TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 16, No. 1, Octobe r 201 5, pp. 7 ~ 12   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 16i1.863 5        7     Re cei v ed  Jun e  21, 2015; Revi sed  Jul y  2 7 , 2015; Acce pted Augu st 12, 2015   Study of Necessities and Technologies for Using  Hybrid Photovoltaic-Wind Power Systems        Sobhan Do r a haki   Youn g Res ear chers an d Elite  Club,    Bushehr Bra n c h, Islamic Aza d  Univ ersit y , B u she h r, Iran  email: so bha nd orah aki@ gmai l . com      A b st r a ct    In recent y ear s, increas e  in  e n viro nment c o ncer ns  an d d e m a nd f o r e nerg y  are tw o  ma in  issues  i n   ong oin g  gr ow th of us in g sol a r systems. S o l a r en er gy  has  bee n kn ow n a s  a re new ab le  and c l e an  en erg y   source. On e  of the  most a p p l ied  an d  new  w a ys for  usi ng sun en ergy is hybri d   p hotov o l taic  tec h n o lo g y .   T h is pap er dis c usses req u ire m e n ts, meth od s, limitati ons  a nd techn o lo gi e s  used in the h y brid p hotovo l taic- wind power system .      Ke y w ords : Ph otovolta ic-T urb i ne-W i n d -Irrad i ance- Hybri d         Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .         1. Introduc tion  Today, studi es an d re se arche s  have  incr ea sed t o  find a ne w fuel for p r odu cin g   electri c ity, re gardi ng envi r onm ental concern s   in  energy field and de cre a sin g  fossil  fuel  resou r ces. M an has u s e d  sun en ergy during hi st ory  in variou s forms like con c entrating it in  a   certai n point  or its lighting  energy.  Most ren e wa ble fuel powe r  plants like wind,  bioma ss  and sol a r pla n ts usu a lly feed load s  isolate d  fro m  grid  to  rem o te area s [1 -4]. For  rem o te area s in  p o we r  system  with l o w po wer  con s um ption,  rene wabl e e nergi es li ke p hotov oltaic  system play very effective role.  One issu e that make s usi ng sol a r sy stems mo re im portant an d intere sting is  lack of   damag e to environm ent and being fre e .  It can be said  that incre a se in p r odu ctivity factor and   redu cin g  run n ing cost s of these  system s are tw o imp o rtant and p r omisin g facto r s in wi de spread   use  of thi s   e nergy  in  wo rl d [5]. Unfortu nately,  lack o f  gro w th  and   developm ent  of photovoltai c   sy st em s i n c r e a se s t h e  co st  of  p hot ov olt a ic  sy st em s  su ch t h at  mo st   r e se ar che r s di d not  c o n s ide r   usin g it instea d of commo n energie s  as  cost-effe ctive [6].    Energy lo ss i n  the pa nel s have si gnifi cant  role  i n  the efficie n cy  of elect r ic  o u tput of  panel s. Clim ate can h a ve  significant effect on the  e fficiency of system su ch that this effect is   imposed thro ugh ra diation,  temperatu r e  and shad ow  of a cloud o n  the area [7].   In ord e r to in cre a se g a in  o f  hybrid  phot ovoltaic-win d  system s,  we  need  comp re hen sive  and the o retical kn owl edg e. In this  reg a rd, re sea r che r s have  sugge sted follo win g  maximal po wer  point to incre a se effici en cy of system. Re se arche r s h a ve focu sed  on ch angi ng  panel  cell s.   One of sugg ested m e tho d s for in crea se in g a in  of  rene wa ble en ergie s  i s  sim u ltaneo us u s e of  sola r en ergy  along  with ot her rene wa bl e ene rgie s  [8 ]. This study  pre s ent s met hod s, algo rith ms   and othe r issues n eed ed for hybr i d  phot ovoltaic-win d system s.       2. Photov olt a ic Conc ept  and Modelin g Photov oltaic Sy stem  Semico ndu ct or device tha t  transforms  sunli ght  to electri c ity is kn own a s  ph otovoltaic  cell. Thi s   ph enome non  is call ed p hoto v oltaic. In o r der to  in cre a s e  system  p r odu ction volt age,  sola r  cell s a r e pla c e d  in  serie s  a nd  parallel way. In  orde r to  in cre a se  voltage   and  cu rrent a nd  prod uced p o w er  by sola r  arrays throug h radi ati on, tempe r ature a nd othe r fact ors li ke  wind  can  be ch ang ed [9-12]. Sola r cell is a no n-li near  eleme n t and it can b e  modelled li ke cu rre nt flow as  in Figure 1. In Figure 1,   curre n t is the  diode satura tion curre n t and   and Rsh  resi stan ce s  are  se rie s  an d pa rallel  re si st an ce s of   so lar  cell.  R s h  r e si st an ce i s  l a rge r  t h a n    re sist a n c e  s u ch  that it is ignored in the anal ysis of sola r cell s.  Solar array forms by placi ng sol a r  cell s nea r ea ch  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  7 – 12   8 other an d its  rea s on i s  increase in pan el ’s cu rr ent an d voltage. Cu rre nt equatio n of sola r arra y  based on volt age is a s  Equ a tion (1 ):         Figure 1. Photovoltaic Cell  Model [9]       Curre n t equat ion of sola r array based on  voltage is a s  Equation (1):                                                                                                                              (1)  In equation  (1), I is pan el  curre n t, Np a nd Ns ar e se ries  and p a ra llel cell s. q is electron cha r ge   and  k is B o ltzman n  con s t ant. A is ide a l facto r  [13] . In equation  (1), Id i s   re verse  saturat ed  curre n t. Id calculate s  a s  eq uation (2 ) [14 ] :                                                                                                                      (2)  In equatio n 2,    is  cell refere nce te mpe r at ure.   is satura ted cu rrent in    temperature .  T is cell  temperature  and  is the  g ap bet wee n  two b and s  which i s  diffe rent for e a ch  semi con d u c tor   used in  sol a r cell.   is ca lled current  prod uced  by cell  whi c h  depe nd s on   radiatio n a n d   temperature of  cell.  obtain s  by equatio n  (3).                                                                                                                                 (3)  In equation (3 ),  is  s h ort-c i rcuit in re fere nce temperature.   is the temperatu r e fa ctor. It is  clea r that if we want to obt ain  , V should  be multiplied  in the equati on (2 ) and th en, we  cal c ulate d p /dv=0.       3. Producing  Energ y  using Wind   Feed i ndu cti on g ene rator is, in fa ct,  windi ng  ro tor gen erato r  th at its  stator i s  di re ctly  con n e c ted to  the po wer  n e twork a nd it s rotor  i s  co nne cted thro ugh two con s e c utive ele c tric   conve r ters [1 5]. Figure 2 shows it sche matically.         Figure 2. Win d  Turbi ne Ge nerato r  Sch e m atic         Equation (4)  and (5 ) might  be utilized to  simulate  a P a rt of aero d ynamic  wind tu rbine [15]:                                                                                                                           (4)                                                                                                                                                        (5)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study of Ne cessities a nd  Tech nolo g ie s for Usi ng Hybrid…  (Sobh an Do rah a ki )  9 Equation s  6-12 simul a te Parts of Ge arb o x and DFIG  gene rato r.                                                                                                       (6)                                                                                                                             (7)                                                                                                                                                     (8)                                                                                                                                                   (9)                                           (10)                                                (11)    ;  ; ;  ;                                             (12)     Among adva n tage s of usi ng syn c hrono us ge ner ators, we can  refer to following:    1)  As a re sult of  con s tant fre q uen cy of net work a nd reg u lating rotor f r equ en cy, there is  possibility of controlling m e ch ani cal velocity and ab sorbin g maxim u m power fro m  wind turbin es.   2)  Nomin a l po wer of electron ic conve r ters  in double in duced gen erator is very lowe r  than nomin al power u s ed i n  synchro nou s gen erato r s.       T abl e 1. V a ria b les u s e d  in equatio ns 4 - 1 2   V a riable Definition    Kinetic energ y  of  the roto r     Air density  Sw e p t area  of th e rotor   R  V   Wind speed  Power factor    T i p speed ratio     Angular velocity   of the turbine     Rotor induct ance      S t ator induct ance    Aerod y namic generator  torqu e   T o rq ue of the t u r b ine  Conversion ratio  gearbo x  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  7 – 12   10 Reg a rdi ng no n-line a rity of wind turbine  curv e s  an d u s ing g a in tabl e, various  stu d ies  have bee n do ne for a c hievi ng more po wer. The pa ra meters exploi ted in Equatio ns (4 -1 2) a r e  pre s ente d  in Table 1.       4. H y brid  Photov oltaic-Wind Po w e r Sy stems and Nec essity  of using them   In recent de cade, vario u s  studie s  h a ve  co n d u c ted o n  this subje c t. Gene rally, it can  be  said  that  syn c hrono us u s e  of  rene wa ble  ene rgy  along  with th erm a l  and  win d  e n e r gie s  a n d  oth e r  rene wa ble fu els, co nne ct ed or di scon necte d from   grid, is  calle d hybrid. So me re sea r ch ers  believe that u s ing p hotovol taic sy stem a nd su nli ght i s  not suitabl e. One  of their  rea s on s i s  the  w e ak ne ss  o f  th is  s y s t em in  s o m e  clima t es in some h ours which  n e ce ssitate sy nch r on ou s using   of differe nt e nergi es.  Gen e rally, am ong  advanta g e s   of  t h is  sy st e m s,   we  ca n r e f e r t o  in cre a s e i n   the sta b ility o f  netwo rk, re ductio n  in  ou tage a nd i n creasi ng  relia bi lity of netwo rk [16 - 2 0 ]. Thi s   study ha s investigate d  the  climate ch an ges (effe ct iv e  f a ct or s on h y brid sy st e m )  in B u sheh r i n   Iran. Figu re  3 sh ows the  radiatio n ch ange s for  on e month in  Bushe h r. As figure 3  sh ows,   cha nge s in  ra diation in o n e  month is g r e a t. Fi gure 4  shows the a m ount of ch ang ing win d  po wer  in one month  in Bushe h r. Regarding exte nsive c hang e s  in radi ation  and win d  in d i agra m s 3 an d   4 in one  mon t h, we can sa y that using t hese two  e n e r gie s  alo ng  with each othe r in hybri d  form  is a logi cal work b e cau s e  non-i m plem e n tation of  it lead s to energy shorta ge i n  days with l o w  radiatio n or lo w win d  veloci ty  One of the sy stem problem s is  the unp re dictabl e beha vior of  these  system s from  output  view. Wind  a nd photovolta ic hybri d  dep end s on t he  climate of re gion. Among  these influ ent ial  factors, we can refer  to ra diation,  temp eratu r e  and   wind  velo city [9]. Con n e c tion  schemati c  of  this a r rang e m ent i s  a s  fi gure  4. In  fig u re  3, p hotov oltaic pan el  i s  con n e c ted dire ctly  to  hy brid  controlle r. Energy produ ce d by  these p anel s is conn ected in dire ct ly from controller cha r ge t o   hybrid  cont rol l er. Ge nerally, hybrid  controller i s   k n ow n a s  a s a mp le   la r g er  th an  co n t r o ller   c h arg e   su ch that thi s  device h a s t he rol e  of co ntrolling  syst em. It is clea r that Ac and  Dc l oad s can  be   embed ded in  this syste m .      .     Figure 3. Rad i ation Ch ang es for O ne M onth In Bush ehr [21]            Figure 4. Win d  Velocity Based o n  m/s in  One Month i n  Bushe h r [2 1]     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study of Ne cessities a nd  Tech nolo g ie s for Usi ng Hybrid…  (Sobh an Do rah a ki )  11     Figure 5. Sch e matic of Co nne cting Hyb r id Photovolta ic-Wind Syste m  [22]      Among imp o r tant and i n fluential adva n tage s of  th ese  system s is that win d  and   photovoltai c  sola r sy stem s ca n act to  sup p leme nt  each oth e r a n d  make the n e twork  stable .  At  night o r  whe n  the  sky i s   windy, wi nd  system  ca n  contin ue its  works a nd h e lps  photovol taic  system. Photovoltaic pane l in wi nd  reducing hours  will impose  its effect on t he efficiency  of   sy st em.       5. Conclusio n   By redu cing  re sou r ces  of fossil fuel s an d  in crea sing  environ ment poll u tio n s, it is  inevitable  to move  toward rene wa ble an d  cl ean ene rg ies. In thi s   re gard,  by con s iderin g relatio n s  studie d  in thi s  pape r, wi nd  veloci ty and  radiation  amo unt are two  e s sential fa cto r s th at usi ng  one   of photovolta ic a nd  win d   system s le ad s to  pr o b lem .  Reg a rdi ng  figure s  3  an d 4,  wind  a n d   radiatio n h a s great  cha n g e s  du ring  on e mo nth  whi c h sh ows ne ce ssity  of   u s ing sola r-win d   system s.  In   this study, co nne ction of solar  hybr id  sys tem and  nec e ss ity of us ing solar  hy br id  s y s t em was  s t udied. It is  s u gges ted that future s t udies leads to incr ease  in   the efficie n cy  of  wind -hyb rid systems u s ing  power maxim i zing  system s.       Referen ces   [1]  M Cana le, et al . A revolution i n   w i n d  en erg y   gen eratio n.  En ergy . 200 8; 34( 3): 355-3 61.    [2]  SA Kalog i rou.  T he potential  of sola r in dust r ial proc ess he at appl icatio ns.  Energy.  200 3; 76(4): 337- 361.   [3]  W   T i en, KC Kuo. An ana l y si s of po w e r ge nerat i on from munici pa l soli d   w a ste (MSW )  inciner atio n   plants in T a iw an.  Energy . 20 1 0 ; 35(12): 4 824 -483 0.   [4]  JF  Mercure. S a las  PAn  ass e ssment  of  gl oba l e ner g y  r e sourc e  ec on o m ic pot entia.  Energy . 20 12 ;   46(2): 32 2-3 2 6 .  Doi: 10. 10 16/j . energ y .2 01 2.0 8 .018.   [5]  Solar e nerg y   p e rspectiv e s: executive summ a r y .  Internati o n a l  Energ y  Ag enc y; 20 11.   [6]  D Coia nte, L B a rra. Can p hot ovolta ics bec o m e an effective  energ y  o p tio n .  Solar Ener gy Materials  an d   Solar C e lls . 19 92; 27(1): 7 989 .    [7]  S Dora haki. E v alu a ting t he  Radi atio n a nd  T e mperature  Effect on Phot ovolta ic S y ste m s.  Bulleti n of   Electrical E ngi neer ing a nd Inf o rmatics.  2 0 15;   4(1): 1-6.  [8]  WT  Chong, et  al. T e chno-eco nomic a n a l ysis  of a  w i n d–s ola r   h y brid  re ne w a bl e  e nerg y    s y stem   w i t h   rain w a ter  coll e c tion  feature  for  urban  hi gh- rise ap plic atio n .   Energy . 201 1; 88: 406 7-40 77 .  [9]  A Rezaei, et a l . Investigatin g   T he Effect  Of  Environme n ta l F a ctors On  T he Performanee Of Solar   Array s  (A Cas e  Study  Of  Shiraz Cit y ) .  In dia n  j ourn a l  of fu nda mental  a n d  ap pli e d  life  sc ienc e . 20 14 ;   4(1): 172 9-1 7 3 4 .  [10]  A Jusoh, et al.  A Revie w   on  F a voura b le M a xim u m Po w e r  Point T r acking  S y stems i n  S o lar En erg y   Appl icatio n.  T E LKOMNIKA T e leco mmunic a tion, Co mp uti ng, El ectron ics  an d  Contro l . 201 4;  1 2 (1): 6- 22.   [11]  S Dora haki. A  Surve y  o n  Ma xim u m Po w e r  Point  T r acking  Methods  in P hotovo l taic P o w e r S y stems .   Bull etin of Elec trical Eng i ne eri ng an d Infor m a t ics . 2015; 4(3) .    [12]  A w a n g  Bi n Ju soh, et  al. Var i abl e Step  Siz e   Perturb  an d  Observe MPP T  for PV Solar  Appl icati ons.   T E LKOMNIKA T e leco mmunic a tion, Co m puti ng, Electron ics  and Co ntrol . 2 015; 13( 1): 1- 12.   [13]  MA Khall a t, S Rahma n . A proba bil i stic ap proac h to phot ovolta ic ge ner ator performa n c e pred ictio n .   IEEE Transactions on Energy  Conv ersion.  19 86; EC-1(3): 3 4 -40.    [14]  G Vachtsevan os, K Kala itza kis. A h y brid  photov olta ic si mulator for  util it y  i n teractiv e studies.  IE EE  T r ansactio n s o n  Energy C onv ersio n .  198 7; EC-2(2): 22 7-23 1.   [15]  T  Ackermann. W i nd  Po w e r i n  Po w e r S y stem . John W ile y & Sons, Engl an d. 2005.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  7 – 12   12 [16]  SK Nan d i, H R   Ghosh. A  w i nd –PV-batter y   h y brid  po w e r s y s t em at Sitaku n da i n  Ba ngl ad esh. En erg y   Polic y. 20 09; 3 7 (9): 365 9– 366 4.   [17]  O Ekren, et al. Break-even  ana l y sis an d s i ze  optim izatio n of a PV/ w i n d  h y bri d  en erg y  co nversi o n   s y stem  w i th  ba tter y  storag e–A  case stud y .  E nergy . 20 09; 8 6 (7-8): 10 43 –1 054.    [18]  T  Markvart. Sizing of h y br id  p hotovo l taic- w i n d ener g y  s y ste m s.  Solar Ener gy . 1996; 5 1 (4) :  277-28 1.   [19]  H Sh ahi nza d e h , et a l . D e sig n  a nd  Econ om ic Stud y f o r U s e the  Ph otov oltaic  S y stems  for El ectricit y  Supp l y   in Isfa han Mus eum  Park.  Internati ona l Jour nal  of Pow e r Elec tronics an d Dr ive Syste m s   (IJPEDS) . 201 3; 3(1): 83-94.    [20]  H Shahinzadeh, et al. Optim a l  Planning of an Off-grid Electricit y   Gener ation  w i th Renew able Ener g y   Reso urces usi ng the HOMER  Soft w a re.  Inter natio nal Jo urn a l of Pow e r Electronics an d Drive Syste m s   (IJPEDS).  200 5; 6(1).   [21]  RET S creen so ft w a re,  Versi o n 4.0. 0, d e sig ned  b y   Ca na di an Gov e rnm e n t  for calc ul atio ns re late d t o   Ren e w a ble E n ergi es conn ect ed to NASA da tabase.   [22]  R Maou ed ja, et al. Perform ance  eval uati o n of h y bri d  Ph otovol ta ic-W in d po w e r s y ste m s. 2014; 50:   797- 807.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.