I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o w er   E ng ineering   ( I J AP E )   Vo l. 6 ,   No . 2 A u g u s t   201 7 ,   p p .   7 3 ~8 8   I SS N:  2252 - 8 7 9 2   DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 6 . i2 . p p 7 3 - 88          73       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J APE   Techno - e co no m ic  Ev a lua tion o Sta nd - a lo ne  H y brid  Renew a ble  Energ y  Sys te m  f o r Re m o te  Villag Using  HOME R - p ro   So ft w a re       Aj o y a   K um a P ra dh a n 1 ,   M a hend ra   K u m a M o ha nty 2 S a nje eb  K u m a K a r 3     1, 3 De p a rtm e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   S ik h a   ‘O’ A n u sa n d h a n   Un iv e rsit y ,   Bh u b a n e sw a r,   Od ish a ,   In d ia   2 De p a rtme n o f   F a rm   M a c h in e r y   a n d   P o w e r,   Od ish a   Un iv e rsity   o f   Ag ricu lt u re   a n d   T e c h n o lo g y ,   In d i a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Me i 8 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J u n   2 0 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J u l   10 ,   2 0 1 7       T h e   o ff - g rid   h y b rid   re n e wa b le  e n e rg y   g e n e ra ti o n   s y ste m   h a s   les se c o st  o e n e rg y   w it h   h ig h e re li a b i li ty   w h e n   c o m p a re d   w it h   so lar  P h o t o v o lt a ic  ( P V )   o w in d   e n e rg y   s y st e m   in d iv id u a ll y .   T h e   o p ti m iz a ti o n   d e s ig n   is  w o rk e d   o u b y   re d u c in g   th e   Un it   Co st  Of   En e rg y   ( UCO E)  f o d iff e re n c a se   s tu d ies   a n d   c o m p a rin g   th e   o u tco m e o b tain e d   b y   th e   u se   o f   HO M ER - P ro   ( h y b rid   o p ti m iza ti o n   m o d e o f   e lec tri c   r e n e w a b le so f t w a re .   T h e   o p ti m a c a sh   f lo a n a ly sis  o f   h y b rid   e n e rg y   s y ste m   is  b a se d   o n   t h e   lo a d   p a tt e r n is  d isc u ss e d ,   so lar  irrad ian c e   (k W / m 2 o f   site  a p ro p e latit u d e   a n d   lo n g it u d e ,   w in d   s p e e d   a n d   p rice   o f   d ies e l,   w h ich   is  c o ll e c ted   f ro m   a   re m o te  v il lag e   in   Kh u rd a   District,   Od ish a   in   In d ia.  M o re o v e r,   th e   o p ti m iza ti o n   a n d   se n siti v it y   re su lt o f   th e   sy ste m   a re   f in d   o u b y   v a r y in g   th e   in p u p a ra m e ter li k e   so lar  ra d iatio n ,   w in d   sp e e d   e tc.   K ey w o r d :   HOM E R   s o f t w ar   H y b r id   g en er atio n   s y s te m     So lar   p o w er     W in d   g en er ati n g   s y s te m   Co p y rig h ©   2017   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A j o y Ku m ar   P r ad h an ,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Sik h O’   An u s a n d h a n   U n iv er s it y ,   J ag a m ar a,   Kh a n d ag ir i,  B h u b an es w ar ,   Od is h a,   I n d ia.   E m ail: a k p 2 0 0 4 4 5 @ y ah o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T ill  to d ay ,   ab o u 3 6 o f   v illa g es  in   I n d ia  ar u n - ac ce s s ed   t o   g r id   elec tr icity   b ec au s o f   in s u f f ic ien t   g en er atio n   a n d   d i f f ic u lt y   in   en h a n ce m en o f   tr a n s m is s io n   an d   d i s tr ib u tio n   s y s te m .   So ,   r en e w ab le  e n er g y   s o u r ce s   ( s o lar ,   w i n d ,   b io m a s s   an d   m icr o - h y d r o   etc)   ar m o r e   s u itab le  f o r   r e m o te/ u n - elec tr if ied   v illa g e   elec tr if icatio n s   [ 1 ] .   Stan d alo n h y b r id   p o w er   g en er atio n   s y s te m s   ar b y   n o w   i n   r u n n in g   co n d itio n   at  s ev er al   p lace s   o f   W o r ld ,   d esp ite  th f ac th at  t h s o lar   en er g y   o r   w in d   en er g y   is   u n p r ed ictab le  [ 2 ] .   Si n g le  s o u r ce   o f   o p er atio n   o f   t h ese   g e n er ati n g   u n i ts   ar n o t   p r o f icien i n   r eq u is i tes  o f   co s t,  e f f ic ien c y   a n d   tr u s t w o r t h in e s s .   A n   ef f ec tiv e   alter n ate  o p tio n   is   b y   u n it in g   th e s d is s i m ilar   r e n e w ab le  r eso u r ce s   to   s tr u ctu r H y b r id   e n er g y   s y s te m   [ 3 ] .   Hy b r id   en er g y   s y s te m s   ar f r ee   o f   g r ee n h o u s g as s es,  ec o - f r ie n d l y   w i th   litt l p r ice  an d   r ed u ce d   er ec tio n   ti m [ 4 ] .   I n   o r d er   to   g et  elec tr ical  en er g y   f r o m   h y b r id   s y s te m   at  r ea s o n ab le  p r ic e,   its   p lan   o u g h t to   b o p tim ized   in   ter m s   o f   w o r k in g   p r in cip le  an d   co n s tit u e n p ar s elec tio n .   B asin g   o n   alg o r ith m   o f   en er g y   co n ce p tio n   to   o p ti m ize  t h s o l ar   p h o to v o ltaic  ( P V)   m o d u le  i n   SP V - W in d   h y b r id   s y s te m   w a s   d is c u s s ed   [ 5 ] .   A   s i m p le  m at h e m atica m o d el  w a s   i m p le m e n ted   f o r   co m p o n en t sizi n g   an d   ec o n o m ic  ev a lu atio n   o f   an   o f f - g r id   w i n d ,   s o lar   P h y b r id   s y s te m   [ 6 ] .   A   li n ea r   p r o g r a m m i n g   p r o ce d u r w as   d ev elo p ed   f o r   m o s t f a v o r ab le  p lan   o f   h y b r id   w i n d - s o lar   P p o w er   s y s te m   f o r   b o th   o f f - g r id   o r   g r id - co n n ec ted   ap p licatio n s   [ 7 ] .   A   d if f er e n asp ec t   o f   SP V,   w i n d ,   d iesel  an d   b atter y - b ase d   h y b r id   s y s te m   in cl u d in g   o p ti m al  s izin g   o p er atio n   h a s   b ee n   d etailed   d is cu s s ed   [ 8 ] .   T h d if f er en ar ith m etica m o d el s   o f   v ar iet y   o f   d esi g n s   a n d   s i m u la ti o n   m o d els  o f   t h e   co m p o n e n t s   t h at  cr ea te   th e s s y s te m s   h a v b ee n   u s ed .   T h d if f ic u lt y   in   d esi g n i n g   t h m o d els  o f   t h e le m e n t s   o f   th s y s te m s   p r i m ar il y   d ep en d s   o n   th t y p o f   ap p licatio n s   [ 9 ] .   A   b atter y   b an k   is   also   u s ed   in   th s y s te m   f o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E   Vo l.   6 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 7 :   73     88   74   s h o r d u r atio n   s u p p o r to   p r o v id in s tan p o w er   [ 10 ] .   T h s p ec ial   en er g y   s to r ag e/b a ck u p   d e v ices  ar e   in te g r ated   in   t h an t icip ated   p ar allel  h y b r id   s y s te m   [ 11 ] .     T h f ac ts   o f   t h s y s te m   d esi g n ,   s y s te m   u n it - s izi n g ,   an d   th u n iq u e n es s   o f   t h m o s i m p o r ta n s y s te m   ap p ar atu s   ar also   d is c u s s ed   in   t h p ap er .   An   o v er all  p o w er   m a n ag e m e n ap p r o ac h   is   co n s id er ed   f o r   th e   s y s te m   to   s y n c h r o n ize  t h p o w er   f lo w s   a m o n g   t h d if f er en en er g y   s o u r ce s .   Si m u la tio n   s tu d ies  h a v b ee n   ca r r ied   o u to   v er i f y   t h s y s te m   p er f o r m an ce   u n d er   d if f er e n s ce n ar io s   u s i n g   p r ac tical  l o ad   p r o f ile  an d   r ea l   w ea t h er   d ata.       2.   SYST E M   CO NF I G URA T I O N   T h p r o p o s ed   s tan d   alo n h y b r id   s y s te m   i s   co n s is t s   o f   P m o d u les,  w i n d   tu r b i n es  ( AC ) ,   d iesel   g en er ato r ,   in v er ter ,   b atter ies  w h ic h   is   s h o w n   in   Fi g u r e   1 .   T h p h o to v o ltaic  g en er ato r   an d   w in d   en er g y   g en er ato r   w ill  s u p p l y   p o w er   at  d ay   ti m an d   th e x ce s s   p o w er   g e n er ated   b y   s o lar   m o d u l es  an d   w i n d   tu r b in e   w il b s to r ed   b y   b atter y   b an k .   T h w i n d   tu r b i n is   o p er ated   w ith   an   in d u ctio n   g e n er ato r   w it h   v ar iab le  s p ee d .   T h d iesel  en g in is   ac ti n g   in   p ar allel  to   p r o v id elec tr ical  e n er g y   to   m ee th lo ad   d em a n d .   T h A C   p r i m ar y   lo ad s   ar t y p ic al l y   r esid en t ial   lo ad s .   T h w ater   p u m p s ,   r ic m i lls   ar tr an s ie n t y p o f   l o ad s   co n n ec ted   to     th s y s te m .           Fig u r 1 .   Mo d el  co n f ig u r atio n   o f   p r o p o s ed   h y b r id   r en e w ab le   p o w er   s y s te m       3.   M E T H O DO L O G Y   A   r u r al  v illa g Gan g ap ad a   ( latitu d 2 0 0 1 2   a n d   lo n g itu d e   85 0 4 0 E )   in   Od is h a,   is   c h o s e n   f o r   th i s   r esear ch   b ec au s t h g r id   s u p p ly   is   av ai lab le  f o r   f e w   h o u r s   p er   d ay .   T h e n   b y   co llect in g   i m p o r ta n d ata  li k e   h o u r l y   lo ad   d e m a n d ,   th to tal  elec tr icit y   d e m a n d   p er   y ea r   is   ca lcu lated .   T h en er g y   p o te n tial  o f   r en e w ab le   en er g y   r e s o u r ce s   i n   th at  v illa g e,   s u ch   as  s o lar ,   w i n d   o r   b io m ass   b y   m ea s u r i n g   o f   ea ch   r eso u r ce   b ased   o n   th eir   p ar am eter s   is   ca lc u lated .   T h m o s ap p r o p r iate  co m b i n atio n   o f   r en e w ab le  e n er g y   r eso u r ce s   to   b p r o p o s ed   as   r en e w ab le  h y b r id   en er g y   s y s te m .   T h m o d el  o f   t h h y b r id   r en e w ab le  en er g y   w i th   all  th co m p o n e n t s   in v o l v ed   is   p r ep ar ed .   A f ter   f i n is h i n g   t h m o d el,   th co m p u ter   s i m u latio n   o f   t h s y s te m   i s   d o n b y   HO ME R - P r o   s o f t w ar e.   T h o u tp u t   r esu lted   b y   t h s i m u latio n   is   to   b an al y s ed   a n d   f i n all y   t h er i s   j u s tif ica tio n   o f   t h e   h y b r id   s y s te m .     3 . 1 .     Desig nin g   a nd   u nit  s izi ng   Fo r   u n it  s izi n g   t h r en e w ab le  en er g y   r eso u r ce s   u s ed   i n   h y b r id   s y s te m ,   t h p o w er   o b tain ed   f r o m   t h e   p h o to v o ltaic  m o d u le  a n d   w in d   g en er ato r   d u r in g   ev er y   h o u r   is   ca lcu lated   as i n   eq u atio n   ( 1 ) :     P res = N spv . P spv   + N wt .P wt   ( 1 )     W h er e , P res   is   th p o w er   g e n er ated   f r o m   t h r en e w ab le  s o u r ce s   at  p ar ticu lar   i n ter v al  o f   ti m e,   N spv   an d   N wt   ar t h n u m b er   o f   p h o to v o ltaic  m o d u le s   a n d   w i n d   t u r b in g e n er ato r s   r esp ec tiv e l y ,   P spv   an d   P wt   ar t h e   p o w er   g en er ated   f r o m   P m o d u les an d   w i n d   tu r b i n g e n er ato r s   r esp ec tiv el y .   T h u n it  s izi n g   is   d o n b y   f i x i n g   s o m P m o d u les  an d   w i n d   tu r b in es  as  b o th   P m o d u le s   an d   w i n d   tu r b in es   ar u s ed   as e n er g y   s o u r ce s .   T h s to r in g   d e v ices ( b at ter y   B an k )   an d   t h b ac k u p   d ie s el  g e n er ato r   ar to   b s ized   ac co r d in g   to   lo ad   r e q u ir e m e n t.  T h b atter y   b an k   i s   ch o s en   w it h   th ca p ab ilit y   o f   s to r in g   m a x i m u m   en er g y   f r o m   t h r en e w ab le  e n er g y   s o u r ce s   w h e n   th er is   p ea k   p er io d o f   s u p p ly . T h s izi n g   o f   b atter y   b a n k   ca p ac it y   d ep e n d s   o n   th d ail y   en er g y   co n s u m p tio n   ( KW h /d a y ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       Tech n o - E co n o mic  E va lu a tio n   o f S ta n d - a lo n Hyb r id   R en ew a b le  E n erg S ystem…  ( A jo ya   K u ma r   P r a d h a n )   75                                                                                                                                                                           [ W h ]   ( 2 )     W h en   t h er is   n o   en er g y   f r o m   r en e w ab le  r eso u r ce s   o r   b atter y   b an k ,   t h d iesel  g e n er at o r   is   s ized   b asin g   u p o n   lo ad   d e m an d   to   m ee t p ea k   lo ad   d e m an d   a n d   is   ca p ab le  o f   s u p p l y in g   p o w er   f o r   2 4   h o u r .     P dg(p) = P Load(p)   ( 3 )     W h er e,   P dg(p)   is   p ea k   lo ad   p o w er   o f   d iesel g en er ato r   an d   P Loa d(p)   is   th p ea k   lo ad   d e m an d   o f   s y s te m .   T h m ai n   co n s tr ai n ts   o f   t h e   h y b r id   s y s te m   ar p er io d ic all y   ac ce s s ib il it y   o f   r en e w ab le  en er g y   r eso u r ce s ,   b alan cin g   o f   t h lo ad   d em an d - s u p p l y ,   o p ti m u m   wo r k in g   r estrictio n s   o f   th in d i v id u al  co m p o n en ts .   T h m o s ad v a n tag eo u s   o p er atin g   p o lic y   a n d   y ea r l y   L C C   ( li f c y c le  co s ts )   o f   th i s   d esi g n   i s   ca lcu la ted   b y   th e   h elp   o f   HOM E R - P r o .   T h m i n i m u m   p r ice,   le s s   u t ilizatio n   o f   DG   s et  a n d   s er v ice   co n s i s t en c y   is   p r ef er r ed   as   th b est p o s s ib le  co m b i n atio n .       4.   CO M P O NE NT S O F   H YB RID P O WE S YS T E M   I n   th i s   p ap er ,   th s y s te m   co n s i s ts   o f   w i n d   t u r b in g e n er ato r ,   s o lar   P g en er ato r ,   an d   d iesel  g en er ato r   an d   b atter y   b an k .   T h d iesel  g en - s et  m u s b ab le  to   s u p p ly   th p o w er   w h en   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce   w it h   b atter y   b a n k   p o w er   less er   t h an   th lo ad   d em a n d .     4 . 1 .     Wind   t urb ine g ener a t o r   T h o u tp u t p o w er   ( P wt )   o f   th w i n d   tu r b i n is   as  f o llo w s   i n   ( 4 )       P wt =1 /2 .   ρ air   .C p ( β ,   λ ) .   A wt   V 3 w i nd   ( 4 )     W h er e:   ρ air ;   th air   d en s it y   i n   k i lo g r a m   p er   cu b ic  m eter   C p ;   th p o w er   co ef f icie n t o f   w i n d   tu r b in d ep en d s   o n   d esi g n   β;   p itch   an g le   λ ;   tip   s p ee d   r atio ,   A wt ;   th ar ea   s w ep t b y   th r o to r   b lad es in   s q u ar m eter ,   V wind ;   th w i n d   v elo cit y   in   m eter s   p e r   s ec o n d ,   ω;   r o to r   s p ee d   o f   w i n d   tu r b in e       T h o u tp u p o w er   is   k ep co n s ta n w h en   w i n d   s p ee d   is   h i g h er   t h an   t h r at ed   w i n d   v el o cit y   ev e n   th o u g h   th w i n d   t u r b in h as t h p o ten tial to   p r o d u ce   m o r p o w er .   T h is   is   d o n th r o u g h   t h p itch   an g le  co n tr o to   p r o tect  th elec tr ical  s y s te m   a n d   to   p r ev e n t   o v er   s p ee d in g   o f   th e   r o to r .   Fig u r 2   s h o w s   v ar iatio n   o f   w i n d   p o w er   w i th   w i n d   s p ee d   ( MA T L A B ) .           Fig u r 2 .   Var iatio n   o f   w i n d   p o w er   w it h   w i n d   s p ee d   ( MA T L A B )           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E   Vo l.   6 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 7 :   73     88   76   4 . 2 .     So la P g ener a t o r   W h en   s o lar   r ad iatio n   is   i n cid e n u p o n   t h s il ico n   ce ll,  t h elec tr ical  en er g y   is   g en er ated .   T h o u tp u t   p o w er   o f   s o lar   P ar r ay   P spv :     P spv = n s . n p .   V oc . I sc .   F F   ( 5 )     W h er e,   n s   a n d   n p   ar th n u m b er   o f   s er ie s   a n d   p ar allel  s o lar   ce lls ,   V oc   i s   t h o p en   cir cu it  v o ltag e   o f   s o lar   m o d u le;  I sc   is   t h s h o r t c ir cu it  cu r r en t o f   P m o d u le  a n d   FF   is   th f ill  f ac to r   T h ch ar ac ter is tic  c u r v e s   ( MA T L A B )   o f   th e   P m o d u le  u s ed   i n   t h i s   s t u d y   u n d er   d if f er e n ir r ad ian ce s   ( 2 0 0 W /m 2 ,   4 0 0 W / m 2 ,   6 0 0 W / m 2 ,   8 0 0 W /m 2   an d   1 0 0 0 W /m 2 )   at  co n s ta n te m p er at u r 2 7 0 C   ar e   s h o w n   in   Fig u r 3 ( a) ,   4 ( a)   an d   5 ( a) .   I is   n o ted   f r o m   th f i g u r e s   th at  t h h ig h er   th ir r ad ian ce ,   th lar g er   ar th s h o r t - cir c u it c u r r e n t ( I sc )   an d   th o p en - cir cu it  v o lta g ( V oc ) .   A s   r es u lt,  th lar g er   is   t h e   o u tp u t P p o w er .     T h tem p er atu r p la y s   an   i m p o r tan r o le  in   th P p er f o r m a n ce   b ec au s t h f o u r   p ar a m ete r s   ( I ph I 0 Rs   an d   α )   ar all  f u n ctio n s   o f   te m p er atu r e.   T h ef f ec o f   t h te m p er atu r o n   t h P m o d el  p er f o r m a n ce   is   illu s tr ated   in   Fig u r 3 ( b ) ,   4 ( b )   an d   5 ( b ) .   I is   n o ted   f r o m   t h f i g u r es  t h at  th lo w er   th te m p er atu r e,   th h ig h er   is   th m a x i m u m   p o w er   a n d   th lar g er   th o p en   cir cu it  v o ltag e.           ( a)       ( b )     Fig u r 3 .   ( a)   I - ch ar ac ter is tic s   cu r v at  d i f f er e n t so lar   r ad iatio n   (b )   a n d   at  d if f er en t te m p er atu r es           ( a)       ( b )     Fig u r 4 .   ( a)   P - ch ar ac ter is ti cs c u r v e   at  d i f f er e n t so lar   r ad iatio n   ( b )   a n d   at  d if f er en t te m p er atu r es       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       Tech n o - E co n o mic  E va lu a tio n   o f S ta n d - a lo n Hyb r id   R en ew a b le  E n erg S ystem…  ( A jo ya   K u ma r   P r a d h a n )   77       ( a)       ( b )     Fig u r 5 .   ( a)   P - I   ch ar ac ter is tic s   cu r v at  d i f f er e n t so lar   r ad iatio n   ( b )   an d   at  d if f er en t te m p er atu r es       4 . 3 .   Diesel  g ener a t o r   T h u tili za tio n   o f   D s et  is   u n iv er s al  i n   v ar io u s   t y p es  o f   h y b r id   p o w er   s y s te m   to   e n s u r co n tin u it y   o f   p o w er   s u p p l y .   I is   co m b i n atio n   o f   d iesel   en g i n a n d   s y n ch r o n o u s   g e n er ato r   to   p r o d u ce   elec tr ical  p o w er   to   m ee th lo ad   d e m an d .   T h s y n ch r o n o u s   g en er at o r   o p er a tes  at  co n s ta n s p ee d   o f   d iesel   en g i n to   p r o v id e   r eq u ir ed   o u tp u v o lta g at  5 0   Hz  f r eq u en c y . T h ese  t y p o f   DG  s ets  m o s tl y   o p er ate  at  ef f icien c y   o f   3 0 f o r   n o m i n al  lo ad .   T h d iesel  g en e r ato r   f u el  co n s u m p t io n   d ep en d s   u p o n   th o u tp u p o w er .   A b o u 2 5 o f   th f u el   at  r ated   f u ll  p o w er   i s   s till   co n s u m ed   b y   g e n er ato r   ev en   i f   n o   p o w er   is   g en er ate  f r o m   it  a n d   also   g i v es  h u g a m o u n o f   p o llu ta n g ase s .   B u to   r ed u ce   th p o llu tan g as  e m is s io n s ,   th d iesel  g e n er ato r   s h o u ld   r u n   f o r   s h o r d u r atio n   o f   ti m e.     4 . 4 .     B a t t er y   ba n k   4 . 4 . 1 .   Sta t o f   cha rg e   o f   ba t t er y   A a n y   ti m th s tatu s   o f   b atter y   i s   r elate d   to   th p r ev io u s   s t ate  o f   ch ar g e,   th en er g y   p r o d u ctio n   a n d   co n s u m p tio n   o f   t h s y s te m   d u r in g   th e   p er io d   f r o m   ( t - 1 )   to   t.  W h e n   t h e   to tal  o u tp u o f   t h w i n d   t u r b in e   a n d   s o lar   P ex ce ed s   th lo ad   d e m an d ,   t h en   t h b atter y   s tar ts   c h ar g i n g   [ 1 1 ] - [ 1 2 ].             (t) =           (t - 1) . ( 1 - σ )  + [ E WT   ( t )  + E SPV   (t)                    ba tt   ( 6 )     On   t h o th er   h a n d   w h e n   t h lo ad   d em a n d   ex ce ed s   t h av ai la b le  g en er ated   en er g y ,   t h b atte r y   i s   i n   d is ch ar g i n g   s tate  [ 1 3 ] - [1 4 ].     C ba tt (t) = C ba tt (t - 1)  ) .( 1 - σ)    [                           - { E WT ( t )  + E SPV ( t ) }]   ( 7 )     W h er C batt ( t)   a n d   C batt (t - 1 )   ar b atter y   b a n k   ca p ac it y   ( w h ) ,   η batt   is   b atter y   b a n k   e f f icien c y ,   σ   is   s el f   d is ch ar g i n g   r ate,   E WT ( t)   , E S PV ( t)   an d   E L ( t)   ar th e n er g y   g e n er ated   b y   w i n d   g en er ato r     P g en er ato r   an d   lo ad   d em a n d   r esp ec tiv e l y .   η in v   is   t h in v er ter   e f f ic ien c y .   A t a n y   h o u r ,   t h s to r ag ca p ac it y   is   s u b j ec t to   th f o llo w i n g   co n s tr ain ts ;     C ba tt ( mi n)        C ba tt ( t )   )       C ba t t( m a x)   ( 8 )     Wh er C batt( m ax)  an d   C ba tt( m in)  ar th m a x i m u m   a n d   m i n i m u m   allo w ab le  s to r ag ca p ac it y .   Usi n g   f o r   C batt( m ax)  th s to r ag n o m i n al  ca p ac it y   C batt(n),   th e n       C ba tt ( mi n) = D O D . C ba tt ( n )   ( 9 )     W h er e,   DOD  ( %)  r ep r esen ts   t h m a x i m u m   p er m is s ib le  d ep th   o f   b atter y   d is c h ar g e.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E   Vo l.   6 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 7 :   73     88   78   5.   O P T I M AL   O P E RAT I N G   P RO CE SS E S   Op ti m al  co n tr o s tr ate g y   o f   h y b r id   r e n e w ab le  p o w er   g e n er atio n   s y s te m   is   to   co m ac r o s s   th e   m o s t   r ea s o n ab l y   p r iced   in v esti g atio n   f o r   d is s i m i lar   co m b in at io n s   o f   r en e w ab le  g e n er ato r s   w it h   d iesel g e n er ato r   an d   b atter y   b ac k u p ,   g r ati f y in g   lo a d   b alan ce ,   r eso u r ce   ac ce s s ib ili t y   a n d   ap p ar atu s   co n s tr ai n ts .   T h d is p atch   p o lic y   is   s u c h   th a th b atter y   ch ar g es,  if   th r en e w ab le  e n er g y   i s   b ig g er   th a n   th lo ad   d em a n d   an d   d is ch ar g es,  i f   lo ad   ex ce ed s   t h o u tp u t   o f   r en e w ab le  e n er g y .   Die s el  g e n er ato r   is   u s ed   as   p ar o f   t h e   s tr u c tu r to   ac i n   r esp o n s to   th u r g en s it u atio n   w h er r en e w ab le  p r o d u ctio n   an d   s to r ed   en er g y   ar n o a d eq u ate  to   m ee th e   lo ad   d em a n d .   T h r en e w ab le  e n er g y   s o u r ce   co n s tr ain t s   ar s u ch   th a t t h e y   s h o u ld   b u s ed   a s   m u c h   a s   p o s s ib le.   T h o p tim al  o p er atio n   ap p r o a ch   f o r   s o lar   P V - W in d   co m b in atio n   s o   as  to   m i n i m ize  t h an n u al  o p er atin g   co s ( C op )   co m p u ted   b ased   o n   th o p er atin g   co s f o r   th e   in ter v al  ( t)   i n   d a y .   Op er atio n al  c o s ts   ar ca lc u lated   o n   th b asi s   o f   co m p o n e n t c h a r ac ter is tics ,   s ize  a n d   ef f icie n c y .       6.   RE N E WAB L E   E N E R G S O URCES   6 . 1 .     So la ra dia t io n   Fro m   t h d ata  p r o v id ed   b y   Na tio n al  R en e w ab le  E n er g y   L ab   d atab ase th av er a g s o lar   r a d iatio n   f o r   th s e lecte d   u n - elec tr i f ied   a r ea   ( latitu d 2 0 0 1 2   a n d   lo n g itu d 85 0 4 0 E )   is   e s ti m ated   to   b 4 . 8 4   k W h / m 2 /d a y   a n d   av er a g clea r n ess   in d e x   is   0 . 5 2 2 .   T h is   is   e x p lain ed   i n   Fi g u r e   6 .   I ca n   b e   n o ticed   th at   m o r s o lar   ir r ad ian ce   ca n   b ex p ec t ed   f r o m   t h m o n th   o f   Feb r u ar y   to   J u n a n d   Octo b er   w h ile  l ess   s o lar   ir r ad ian ce   is   to   b ex p ec ted   f r o m   J u l y   to   Sep te m b er   an d   Dec e m b er .   T h is   co r r elate s   to   th lo ad   r eq u ir e m en t s   as     d is cu s s ed   ea r lier .             Fig u r 6 .   Mo n th l y   av er a g s o l ar   r ad iatio n   an d   clea r n ess   i n d e x   ( HOM E R - P r o )       6 . 2 .     Wind   re s o urc es   T h h o u r l y   w i n d   s p ee d   d ata  o f   t h r eg io n   ( latit u d 2 0 0 1 2   an d   lo n g it u d 8 5 0 4 0 E ) ,   is   m ea s u r ed   at   th h ei g h t   o f   1 5 m   b y   An e m o m eter .   An n u all y   w i n d   s p ee d   d is tr ib u tio n   p r o f ile  o f   t h s elec ted   s ite  i s   s h o w n   i n   Fig u r e   7 .   A cc o r d in g   to   w i n d   s p ee d   d ata,   th r eg io n al  a v er a g w i n d   s p ee d   is   ab o u 3 . 9 3 m /s .   M o r eo v er ,   it  is   clea r   th at  th h i g h e s t a n d   lo w e s w in d   s p ee d   v al u es o cc u r   in   A p r il a n d   J an u ar y   r esp ec ti v el y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       Tech n o - E co n o mic  E va lu a tio n   o f S ta n d - a lo n Hyb r id   R en ew a b le  E n erg S ystem…  ( A jo ya   K u ma r   P r a d h a n )   79       Fig u r 7 .   Mo n th l y   av er a g w i n d   s p ee d   o f   s ite  ( HOM E R - P r o )       6 . 3 .     L o a de m a nd   T h er ar e   v ar io u s   t y p es  o f   d o m est ic  lo ad s   s u c h   as  f a n ,   C F L ,   f lu o r esce n la m p s co lo u r   T V,   FM  r ad io   s ets,  elec tr ic  ir o n   etc  ar u s ed   in   r esid e n tial  s y s te m   in   r u r al   v illa g es.  T h elec tr ical  lo ad   co n s u m p tio n   o f   t h e   un - elec tr i f ied   v illa g f o r   2 4   h o u r   is   ca lc u l ated .   T h h o u r l y   b asis   elec tr icit y   co n s u m p tio n   ( 3 4 0 k W h /d ay )   a n d   m o n t h l y   av er a g lo ad   ( 2 5 . 0 9 k W   p ea k )   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   8   ( a)   an d   ( b ) .             (a )       (b )   Fig u r 8 .   Dail y   an d   Sea s o n al  l o ad   p r o f ile  o f   s elec ted   s ite  ( H OM E R - P r o )       7.   CO M P O NE NT   D E T A I L S   B asin g   u p o n   th a v ailab ilit y   a n d   p o ten tial  o f   r en e w ab le  en e r g ies  i n   th s t u d y   ar ea ,   h y b r id   p o w er   g en er ati n g   s y s te m   i s   m o d elle d   co n s is ts   o f   w i n d   t u r b in e s ,   s o lar   P s y s te m ,   Die s el  g e n er ato r   an d   b atter y   s to r ag s y s te m   as  b ac k u p .   T h d etails  o f   v ar io u s   p ar a m eter s   o f   P m o d u le,   w i n d   tu r b in e,   DG  s et,   b atter y ,   co n v er ter   etc  in   th p r o p o s ed   h y b r id   s ch e m h a v b ee n   co llected   f r o m   d if f er e n r eso u r ce s   w h ich   ar g iv e n   i n   T ab le  2   ( a,   b ,   c,   d ,   an d   e) .       T ab le  2   ( a) .   T h Sp ec if icatio n s   o f   W in d   T u r b in e   D e scri p t i o n s   S p e c i f i c a t i o n s   R o t o r   d i a me t e r   2 . 6 2   m   B l a d e s   3   S t a r t   u p   w i n d   s p e e d   R a t e d   p o w e r   G e n e r a t e d   v o l t a g e   L i f e t i me   3 . 9 3   m/ s   1 0   k W   2 4   V   2 0   y e a r s           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E   Vo l.   6 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 7 :   73     88   80   T ab le  2   ( b ) .   T h Sp ec if icatio n s   o f   So lar   P Mo d u le   D e scri p t i o n s   S p e c i f i c a t i o n s   M a t e r i a l   M o n o c r y st a l l i n e - si   R a t e d   p o w e r   N o mi n a l   L o a d   V o l t a g e   2 5 0   W   2 4   V   V o l t a g e   a t   max i m u p o w e r   p o i n t   S h o r t   C i r c u i t   c u r r e n t   C u r r e n t   a t   max i mu p o w e r   p o i n t   N o mi n a l   Ef f i c i e n c y   L i f e   t i me   3 5   V   7 . 7 5   A   7 . 1 4   A   1 3   %   2 5   y e a r s     T ab le  2   ( c) .   T h Sp ec if icatio n s   o f   B atter y   B an k   D e scri p t i o n s   S p e c i f i c a t i o n s   N o mi n a l   V o l t a g e   1 2   V   N o mi n a l   c a p a c i t y   8 3   A h   R o u n d   t r i p   e f f i c i e n c y   M i n i m u m   st a t e   o f   c h a r g e   En e r g y   c a p a c i t y   o f   e a c h   b a t t e r y   L i f e   e x p e c t a n c y   8 0   %   4 0   %   1   k W h   2 0   y e a r s                 T ab le  2   ( d ) .   T h Sp ec if icatio n s   o f   C o n v er ter   D e scri p t i o n s   S p e c i f i c a t i o n s   N o mi n a l   p o w e r   2 0   k W   M a x i m u m   i n p u t   v o l t a g e   4 5 0   V   M a x i m u m   i n p u t   c u r r e n t   P e a k   e f f i c i e n c y   O u t p u t   v o l t a g e   L i f e t i me   5 0   A   9 4   %   4 8 0   V   2 0   y e a r s     T ab le  2   ( e) .   T h Sp ec if icatio n s   o f   Diesel G e n er ato r   D e scri p t i o n s   S p e c i f i c a t i o n s   R a t e d   p o w e r   1 0   k W   R a t e d   v o l t a g e   4 0 0 / 2 3 0   V   L o a d   c u r r e n t   R a t e d   p o w e r   F u e l   c o st   L i f e t i me   6 2 . 5 A   1 0   k W   0 . 9 5   $ / L   1 5 0 0 0 h r s           8.   H O M E SI M UL AT I O O F   H YB RID P O WE SY ST E M   T h s elec tio n   a n d   s iz in g   o f   co m p o n en ts   o f   t h h y b r id   en er g y   s y s te m   h a v b ee n   d o n e,   u s in g   HOM E R - P r o   s o f t w ar e.   I n p u t   in f o r m atio n   i s   p r o v id ed   to   HOM E R   li k y ea r l y   lo ad   d em an d ,   a v er ag s o lar   r ad iatio n ,   w in d   s p ee d   d ata  a n d   d etailed   co s ts .   HOM E R - P r o   is   a n   o p ti m izat io n   m o d el  w h ich   d o es  t h o u s a n d s   o f   s i m u latio n s   a n d   g iv e s   b est  p o s s ib le  d esig n   f o r   th e   s y s te m .   T h ch o ice  o f   t h s ite  h as   b ee n   m ad b ased   o n   th f ac t h at  t h w i n d   an d   s o lar   p o w er   t h r o u g h o u t h y ea r   is   s u f f icie n f o r   s ett in g   u p   h y b r id   p o w er   g en er atio n   in   Fig u r 9 .           Fig u r 9 .   P r o p o s ed   Hy b r id   s y s te m   b y   HOM E R - P r o   s o f t w ar e       9.   RE SU L T   AND  DI SCUS SI O N   9 . 1   Sens it iv it y   re s ult s   T h s en s iti v it y   v ar iab les  s u c h   as  s o lar   in s o lat io n ,   te m p er atu r e,   w i n d   s p ee d   an d   d iesel  co s ar s elec ted   f o r   t h is   s t u d y .   T h s ea r ch   s p ac m a y   b le n g th e n ed   b y   p u tti n g   r an g o f   o p t io n s   to   s e lect  b est   p o s s ib le  co n f i g u r atio n .   HO M E R - P r o   s i m u late s   ea c h   an d   e v er y   o n o f   d es ig n s   in   t h eir   r es p ec tiv s ea r ch   s p ac f o r   ev er y   s e n s iti v it y   v al u es.   An   h o u r l y   ti m s er ie s   s i m u latio n   f o r   ev er y   p o s s ib le   s y s te m   t y p a n d   co n f i g u r atio n   i s   d o n f o r   o n e   y ea r   d u r atio n .   A   f ea s ib le  s tr u ctu r i s   d ef i n ed   as  s o l u tio n   o r   h y b r id   s y s te m   co n f i g u r atio n   th at   is   ca p ab le  o f   m ee ti n g   t h lo ad .   HOM E R - P r o   d is ca r d s   all   i n f ea s ib le  co n f i g u r atio n s   an d   p o s itio n s   t h p r ac ticab le  d esi g n s   i n   ac co r d an ce   w it h   e v er - in cr ea s i n g   n et   p r esen co s ( NP C ) .   I m o r eo v er   p er m i ts   s o   m an y   p ar a m eter s   t o   b d is p la y ed   a g ai n s t   th e   s e n s it iv i t y   v ar iab les   i n te n d ed   f o r   s elec ti n g   t h b est   p o s s ib le  s tr u ct u r e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       Tech n o - E co n o mic  E va lu a tio n   o f S ta n d - a lo n Hyb r id   R en ew a b le  E n erg S ystem…  ( A jo ya   K u ma r   P r a d h a n )   81   T ak in g   i n to   co n s id er atio n   c u r r en d iesel  p r ice  ( 0 . 9 5 $ /L ) ,   P V -   w in d - d iesel - b atter y   b a s ed   h y b r id   s y s te m   is   ap p r o p r iate  f o r   s tan d - alo n lo ad s .   T o tal  n et  p r es en co s t   ( NP C ) ,   C ap ital  co s an d   co s o f   e n er g y   ( C OE )   f o r   s u c h   a   s y s te m   is   ( R s   1 ,   6 2 ,   4 6 , 8 7 0 )   $ 2 7 0 , 7 8 1 ,   ( R s   1 ,   1 1 ,   0 0 ,   0 0 0 )   $ 1 ,   8 5 , 0 0 0   an d   ( R s   1 2 . 1 0 )   0 . 2 0 1 $ /k W   h ,   r esp ec tiv el y .   Fo r   th s i te  w it h   m i n i m u m   w i n d   p en etr atio n ,   P V -   D s et -   B at ter y   b an k   s tr u ct u r is   m o r p r ef er ab le.   Ho w e v er ,   th ca p ital  co s a n d   NP C   ar lo w er   f o r   s u ch   s y s te m t h C OE   is   m u c h   h i g h er   ( $ 0 . 3 7 6 /k W   h ) .   R elate d   o v er h ea d s   o f   h y b r id   en er g y   s y s te m s   ar au g m e n ted   to o .   On s ig n i f ican ass es s m en t   is   t h at,   a   p h o to v o ltaic   b ased   s tr u ct u r co m e s   i n to   th e   p ict u r o n l y   w h e n   w in d   r e s o u r ce   is   v er y   i n ad eq u ate,   s o lar   en er g y   d en s it y   is   v er y   h ig h   an d   co s o f   d iesel  is   ele v a ted .   Diesel  p r ice  an d   b atter y   b an k   co s m u l tip lier   ar tak en   as t h s e n s i tiv it y   p ar a m eter s .       9.   O pti m iza t io re s ults   I n   HOM E R - P r o ,   th o p ti m iz atio n   r esu lts   co u ld   b ca teg o r ized   f o r   p ar ticu lar   s et  o f   s en s iti v it y   p ar am eter s ,   co n s id er in g   t h d iesel  p r ice  f ix ed   at  0 . 9 5 $ /L ,   ( w in d   s p ee d   3 . 9 3   m / s   an d   s o lar   i r r ad iatio n   4 . 8 4   k W   h / m 2 /d ) .   A p r ese n t,  P V -   w i n d - d iesel   g e n er ato r - b att er y   s y s te m   is   t h m o s s u i tab le.   C o n s id er ab le  r ed u ctio n   in   ca r b o n   em is s io n ,   an d   d ep en d en c y   o n   f o s s il  f u el  co u ld   b ac h iev ed   b y   r ep lacin g   th d ies el  w it h   b len d in g   o f   b io d iesel in   s y s te m .     Fig u r 1 0 ,   g iv es  co m p lete  ab s tr ac o f   th n et  p r esen v alu es  o f   d i f f er e n co s ts   i n v o l v ed   in   th e   p r o j ec t th r o u g h o u t it s   li f eti m o f   2 0   y ea r s .   Af ter   0 5   y ea r s   b at ter y   r ep lace m en t o cc u r s .   B u t t h d iesel  g en er ato r   r ep lace m e n t   d o es  n o o cc u r   w it h i n   2 0   y ea r s   li f eti m e   o f   t h p r o j ec t,  b ec au s th e   h o u r s   o f   o p er atio n   o f   t h g en er ato r   d u r i n g   y ea r   is   ab o u 1 2 4 0   an d   th er e f o r th t o tal  o p er atin g   h o u r s   o f   th e   g en er ato r   d u r in g   t h e   p r o j ec lif eti m is   2 4 8 0 0   w h ich   i s   le s s   th a n   th e   li f eti m e   o p er atin g   h o u r s   o f   t h g en er ato r   ( 2 5 0 0 0   h r s ) .     Fig u r 1 1   s h o w s   ca s h   f lo w   o f   h y b r id   s y s te m   t h r o u g h   o u t li f e   ti m e .           Fig u r 1 0 .   C o s t Su m m ar y   o f   H y b r id   s y s te m   b y   HOM E R - P r o   s o f t w ar e           Fig u r 1 1 .   C ash   f lo w   o f   H y b r i d   s y s te m   t h r o u g h   o u t l if ti m e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E   Vo l.   6 ,   No .   2 A u g u s t 2 0 1 7 :   73     88   82   9 . 3 .   P er f o r m a nce  a na ly s i s   Mo n th l y   a v er ag e   elec tr ic  p o w er   p r o d u ctio n   f r o m   ea ch   o f   th s y s te m   co m p o n e n t s   i n   t h h y b r id   s y s te m   i s   s h o w n   i n   Fi g u r 1 2 .   Her w ca n   s ee   t h at  th lar g est  p er ce n ta g o f   t h p o w er   is   g e n er ated   b y   t h e   s o lar   P V.   E s p ec iall y   th e   g e n e r ated   p o w er   f r o m   t h s o lar   P V   is   co n s id er ab l y   h ig h er   d u r i n g   t h m o n t h s   f r o m   Ma r ch   to   Ma y   a n d   Octo b er .   On   t h o th er   h a n d   th a v er ag p o w er   g en er ated   f r o m   t h s o lar   P is   r elativ el y   s m al d u r i n g   t h p er io d   o f   J u n to   A u g u s t.  T h er ef o r e,   t h d i esel  g en er ato r   h a s   to   p r o d u ce   m u c h   m o r e n er g d u r in g   J u n to   Au g u s t h a n   th o t h er   m o n t h .   A s   ca n   b s ee n   in   th e   f ig u r e,   e n er g y   g en er atio n   f r o m   t h r en e w ab le  s y s te m s   i s   co n s id er ab ly   h ig h   d u r i n g   Ma r ch   to   Ma y .   B u t   s t ill  th er is   co n tr ib u t io n   f r o m   th e   d iesel   g en er ato r .   T h at  i m p lie s   t h at   th d iesel   g e n er ato r   is   s til r eq u ir ed   to   s u p p l y   t h p e ak   d e m a n d   d u r i n g     th is   p er io d .           Fig u r 1 2 .   Mo n th l y   a v er ag el ec tr ical  en er g y   p r o d u ctio n   f r o m   d if f er en t e le m e n t s   o f   h y b r id   s y s te m         Fig u r 1 2   d em o n s tr ates  t h e   y ea r l y en er g y   p r o d u ctio n   s tatis t ics  f r o m   d i f f er en ap p ar atu s   an d   ad d itio n al  r elate d   p e r f o r m a n ce   an al y s is   o f   th h y b r id   s y s te m .   T h w i n d   tu r b in es  g en er ate  th lo w e s t   p er ce n tag o f   2 %   o f   th e   to tal  an n u al   en er g y   g e n er atio n   w h il s o lar   P an d   th e   d iesel  g e n e r ato r   g en er ate  ea c h   4 9   o f   th to tal.   T h er ef o r th r en e w ab le  f r ac tio n   o f   t h s y s te m   is   4 4 a n d   0 . 2   o f   t h to tal  an n u al  e n er g y   g en er atio n   is   ex ce s s   en er g y ,   ac co r d in g   to   s i m u latio n .   T h T h er is   n o   ca p ac it y   s h o r tag o f   th o s   d esi g n .   T h g en er ato r   d is p atch in g   s tr ateg y   u s ed   h er i s   t h lo ad   f o ll o w i n g   cr iter ia th er e f o r th e   g en er ato r   m u s b e   o p er ated   s u ch   th at  it  p r o d u ce s   o n l y   th r eq u ir ed   a m o u n o f   p o w er   to   co v er   th s h o r tag c ap ac it y   th at  ca n n o t   b s u p p lied   f r o m   t h r en e w ab l s y s te m s   o r   b atter y   b an k   to   m ee th lo ad .   T h ca p ac ity   f a cto r s   o f   P V - s y s te m ,   w i n d   g e n er ato r   an d   d iesel  g en er ato r   ar 1 5 . 8 %,  3 . 9 3 an d   7 7 . 5 r esp ec tiv el y .   Fi g u r 1 3   s h o w s   f u el   co n s u m p tio n   s u m m ar y   o f   H y b r id   s y s te m   b y   HO ME R - P r o   s o f t w ar e .   Fi g u r 1 4   s h o w s   g en er ato r   p o w er   o u tp u t   o f   H y b r id   s y s te m   b y   HOM E R - P r o   s o f t w ar e .           Fig u r 1 3 .   Fu el  co n s u m p tio n   s u m m ar y   o f   H y b r id   s y s te m   b y   HOM E R - P r o   s o f t w ar e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.