TELKOM NIKA , Vol.14, No .2, June 20 16 , pp. 411~4 2 2   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.3749    411      Re cei v ed  De cem ber 2 7, 2015; Re vi sed  April 7, 2016;  Accept ed Ap ril 20, 2016   Performance Analysis of a PV/FC Hybrid System for  Generating Electricity  in Iraq’s Remote Areas      Z .  N a wa wi 1 , A.S. Az iz 2 , Z. Buntat 2 , M.A.B. Sidik* 1,2 , H.J. Karee m 2 , A.Z. Abdulameer 2 ,   M.A.A. A z iz 2 , M.I. Jambak 1 , Y.Z.  Arief 2   1 Departme n t of Electrical En gi neer ing, F a cult y  of Eng i ne eri n g, Univers i tas Sri w ij a y a,   306 62 Ind e ral a ya Og an Ilir, South Sumat e ra , Indonesi a   2 Institute of High Voltag e an d  High C u rre nt (IVAT ), F a culty   of Electrical En gin eeri ng,   Univers i ti T e knolo g i Mal a ysia,  8131 0 Joh o r Bahru, Joh o r, Mala ysi a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : abub akar@ u nsri.ac.id        A b st r a ct   A relia ble  elec trical en ergy s upp ly is a pr e r equ isite for i m pr ovin g the  standar d eco n o mic an d   qua lity of life  l e vels i n  a c o u n try. As  is the  case i n  many  countri es, Iraq  is ho me to a c o llecti on  of re mote   villa ges. Sinc e  it is unecon o m ic al to con n e c t these v illa g e s to the existi ng gri d , the in stallati on of stand- alo ne  el ectrical  pow er  ge nera t ors has  b e co me  co mmon  p r actice. As  a r e sult, d i es el st and- alo n e  pow er   gen erators s e e w idespr ea d  use i n  thes e r e mote l o cal e s, w h ich, w h ilst fit for their in tende d p u rpos e,   unfortun a tely s u ffer from s e v e ral  draw back s , inclu d in g  i n s t ability i n  re gar ds to every day  oil  prices  and  a   num b er of  environm ental is sues.  The im plem entation of  a PV/FC hy brid power system could be  one  potenti a l  alter n ative to help  s o lve t hese pr oblem s. Therefore, this  paper w ill  pres ent  PV /FC system  c o ntrol   strategies alongside infor m ation relating to the perfo r manc e  of such system  c o m p onents ,  based  on a c a se  study that w a s conduct ed in  Al-Gow air,  Iraq. T h is study is espec ial l y i m p o rtant in ter m s  of envisi oni ng  the   future en ergy  supp ly ne eds  of Iraq. T he H O MER si mulati on res u lts sho w ed that by u s ing th e pro p o s e d   control strategies and su gges ted com p onent s of  a PV/FC system , it was able  to produce a satisfactory   outco me.      Ke y w ords :   photovoltaic, fuel  cells, hybr id power syst em , rem o te  area, diesel generat or      Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Bac k grou nd   There are m any remote v illages  that are located far away fr om t he utility gri d  in Iraq.   Con ne c ting  su ch villag es to the exist i ng gri d  is  certainly both  impra c tical  and in efficie n t.  Therefore, i n  ord e r to  ful f il the ele c tri c al  ene rgy d e mand  in th ose  pa rticul a r  village s, th e   installatio n  of stand alon e g enerators is a  normal p r a c tice in Iraq.   Ho wever  pet roleu m  co sts keep in crea sing, with th e fluctuation s  in price often bein g   unpredi ctable .  As su ch, th e use of di esel as a f uel  source fo r  sta ndalo ne g ene rators in  re m ote  area s  can  n o long er b e  con s id ere d  reliabl e. In addition,  since it s con s umption  rele ase s   signifi cant pol lutants, su ch  as CO 2, CO,  NOx  and SO2, diesel i s  unfrien dly to  the environm ent  [1, 2].    As a re sult, the be st optio n for rem ote  area s  would  be to install  stand alon e el ectri c al  gene rato rs,  whi c h utilise a rene wa ble  energy sup pl y . Under  simi lar co ndition s, there are  some   rene wa ble e n ergy  sou r ces  and te chn olo gies th at are   available fo r  use,  whi c h h a v e alrea dy be en   applie d, as shown in Tabl e 1.      Table 1.  App lication s  of re new able en ergy in some countrie s   Countr y   Rene w able en er g y  applied   Capacit y  Sine Moussa Abdou, Thiès  region, Senegal [ 3]  PV-Wind turbine- Batter y - Diesel   generato r   5.2 kWp PV arra y, 5 kW  w i nd turb ine, 120 kWh  batter y  bank and  a 8.5 kVA diesel genset  Kimprana-Mali [3 ]    PV- Battery - Die s el  generato r  - local grid  72 kWp, PV arra y, 1185 kWh, 17 5 kVA diesel  genset, 400 V D C , Sunn y   Mini Central   Conselice, Italy  [ 4 ]  Palm oil  50 MWel  (engine s) + 6 MWel (steam turbine)   Angonia, Tete, M o zambique [5]   H y dr opo w e r   280 kW  Maguga Dam, S w aziland [6]   H y dr opo w e r   19.2 MW  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  411 – 42 2   412 One pote ntial  rene wa ble e nergy  sou r ce  is a  hybri d  p hotovoltaic  (PV) and fuel  cell (FC)  system.  Re g a rdin g the  g r een  en ergy co ncep t, th ese  a r e  both  excell ent  re newable  en e r gy  sou r ces. PV/FC power pl ants hav e be en su ccessfu lly operated in  many coun tries, inclu din g  Germ any, Italy, Finland, Ja pan, Spain, Saudi Ara b ia, Switze rlan d a nd the USA [7].    In Ne unb urg  vorm  Wal d, Ge rmany, t he  syst em  consi s ts of  several  different PV   techn o logie s   that rang e in  size from 6  kW p  to 135  kW p . Other  su bsyste ms in cl ude DC/DC a nd   DC/AC  conve r ters, DC a n d  AC busb a rs  as we ll as two electrolyze r s of 111 kWe  and 100  kW e ,  whi c h  are  u s ed to  pro du c e 47  m 3 /h  of hydrog en, ref r ige r ating   unit s   of 16.6 kW th  and th ree  fuel  cell s, i.e. (1) alkali ne of 6.5 kWe and 4 2.2 kWth, (2)  pho sph ori c a c id of 79.3 kWe an d 13.3 k Wth ,   and (3) PEM  of 10 kWe. Similarly, the Ente Na zi on ale pe r le En ergie Alte rnat ive (The ENEA  Proje c t) in Italy consi s ts of  a PV  field of 5.6 kW p , a bipolar al kalin e electrolyze r  of 5 kW and  a   tank storage   su bsy s tem of  18 Nm 3 . T he  control  system i s  b a se d on  a Prog rammabl e Lo gic  Controlle r (PLC), which co ntrols ma ny variabl es  su ch  as the tempe r ature of the  electrolyze r , the  range of the current, the conduc tivity of water and it has t he  ability to stop the system  in  emergen cy situations.  T h e  fuel cell size  i s  a  3  kW PEM,  operating  at 72° C. Th e  two  aforem ention ed exam ple s  sh ow th at th e cost of  i nst alling a  PV/FC  system i s   highe r tha n t he  relative in stal lation  co sts  of a di esel  gene rato r  system. Th ey  also  indi cate  that the  en ergy   conve r si on proce s s that take s pl ace through a PV-el ectroly z e r -sto rage -F C ch ai n is much m ore  compl e x than  a sim p le di rect loa d  supp ly. Howe ve r,  the PV/FC sy stem i s  abl e to avoid e nergy  surplu s losse s  and  can  sto r e more ene rgy for longe r perio ds of tim e  [8].  Even though  many efforts have bee n  made to wa rd s sim plifying  the de sign of  PV/FC  system s, so  f ar re sea r che r s  h ave been  unabl e  to   ag ree o n  a d efini tive optimum   desi gn  pro c e ss  for su ch a system. There  is a real ne ed to  explore optimum si zing of  co mp onent sel ecti on,  operational  control st rategi es an d perfo rmance-relate d issue s  in this are a .  A feasi b ility study regarding the application  of PV/F C   system s i n  Iraq’ s  rem o te areas  has not yet been ca rri ed o u t. Therefore, this study  on  PV/FC systems is of parti cula r impo rta nce   whe n  attempting to envisa ge the future  energy sup p l y  needs of Ira q .     Con s id erin g the above fa cts, a PV/FC system  for Al-Gowair villag e has b een pl anne d in  orde r to obt ain an optim al desi gn, which in clud es the sizin g  of compo nen ts, hourly-ba s ed   operating  states a nd the  o peratio nal  co ntrol st rategy.  Four m ain   compon ents  of a PV/FC hyb r id  power  syste m whi c h will  be examin ed , namely PV,  the elect r olyzer, hyd r og e n  storage ta nks,  fuel cell s a s  well a s  othe r  acce ssorie s.  The st o r ed  h y droge n and  oxygen furni s h the fuel cell s in  a controll ed f a shi on  witho u t interruptio n when  t he P V  system  ca nnot  sup p ly sufficient p o wer to   the electrolyzer and a c ce ssori es d uri ng  off-sola r day s.        2. HOME R  Soft w a r e    The Hybri d Optimizatio n Model for Electri c  Re ne wable (HOME R ) is  softwa r e that is  use d to perfo rm co mpa r ati v e econ omic  analysi s  on d i stribute d  gen eration p o wer system s. The   data inputted into the HOMER software will perf orm an hourly  simulation for every possi ble  combi nation   of the compo nents. T h e s e  inputs are  u s ed to  ra nk the sy stem s a c cordi ng to  u s er- spe c ified  crit eria,  su ch a s  cost of  e nergy  (C OE )   or capit a l co st s.   Fu rt h e rmo r e,  HO ME R  simulatio n s  can perfo rm ‘sensitivity analysis’, in wh i c h the values of certain pa rameters, su ch as  co st of fuel cells, are va rie d  in orde r to determi ne the i r impa ct on the COE [9].      3. Load  Profile   In the first st ep of the de sign p r o c e s s, l oad analy s i s  is p erfo r me d by con s ide r ing the   electri c al  loa d s  over an  a v erage  d a y. In real-life   dat a, the l oad  profile will  vary  from  day to   day   due to th e  size and  shap e  of the loa d  co nsum ption.  In  simul a tion, to achieve th e  real  co nditio n s,  some  noise inputs a r e a d ded to the lo ad data p r of il e. In both ca se s, day-to-d a y and time-step- to-time-step,  a small  ra nd om vari ability of 3%   ha s  been  ap plied .  Variation s   due to   sea s o nal   affects a r e al so con s ide r e d  as an other f a ctor of vari ation in the loa d .   The daily  con s umptio n of e l ectri c al e n e r gy  in village  durin g June t o Octo ber i s   sho w n i n  Table 2. It wa s a s sumed th at the load  of each ho ur  wo uld be  red uce d by 2 kW d u r ing  Novem b er  to Febru ary, while the lo a d woul d be redu ced to 3  kW fo r ea ch  hour d uri ng  March to Ma y. Th e   daily load  de mand in  Al-G owai r village  durin g June   to Octo be r is  sho w n i n  Fig u re  1 [10]. Fi gure   2 sho w s the monthly average loa d  profi les [11].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c e  Analysis of a  PV/FC Hybrid  System  for Generating Ele c tri c ity Iraq ’ s … (Z. Na wa wi)  413 Table 2. The  daily con s um ption of elec trical en ergy in  Al-Gowair village   Load (kW)   Ti me (Hou r)   Load (kW)   Ti me (Hou r)   28.3  13  16.3  1  29.8  14  8.2  2  27.8  15  9.0  3  33.7  16  12.1  4  37.4  17  13.5  5  54.5  18  21.5  6  50.0  19  22.3  7  31.8  20  24.3  8  28.6  21  30.9  9  23.1  22  32.0  10  22.9  23  29.7  11  16.8  24  37.3  12  641.8kWh  T o tal load            Figure 1. The  daily load de mand in Al-G owai r village  durin g Ju ne to Octob er [11 ]           Figure 2.  Monthly average s load p r ofile       Figure 3.  Monthly average  daily radiatio n and  clea rne s s ind e x       4.  Solar Radia t ion Res ourc e   The daily sunshine  profile as a  m onthly averag e over the  course  of a year i s  illustrated  in Figu re 3. It rep r e s ent s the monthly  cl earn e ss  in de x of Al-Gowai r. All the dat a wa s g a thered  for latitude 3 4 ” 9’ North a nd longitu de  42” 2 6 ’ East  [12]. It should be note d  that duri ng th e  summ er season, solar radi ation attain s i t s maximu m  l e vel. The  hig hest l e vel i s  d u ring  June,  with   daily radiatio n levels rea c hing aroun d 7.6 kWh/m 2 /d. Then, durin g the winter  sea s o n  it attains  the minimum  value, whi c h take s pla c e d uring  De cem ber  with daily  radiation l e vels of aroun d 2.6   kW h/ m 2 /d. These level s  are simila r to the reliabl e sol a r ra diation le vel in Iraq.      5. Sy stem  Des cription   A hybrid-typ e power g e n e ration  syste m  con s i s ts o f  a PV module equi ppe d  with a   controlle r tha t  is use d  to a ttain maximum power -poi nt tracke rs, a  pre s suri zed  stora ge tan k   for  0 6 12 18 24 0 10 20 30 40 50 60 Lo a d  ( k W) D a i l y P r o f ile Ho u r J a n M ar M a y J ul S ep N ov A n n 0 10 20 30 40 50 60 70 A ver ag e V al u e ( k W ) A C  P r im a r y  Loa d M ont h l y   A v e r a g e s M ont h ma x da i l y  hi g h me a n d a il y  lo w mi n 0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 J an F eb M ar A pr M a y J u n J u l A ug S ep O c t N ov D ec 0 2 4 6 8 D a i l y  R a di a t i o n  ( k W h/ m ² / d) G l oba l  H o r i z onta l  R a di a t i on C l ea r n es s I n d e x Da i l y  Ra d i a t i o n C l ea r ne s s  I n de x Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  411 – 42 2   414 H2  storage, f uel cells, inve rter  (DC-A C )  and el ect r ol y z er for  H2  pro ductio n a s   sh own i n Fig ure  4.  The  whole  system ha s b een d esi gne d usi ng  HO MER a s  sho w n in  Figu re  5. Furthe rm ore,   several co mp onent pri c e s  for this  study are obt ai ned f r om previou s l y  publish ed p apers [13, 14] .          Figure 4.  The config uratio n of a  PV/FC hybrid po we r  gene ration  system           Figure 5.  The config uratio n of a PV/FC hybr id po we r  gene ration  system in HOM E R software       5.1. PV  Sy stem  The PV syst em co nsi s ts  of array s  of sola r  cells, which a r e  com m ercially ava ilable in   many types o f  power  and  voltage  ran g e s . For  ex ampl e, the  simple st PV po we r  module  is fou nd  in many types of sm all cal c ulato r s a nd wris t w atches. La rg er  PV module s  are utilised  for  electri c al  wa ter p u mp s,  comm uni cati on to we rs,  home  appli a nce s , et cete ra [11,  15].  The   utilization of  PV systems for ele c tri c ity gener ation provid es sub s t antial  advantage s over  conve ntional  power  so urce s, for  exa m ple: (1 ) P V  is environ mentally frie ndly-the r e a r e no   harmful  gree nhou se  ga s  emission s  du ring th e g en era tion  of el ectri c ity; (2 )  sola r e ne r gy  is  obtaine d fro m  natural re source s, whi c h are free  an d in abund an ce; (3 ) the cu rre nt cost of PV is   on a fast-red ucin g track a nd this red uction is ex pect ed to continu e for the next several yea r s,   therefo r e, PV panel s have  a promi s ing  future in  terms of eco n o m ic viability;  (4) PV pan el s  conve r t sunli ght into  elect r icity in  a di re ct  way; and  (5) PV p anel s have ve ry lo w o peration  and   maintena nce co sts [16].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 9 30       Perform a n c e  Analysis of a  PV/FC Hybrid  System  for Generating Ele c tri c ity Iraq ’ s … (Z. Na wa wi)  415 In ord e r to  cater to th e el ectri c al  dema nd in Al -Go w air, the  ca pa city of the P V  modul e   has  bee n det ermin ed a s  n eedin g to be  cap able  of p r odu c in g bet w ee n 0  kW to 280  kW. T his  informatio n will be applie d  to the HOME R, along  wi th  the capital  cost, repl acem ent co st, O&M   co st, lifetime  and trackin g   system.  T he  details of the   input d a ta for the PV m o d u le a r e  provided   in Table 3.     Table 3.  PV input detail s  Size to consider (kW)  0-255-260-2 65-2 70-280   Capital cost ($/kW)  5600   Replacement cost ($/kW)  5600   O &M cost ( $/kW/y r )  0  Lifetime (y ea r)  25  Tracking s y stem   Tw o  ax is      5.2. Fuel  Cells  A fuel cell  co mbine s  hyd r o gen a nd oxyg en to produ ce ele c tricity. The ba si c p r i n cipl e of  a fuel cell i s   illustrated in  Figure  6. Hy drogen i s  fed to the fuel  electrode (anode),  where it is  oxidize d, pro duci ng hyd r o gen io ns  and  elect r on s.  In  the mea n time, oxygen i s  fed to the  air  electrode  (ca t hode),  whe r e the hydro g en ion s  from  the anod e ab sorb ele c tro n s  and  rea c t with   the oxygen to  prod uce wat e r. The diffe rence betwe e n  the re spe c ti ve energy levels of the an o d e   and the  cath ode i s  the vo ltage pe r u n it cell.  Ho wev e r, the  cu rre n t flows in th e extern al ci rcuit  depe nd o n  th e chemi c al  a c tivity and th e amo unt  of  sup p lied  hydrogen. T he flo w  of th e current  will co ntinue  as lon g a s  th ere i s  a supp ly of  reacta nts (hyd rog en  and oxygen )  [17].  Detaile d  data of FC for the current st udy is provid ed in Table 4.           Figure 6.  The basi c  pri n ci ple of a fuel cell      Table 4.  Fuel  cells d e tails.   Table 5.   Spe c ificatio n of an in verter input details  Size to consider (Kg)  0-50-5 5 -60 - 65   Capital cost ($/Kg)  3000   Replacement cost  ($/kW)  2500   O &M cost ( $/kW/y r )  0.02  Lifetime (hour)  40000     Size to consider (kW)  0-55-6 0 -65 - 70   Capital cost ($/kW)  900  Replacement cost ($/kW)  900  O &M cost ( $/kW/y r )  0  Lifetime (y ea r)  15  Efficiency  %   90      5.3. Conv erter   All PV and  FC  system s pro d u c e  DC p o wer,  which  cann ot  be di re ctly a p plied  to  particula r ma chin es an d h ome appli ances. To co nve r t the DC po wer to AC po wer, an inve rter   device i s   req uired. Sin c e   most el ectri c al appli a n c e s  have n o  buil t-in facility fo r a c cessin g  DC  power, an i n verter i s  of u t most ne ce ssity as par t of  the overall  system. Inverter devices  a r e   available  with  different sp e c ificatio ns of  output  wattag e  [18]. The in verter spe c ification s  detail ed  in Error! Re fe rence s o urce  not found.  a r e  the values n eede d to cate r the load p r o f ile.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  411 – 42 2   416 5.4. Electroly zer  Electroly s is is the process i n whi c h an el ectri c  cu rrent is pa ssed through water (H2O ) in   orde r to  brea k the  bo nd s  betwe en th e  hydrog en  an d  the oxygen ,  yielding hydroge n (H2) a nd  oxygen (O2)  in se parate  states. In this  proje c t, t he e l ectroly s is proce s s is  use d to get  H2  and   store it in a  hydrog en tank [19]. A stand -alo ne  electrolyze r   system, kno w n a s  a Proton   Exchang e Membrane (PE M ) ele c trolyzer, purcha s e d  from Proto n  Energy Inc., was use d  to   obtain a cost  estimate of a stand -alo n e (hydr oge n by wire ) ele c trolyze r . The  details of the  electrolyze r   a r e  provid ed i n  Tabl e 6. All  thes e comp on ents co uld be   improved up on-fo r  exa m pl e,  by re placi ng f i ttings  with  welded  tube  a s sembli es-i n  o r de r to  achiev e furth er  co st  redu ction s  [2 0].  In conventio n a l system s,  an ele c troly z er produ ce s  hydrog en at l ow p r e s sure s (100 -20 0 p s i) .  The hyd r oge n is then  co mpre ssed to  elevate the p r essu re fo r g as  stora ge. In re cent d ecade s,   the resultant pre s sure is a bout 250 0-3 0 00 psi, wh ich  is expecte d to increa se up  to 6,000 psi  in  the very nea r future, thro ugh the ap pl ication of  im proved te chn i que s. As a result, it wou l d  eliminate the   need fo r  com pre ssors. Giv en this  co nt e x t, it is assum ed that a  co mpre ssor will  not  be req u ired for the current  study [9].    5.5. H y drogen  Tank   A tank for  storin g th e  hydrog en  is a  ne ce ssary eleme n t. The  hydro g e n  sto r a g e   spe c ification i s  sho w n in T able 7, in  whi c h the va riati on of si ze i s   0 kg to 1 40  kg. Duri ng the  25- year se rvice perio d, this tank  will need  to  be maintained an nuall y . The cost o f  operation a nd   maintena nce  of the hydrog en sto r ag e is $15 pe r kg p er an num. Th e stored hyd r ogen e ne r gy is  use d to overcome  daily a nd seasonal  discre pan ci e s  in ord e r to  meet the de mand fo r reli ably- sou r ced en ergy.      Table 6.  Electrolyze r  input  details  Size to consider (kW)  0-230- 235-2 40-2 45-250   Capital cost ($/kW)  2000   Replacement cost ($/kW)  1500   O &M cost ( $ /kW/y r )  20  Lifetime (y ea r)  15  T y pe   DC   Efficiency  %   75    Table 7.  Hyd r oge n sto r ag e details  Size to consider (Kg)   0-125- 130-1 35-1 40  Capital cost ($/Kg)  1300   Replacement cost ($/Kg)   1200   O &M cost ( $ /Kg/y r )  15  Lifetime (y ea r)  25        6.  Resul t s and  Discus s ion    The  simul ation  wa s  carri ed o ut ba se d on  a  25-y ear-lon g p r oj ection  pe riod  and  6%   annu al re al i n tere st rate.  The aim  wa s to ensure t he hig h e s t le vels of reli ab ility in terms of  sup p ly security, efficiency  of the  stan d-al o ne PV/ FC  system   and to  prop erly defin e t h e   operational  strategy n eed ed to  mainta in the  gen erator,  all   of which   can be summ ari z ed  as  follows :  (a)  The first sce n a rio  wa s the   PV system  supplie s the  el ectri c ity imm ediately to th e load   deman d. In this sce nari o the power of the  PV syste m  was e qual  to the load demand  (P Lo ad);  (PV supply =  P Load).   (b)  The  se cond  scen ario  wa s if  the po we r of   the PV syste m  exce ed s th e P Loa d. In su ch  a situ ation, th e PV sy stem  woul d imme di ately su pply the P L oad  a s  well  as di stri bute the  exce ss  power from th e PV system to the el ectrol yzer in o r de r to prod uce H 2  ; (PV supply > P Load ).  (c)  Another sce n a rio  wa s th at the PV  syst em p r ovide s  l e ss el ectri c al  po wer than  t he P  Load. In this scena rio, the  P Load woul d be su p p lied  by both the  PV system and the FC; (PV  sup ply < P Load).   (d)  Finally, if sol a r irradi ation  is un available ,  electri c ity might be  sup p li ed from th e F C  to  the load dem and; (PV sup p ly = 0).   Furthe rmo r e, experim ents were cond uct ed  in  o r de r to  find the opti m um value s   of each   deci s io n vari able si ze, wi th the possib l e deci s ion v ariabl es b ein g (1) PV array, (2) fuel cell  gene rato r, (3 ) conve r ter, (4) ele c trolyze r and (5 )  hyd r oge n storag e tank. Figure 7.  The overall  optimizatio n result s sh owi n g system  con f iguration  so rted by the total net pre s e n t  cost presen ts  the overall o p timization  re sults for th e  prop osed  system, inclu d in g a li st of dif f erent p o ssibl e   sizes fo r the  comp one nts.  The first ro w  sho w s  the o p timum syste m  co nfiguration-m eani ng t h e   one with the l o we st net pre s ent cost.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c e  Analysis of a  PV/FC Hybrid  System  for Generating Ele c tri c ity Iraq ’ s … (Z. Na wa wi)  417 6.1. Equipment  Optimiza tion   Analy s is    It was dete r mined that 2 65 kW of PV output wa s th e optimum si ze for the p o tential Al- Gowair PV/F C  sy stem. If lowe r si ze s a r e used, t hey will re sult in  an in sufficien t energy  sup p ly  for the required loads, whil st hi gher si zes will si gnificant ly increase  the capital  cost. The mont hly  averag e PV output from  Janua ry to De cemb er i s   illu strated i n  Fig u re 8. It sho u l d be note d  that  the maximu m avera ge  o u tput app ea rs du rin g  the  summ er  se aso n , with th e winte r   sea s on   having the lo we st possibl e  averag e out put. A summ ary of the PV output re sult s ca n be  see n in   Table  8.  Su mmary of PV  output results, whi c h  pro v ides e s senti al inform atio n re garding  the  quantity of PV output for Al-Go w ai r.          Figure 7.  The overall opti m ization  re su lts sho w in g system co nfiguration  so rted  by the total n e t  pre s ent cost         Figure 8.  Monthly average  output of PV  Table 8.  Summary of PV output re sults  Quantit y Value  Units  Rated capacit y  265  kW  Mean output   83  kW  Mean output   1,981   kWh/d  Capacit y  factor   31.1  %   Minimum output  0.00  kW  Maximum outpu t   327  kW  Hours of ope ratio n  4,385   hr/ y r   Total production   722,970   kWh/yr         In orde r to accou nt for the requi re d load , the optimum size of the  FC sho uld b e 60 kW.  This i s  enou g h to supply the ne ce ssary  load ev en when the outp ut of PV turns to ze ro du ri ng  the night.  The re sults of  the FC outpu t in t he simulation have b een summa ri zed in Ta ble  9 .     Summary of  fuel cell outpu t  re sults. Mea n whil e,  Fi gu re 9  co ntain s  t he d a ta in  re gard  to th e d a ily  profile  of FC  output. As  ca n be  se en from the  sup p l ied data, th e  maximum F C  outp u t o c curs  mostly at  06 :00 PM.  Ho wever,  the  F C  o u tput   ra mps do wn  d u ring  the  su nlight h ours  and   become s  zero if PV output attains a thre shol d point   where it can h a ndle the e n tire load. In terms   of the monthl y average o u t put of FC, as sh own  in F i gure  10, it can be seen t hat duri ng th e   winter sea s o n , the FC out put inten s ifie s a s  the  PV  o utput goe s  do wn d ue to  a redu ction in  solar  radiatio n.  J an M ar M ay J ul S ep N o v A n n 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 A ver ag e V al u e ( kW ) Mo n t h ma x d a ily  h ig h me a n d a ily  lo w mi n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  411 – 42 2   418 Table 9.  Summary of fuel  cell output re sults  Quantit y Value  Units  Hours of ope ratio n  5,072   hr/ y r   Oper ational life  7.89  yr   Capacit y  factor   19.6  %   Electrical production  103,001   kWh/yr   Mean electrical output   20.3  Kw  Fuel energ y  inpu t  206,002   kWh/yr   Mean electrical efficiency  %   50.0  %           Figure 9.  Dai ly profile of fuel cell out       Figure 10.  Monthly averag e output of fuel cell       FC rep r e s ent s an  attra c tive option  a s   an inte rmittent sou r ce of  electri c ity ge neratio n   bec au se of   it s cha r a c t e ri st ics,  su ch   a s  high ef f i cien cy, fast load  resp on se, mo dularity a nd f uel  flexibility. Unlike batteri es,  FC doe s no t need to  be  rech arged. In fact, FC will continuo usly  prod uce ele c tricity as lo ng  as fuel is  sup plied to t he u n it. This is in  dire ct contra st to batterie s ,  who s e  ele c trode s are pe rman ently co nsum ed d u ri ng their ope rating time,  whi c h ultimat e ly   results in th e  batterie s   run n ing o u t of  ene rgy [21 ]. A c cording to  Georgi, L.[22], some advantages   of FC are its high ele c trical and total effici en cy potential (mu c h  highe r than the com bu s tio n   engin e), low  emission s (ze r o emi ssi on),  low mainte na nce a nd lo w noise.  For both  sma ll and large-scale  system s, one  efficient  method of o b taining hyd r ogen i s   by using  an  electrolysi s   method, whe r eby PV ca n  be couple d  with an el ect r olyzer to  pro duce   hydrog en. T h is i s  the  cleane st sou r ce of  pro d u c ing  hydroge n witho u t causi ng p o llut ant  emission s. PV-ba sed hyd r ogen p r od ucti on plant s are  flex ible syste m s, in other  words, it is e a sy  to custo m ise  [9] such a  system to meet a spe c ific re gio n ’s ne ed s.   In order to d e sig n  a n  effe ctive PV/FC  system ,  one  i m porta nt thin g to b e   con s i dere d  i s   the conve r ter (inve r ter) eff icien cy fa ctor. The i n ve r t er  e ffic i e n c y  fa c t o r de p e nds  on   c o ns ta nt  power  being   sup p lied  over a certain  du ration. He nc e, a pe rfect PV /FC de sig n  in volves p r op erly  determi ning t he input/outp u t wattage o f  the inve rter. From the  HOME R sim u lation, it was  observed  that  65  kW i s  th e  suitabl e  cap a c ity for th e P V /FC sy stem  in this in stan ce. Some  deta ils  rega rdi ng the  req u ire d  q u a n tity output for the  inverte r  a r e give n in  Table  10  Me anwhile, in li n e   with lo ad  profile, the  dai ly profile  of  the inve rt er,  as  detaile d i n Fig ure  11   sho w s that  the   maximum out put of the inverter o c curs a t  06:00 PM.  The ele c troly s er  requi re s 230 kW in order to pro du c e sufficient h y droge n for u t ilization  of the F C . Informatio n reg a rdin g the  m onthly av erag e ele c tri c ity consumption  a b so rbe d  by t h e   electrolyze r  (electrolyze r i nput), a s  well  as t he  outpu t, is illustrate d in Figu re 1 2 and Fi gu re  13   respe c tively. Duri ng  su nlig ht hou rs-at  which  poi nt P V  pro du c e s   an el ectri c al   power  output -the  sha pe of the curve s  of the  electr olyze r  o u tput power, as sho w n    Figure 14, is  simila r to the curve of the  PV output.      J an M ar M ay J ul S ep N ov A nn 0 10 20 30 40 50 60 Av erag e V al u e ( kW ) Mo n t h ma x d a ily  h ig h m ean d a ily  lo w mi n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Perform a n c e  Analysis of a  PV/FC Hybrid  System  for Generating Ele c tri c ity Iraq ’ s … (Z. Na wa wi)  419 Table 10.  Su mmary of inverter o u tput result s  Quantit y Inverter   Rectifier  Units  Hours of ope ratio n  65  0  hrs/ y r   Mean output   25.1  0.00  kW  Minimum output  0  0.00  kW  Maximum outpu t   60.1  0.00  kW  Capacit y  factor   38.6  0.0  %   Energ y   in   244,301  0 kWh/yr   Energ y   out   219,871  0 kWh/yr   Losses 24,430   0  kWh/yr         Figure 11.  Daily profile of the inverter          Figure 12.  Monthly averag e electri c ity  con s um ed by  the electroly z er      Figure 13.  Monthly averag e output of the  electrolyze r            Figure 14.  Daily profile of electrolyze r  o u tput      Figure 15.  Monthly averag e store d  hydrogen       A hydro gen  tank with  a  ca pacity of  135   kg i s   req uired  to sto r e  the  h y droge n p r o d uce d by  the elect r olyzer. A su m m ary of re sults in  acco rdan ce with  hydr og en -tan k produ ction  and  con s um ption is sho w n in Table 11.  Su mmary   of  the hydrogen ta nk re sult s, re veals that every  year the r e i s   a 2 kg surplu s of hyd r oge n obtain ed. Howeve r, a de tailed an alysi s  rega rdin g the   impact  of the hydrogen   surplu s for  a  25-ye ar  se rvice is still  uncertain  sin c e n o  a c curate  informatio n could be u s e d  as ju stificat io n. Meanwhile , it should be  noted that   Figure 15  sh ows that the  mont hly average am ount  of stored hy d r oge n is  affected by the   PV and elect r olyze r  outpu ts, in which t he minimu m  values a r e d u ring the mo nths of minimum  output of PV  and FC a nd vice versa.     J a n M ar M a y J u l S e p N ov A n n 0 50 100 150 200 250 A v er a g e V a l u e  ( k W ) Mo n t h ma x dai l y  hi g h me a n dai l y  l o w mi n J an M ar M ay J u l S ep N ov A nn 0 1 2 3 4 5 A v er ag e V a lu e ( k g / h r ) M onth ma x dai l y  hi g h me a n d a ily  lo w mi n J an M ar M ay J ul S e p N o v A nn 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 Avera g e V al u e ( kg ) S t or e d  H y dr o ge n  M o nt hl y   A v e r a ge s Mo n t h ma x da i l y  h i g h m ean da i l y  l o w mi n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  411 – 42 2   420 Table 11.  Su mmary   of the  hydrog en tan k  re sult s  Variable Value  Units  H y dr ogen p r oduc tion  6,182   kg/ y r   H y dr ogen consu m ption  6,180   kg/ y r   H y dr ogen tank a utonom y  178  Hours       Even though  lead a c id bat teries m ay be use d for lo ng-te rm ene rgy stora ge, h y droge n  stora ge ha s  many advant age s over b a tteries. Fo r  in stan ce, batteries ne ed con s tant monito ri ng   and m ainten ance in  orde r to e nsure t he p ower  st o r age  is in  go od  con dition,  whil st hyd r o gen  stora ge requi res n o su ch  continuo us  care.   Re cently, co st-effe ctive pre s suri ze d tank s, whi c h  can be u s ed safely for most  appli c ation s ,  have be co m e  availabl e for hyd r og en stora ge.  In case s  of unfa v ourabl e  wea t her  con dition s , a  stora ge  sy ste m  is a ve ry n ece ssar y  pa rt of a  sta nd-al one  ene rgy  system in  o r de r to   ensure  that  energy can  still be  provided i n  em ergen cie s , such a s  in stant aneo us overl o a d   con d ition s  an d sola r off-da y condition s [23].        6.2.  Cos t  to Build the Sy stem  By using the  HOMER  si mulation, it wa s det ermi ned that the estimated cost of the   system i s  rel a tively expensive  wh en co mpared  with the  avera ge co st of an eq uivalent syst em   that ma ke s u s e  of a  die s e l gen erator [1 4]. This  is b e c au se  the  ca pital cost  of  PV and  FC a r e  more  expe nsi v e than  that  of a  die s el  g enerat or.  Ho wever,  taki ng  advanta ge  o f  new em ergi ng  techni que s, the p r odu ctio n co st  shoul d be  signifi ca ntly redu ced   in the future  whe n  taki ng i n to  accou n t an  efficient an d  co st-effe ctive de sign.  In  Figu re 1 6 , the  cash-flo w sum mary  of the   annu al estim ated co sts i s   illustrate d. Fu rtherm ore,  ne t present co st  (NPC) of the  system for 2 5   years of serv ice i s  sho w n  in Figu re  17 . T he  cash-fl ow summ ary   and NPC provide  a simil ar  profile, in  whi c h PV cost  contribute s  the  highe st ov erall co st to the  proje c t. Thi s  is be ca use the   curre n t price  of PV modu les is still fai r ly ex pensive .  It should b e not ed that the cost of an  electrolyze r  i s  the se co nd  highe st, followed by the F C , H 2  Tank  and c o nverter respec tively.  It is   also  e s sential  to highli ght t hat the lifetim e of a n   ele c trolyzer is only  15 yea r s, after  whi c h time  it  sho u ld  be  re placed  with  a ne w  one.  As a  re sult,  the repla c em ent cost  mu st be ta ken  in to   acc o unt, which obvious ly affec t s  the total c o s t  of the el ectroly z e r  portion of the system.           Figure 16.  The ca sh -flow  summ ary of the  annu alize d  costs      Figure 17.  The ca sh -flow  summ ary of the net  pre s ent cost (25 years)      6.3.  Energ y  Prod uction an d Consumptio n Analy s is   Data reg ardin g  the ene rgy prod uctio n (a s sho w n   in  T able 12), and   ene rgy con s umption   (as  sh own in  Table 13 ), as well as the  summary (as  sho w n in T ab l e 14), was o btained throu gh   the use of the  HOME R sim ulation. From  Table 1 2 an d  Table 1 3 , it is obviou s  that  PV is the mai n   energy sou r ce being utili sed to suppl y the entir e primary loa d , includi ng the electrolyzer.   Ho wever, it i s  impo rtant t o  also con s id er that  the el ectroly z e r  ab sorbs  60% of  the total ene rgy  prod uced  by the PV –  for 7 5 % ove r all efficie n cy   (see Tabl e 6).  Fo r  that rea s on,  it wil l   be   essential to t horo ughly  stu d y the ele c tro lyzer  effi cien cy being utili se d by the  real system prio r  t o  actual in stalla tion. Between  the current two fore m o st types of electrolyzers, nam ely alkaline a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.