex و WYGM ، II. SPVPGS-WTPGS المتقدم و RFC بسيط وشبه متقدم WYGM ، III. SPVPGS-WTPGS-RFC المتقدم (وأشكال أخرى من ESS قدر الإمكان) و WYGM المتقدم. IV. إصدار البرنامج (يسمى برنامج تحجيم نظام الطاقة المتجددة (REPPS)). أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها ما يلي. أولا ، أدى تهجين موارد متعددة (أي PV-WT) إلى تقليل الحجم المطلوب لمحطة الطاقة ، مما أثبت أن هذا الحل يمكن أن يقلل من تأثير التقطع ومن ثم ، في النهاية ، يزيد من الموثوقية. ثانيا ، أدى التحقيق والنظر في أكثر من نوع إحصائي من سنوات الطقس (أي المتوسط والأكثر تكرارا والأسوأ والأفضل) إلى نتيجة رئيسية ومهمة ، على سبيل المثال لا الحصر ، وهي أن النظر في نوع واحد فقط لا ينصح به بسبب التباين الهائل في الطاقة المحصودة بين جميع الأنواع. وعلاوة على ذلك، أظهرت منهجية التوليد المطورة الجديدة لمجموعة بيانات سنة الطقس، بشكل عام، وطريقة اختيار نقاط البيانات الأكثر شيوعا، على وجه الخصوص، حلا واعدا للغاية إلى جانب مجموعة مقبولة من الأخطاء. أيضا ، تم التحقق من صحته وأظهر أن أدائه قادر على التنبؤ بحدود أعلى وأدنى مستوى ممكن من حصاد الطاقة وإمدادها. بالإضافة إلى ذلك ، تم التحقيق في تأثير عوامل متنوعة مختلفة (أي أنظمة التتبع ، وكفاءة الذهاب والإياب لأنظمة تخزين الطاقة المختلفة ، وعدم اليقين المرتبط بالنموذج ، وما إلى ذلك). ومن بين النتائج الرئيسية والفريدة التي تم تحقيقها باستخدام الخوارزمية المطورة (REPPS) ومولد مجموعة بيانات سنة الطقس (ABTMY(SITY)) النطاق المقدر لعدم اليقين بالنسبة للأنماط الأربعة؛ واستنادا إلى التحقق من الصحة ، واليوم الذي تم اختباره لعملية على مدار العام واستنادا إلى مجموعة بيانات جديدة حقيقية ، فإن المساحة المطلوبة وسعة تخزين الطاقة قد وقعا ضمن النطاق المقدر. يمكن إجراء العمل المستقبلي لدراسة تأثير البيئة على أداء RFC ، والنظر في تأثيرات التبريد والتظليل على أداء SPVPGS ، وتطبيق STW على WYGM المطور ، وتحسين مستويات الاختراق من قبل SE و WE في الموقع المدروس والظروف المختارة.

Keywords

Big Data, Solar PV, Wind turbine, Uncertainty, Algorithm and Simulation, Green Hydrogen System

Citation

Alfulayyih, Yasir. (2023). Algorithm And Design Tool Development Of Sizing A Stand-Alone PV/WT/Electrolyzer/Hydrogen/Fuel-cell Power Generation System For Electricity Supply Under Weather related Uncertainty Considerations And Thermo-Fluid Effects (Doctoral dissertation, University of Arizona, Tucson, USA).

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By

Copyright owned by the Saudi Digital Library (SDL) © 2025