Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  2, N o . 1 ,  Febr u a r y   201 2,  pp . 68 ~74  I S SN : 208 8-8 7 0 8           68     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Optimium Planning of Hybrid  Renewable Energy System Using  HOME R       J. B .  Ful z el e * ,   S ubr ot Du t t   **     * Departement o f  Electr i cal  Engi neering ,  B a purao Deshmukh College of  Engineer ing, Sev a gram   ** Departement  of Electr i cal  Eng i neer ing, Rajiv  Gandhi College  of Engg.  Resar c h Technolog y ,  C h andrapur       Article Info    A B STRAC Article histo r y:  Received Nov 9 th , 2 011  R e vi sed Jan   1 7 th , 20 12  Accepte d Ja 22 th , 2 012        A hy br id renew a ble en erg y  s y s t em may  be used to reduce dep e ndency  on  eith er conventio nal energ y  or renewa ble s y stem. Optimizatio n of hy br id   renewable en er g y  s y s t ems looks into  the pro cess of selectin g the bes t   components and  its sizing with  appropria te op eration strateg y  to provide  cheap , effi ci ent,  reli able  and cos t  effect ive a l t e rna tive en erg y . In t h is  paper a   methodolog y  has been d e velop  for op timum planning of  h y brid PV-Wind  s y stem with so me batterg y  backup. Th local s o lar rad i ation, wind data and   components database f r om differen t  manufactures are  analy zed  and   simulated in H O MER to assess the tech n i cal and economic viability  of the  integr ated s y stem. Performance of ea ch component will be  ev aluated an d   finall y sensi tivi t y  an al ysis will  be  perform ed to optim ize th e  s y s t em  at  differen t  conditions.    Keyword:  Optim izatio n    Hy b r i d  sy s t e m    Renewable s y s t em    HOMER   Cos t  of en erg y   Copyright @  20 12 Insitute of Ad vanced  Engin e eering and Scien c e.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Ms. J. B .  F u lze l e,   Depa rtem ent of Elect ri cal  E n gi nee r i n g,   B a pu rao  De sh m ukh C o l l e ge   of  En gi nee r i n g ,   Seva gram , W a rd ha,   M a ha rast ra, In di a.   Em a il: b h o n g a d e 10@g m ail.c o     1.   INTRODUCTION   The ap pl i cat i on o f  rene wa bl e  ener gy  sy st em  has be c o m e  an im port a nt  al t e rnat i v e as  po wer  pr ovi der   in ru ral electrif i cation p r o g ra m  [10] Whe n  the conventiona l sources are  depl eted and the  price of oil rea c hi ng  its  h i gh est  lev e l. A p p licatio n s  o f  r e n e wab l en er g y  at th is lo cation  ar e thro ugh so lar r a d i atio n v i p h o t ovo ltaic  (PV) p a n e ls, win d   turb i n es  and  b a ttery. In itially, th e system   is a sing le so urce system . Howev e a single rene wable energy us ually te nds to be oversize d to accomm odate  load dem a nd.  A com b ination of one   o r  m o re sou r ces of ren e wab l e en eg y called h ybrid   w ill im p r o v e  lo ad   facto r s and  h e l p   o n  m a in tain en ce an replacem ent costs as t h renewable ca n c o m p le ment each   othe r [1].  Howe ve r the e v aluation  of the  correct   t y pe o f  re ne wa bl e ene r gy  sy st em  needs  t o   be  d one  s o  that t h e syste m  can be optim i zed [10].  W i d e  st u d i es  h a v e   b e en  don e to  ev alu a te th e co m p etiti v e n e ss of renewab l e en erg y  syste m  as   altern ativ es t o   th e d i esel  g e nerato r su ch as  b y  Sch m id  and   Hoffm an  [1 ]. In  literature,  sev e ral  p a p e rs h a v e   stu d i ed  th d e sig n  and   p l ann i n g  of   h y b r i d  en ew ab le en ergy syste m  ( F o r   ex am p l e: Paska etal [ 2 0 0 9 ] A s hok  [2 0 07] ;  Ek rm   and  Yet k i n  Ek ran  [2 0 08] [1 1]  [1 2]  [1 3] . T h e ai m  of t h i s  pape r i s  t o  p r e s ent  o p t i m u m   pl an ni n g   o f  h y b r id so lar PV an d wi n d  ren e wab l e syste m  with  b a ttery b a cku p  and find   ou t th e op ti m u m  so lu tio of  reso u r ces ba se d o n  ec on om i c s. The a p pr oac h  i s  base on  m a t h em at i c al   m odel l i ng of e ach com p o n e n t ,  an d   th en   t h e o p tim i zatio n  p r ob lem  is  so lv ed  b y  HOMER  in  o r de r t o   bet t e r m a nage a n d  co nt r o l  t h e ene r gy   fl o w  s o   to  ensure  reliab l e su pp ly of  de m a n d .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8               69      Opt i m i u m  Pl a n n i n of  Hy bri d   Renew a bl e E n ergy  Syst em  U s i n g  H O MER ,   ( M s. J. B .  F u l z el e)     2.   R E SEARC H M ETHOD  The  pr o pose d   hy b r i d   rene wa bl e i s  co nsi s t e   of  wi n d  t u r b i n e an d s o l a ph ot o vol t a i c  ( P V )  pa nel s   wi t h   bat t e ry , ge ne ra t o r a nd i nve rt er are a d des a s  part   of  bac k -u p a nd st ora g e sy st em . The pr o pose d  sy st em  is  sho w n i n  Fi g1 .  The  st u d y  i n v o l v es  a t h e o ret i cal  l o ad  dem a nds as  sh o w n  i n   Tabl 1 a n d  Fi g.  2.       Fi gu re  1.  B l oc di ag ram  of h y b ri d  re newa bl e ene r gy  sy st e m       Tabl 1. T h e o r e t i cal  Dem a nd Loa d   Time Tube  light  Fans  T.V   PC  Fridge  Pumps  Others  Total  W/ Hr   12 400  2535      330      3265  01 400  2535      330      3265  02 400  2535      330      3265  03 400  2535      330      3265  04 400  2535      330  7500    10765  05 400  2535      330  7500    10765  06  Load Shading   07  08     1400   330  7500    9230  09     1400   330  7500    9230  10        330  7500    7830  11    2535  2500  330  7500    12865  12    2535 1400 2500  330      6765  01    2535 1400 2500  330      6765  02    2535 1400 2500  330      6765  03   2535  1400    330      4265  04   2535      330      2865  05  Load Shading   06  07  24000      330      24330  08 24000  2535      330      26865  09 24000  2535      330      26865  10 24000  2535      330      26865  11 400  2535      330      3265      The l o a d  i s  as s u m e d const a nt   al l  y ear. The  re newa bl e e n er g y  sup p l i e d i s   b a sed  on  h o u rl y   basi s as t h flu c tu ation   of  p a ram e ters in vo lv ed  in wi n d  tu rb in es and   so l a r PV.    2. Pr op osed  L o ca ti on   o f  H y bri d  Sys t em   Th e site  o f  t h e in tegrated   renewab l e system is lo cated  i n   Yav a tm al d i strict, Dudh ag aon   v illag e  i n   M a harastra  I n d i a.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  2,  No . 1,   Fe br uar y   20 1 2   :    6 8  – 74   70      Fi gu re  2.  G r ap hi cal  re prese n t a t i on  of  Ena r g y  req u i r em ent  per  h o u r       2. 1. 1 S o l a r  P V  Pa nel s   As per  t h e propos ed work we  are  c onsi d er that  th ere a r e t e n PV  panels  with eac h ha a capacity of  1Kw. The initial cost  of the  panels  is  $7000  and replacem e n t cost for each  panel   is $7000. Th e lifeti m e  of the  p a n e ls will con s id er to  b e  20 years.  Th e mo n t h l y av erag e d a ily so lar rad i atio n  in  Yavat m al  is b e tween  5 . 24   Kw h/ m 2 / d ay  wi t h  t h e  m ont hl y  ave r age  da i l y  suns hi ne  d u rat i o ran g i n g f r o m  si x t o  e i ght   ho u r s as  s h o w n i n   table 2. T h ese  values  are im porta nt  for sizing  of sola r e n ergy system .       Table 2. Sola r Resource Input  M ont h   C l earness I nde x   Dai l y   R a di at i on (K wh/ m 2 /d ay Janu ar y  0 . 6 43  4 . 7 48  Feb r ua ry  0. 65 8   5. 51 6   Mar c h 0 . 6 17  5 . 9 11  Ap ri l  0. 64 1   6. 73 3   May 0 . 6 03  6 . 5 96  Ju ne 0 . 4 74  5 . 2 28  Jul y  0. 36 5   3. 99 0   A ugu st 0 . 3 79  4 . 0 23  Sept em ber 0. 51 4   5. 07 5   Oct o ber  0. 63 3   5. 51 6   No vem b er  0. 65 2   4. 94 7   Decem ber 0.666  4.689      2. 1. 2 Wi n d  T u rbi n The  wind turbine has a ca pa city of 1  Kw,  its in itial cost  is $2100 a n d its replacem ent at $1800.  A nnu al op er ati o n  and  m a in ta n ce co st is $50 p e r  year. I t s hu b  and  an em o m eter  is p r op osed  to  lo cated   at 2 5  m  height. Lifetime is assm ed for 15 years .  T h aver a g wi n d  s p eed  f o r  t h i s  l o cat i on s h ow n i n  t a bl 3.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8               71      Opt i m i u m  Pl a n n i n of  Hy bri d   Renew a bl e E n ergy  Syst em  U s i n g  H O MER ,   ( M s. J. B .  F u l z el e)     Tab l e 3 .  W i nd  Reso ur ce I npu Month  Wind Speed (m/sec)   Januar y  2.948   Februar y  2.082   March  2.287   April 1.857   May  1.571   June 1.687   July  1.487   August 2.035   September  1.533   October  1.829   November 1.800   Decem ber  1.994       2.1.3 Diesel  Generator     The  AC  gene ra tor  has a  capa c ity of  40 Kw. Its in itial cost is $20000 and  re placem ent cost is $16000.  Th e op eration  an m a in tan ce  is$  0 . 6  p e r ho ur. Its  lifetim e is  esti m a ted  at 15 000   o p e r a ting ho ur s. O t h e r details  of  ge nerat o r  sh ow n i n  Fi g.  2.           Figu re  2.  Diese l  Gene rato In p u     2. 1. 4 B a t t ery   and  C o n v ert e r     The S u r r el t e  4KS 2 5 P  bat t e ry  i s  rat e d at  4V and  has a capa c i t y  1900 A h . I n  t h i s  pr o pos e d  sy st em  t e n   battries are  use d . Initial cost $2700  each a n replacem ent cost $700 ea ch. Th e m a intance cost assum e d to be   $3 5 pe r ho ur .       3.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  2,  No . 1,   Fe br uar y   20 1 2   :    6 8  – 74   72 The o p t i m i z at ion  res u l t s  of  h y b ri rene wa bl e ener gy  sy st em  usi ng  HOM ER  are sh o w i n  fi g u re  3 .   So lar pho tov o tic syste m  wit h   b a ttery, i n verter and   g e nerato h a v e  the lo west to tal  n e p r esen t co st at   $3 8 6 . 1 3 8  a n d c o st   of el ect ri ci t y  of  $ 1 . 0 96  pe r  K w h .       Tabl 4.  O p t i m u m  sol u t i o n  hy bri d  re ne wabl e  ene r gy  sy st em   PV  (K W)   W i nd Diesel  Ge nerat o (K W)   Battery In verte r   (K W)   In itial Co st  ($ )   To tal  NPC ($ )   COE  ($/ K Wh)   8   4 0   1 0   9 2 .600  3 8 6 . 13 1 . 0 96  8 1  4 0   1 0   9 4 .700  3 8 9 . 57 1 . 1 06     4 0   1 0   3 2 .600  4 0 7 . 92 1 . 1 58   1  4 0   1 0   3 4 .700  4 1 1 . 27 1 . 1 67  1 0    4 0     9 5 .400  6 1 5 . 30 1 . 7 47  1 0  1  4 0     9 7 .500  6 1 8 . 65 1 . 7 56     4 0       2 0 .000  6 3 1 . 51 1 . 7 93   1  4 0     2 5 .700  6 4 0 . 20 1 . 8 17      Fo r th is co m b in atio n if we go es t o ward s the electricity  p r o d u c ed   b y  th at  system  th en  it is ob serv ed that PV  array  pr o d u ce 13 1 3 1 K wh/ Y r  abo u t  25% a nd  gene rat o r p r o d u ce 40 2 00  Kw h/ Y r  ab out  75% o f  t o t a l  . An d   co nsu m p tio n  i s  ab ou t 275 57Kwh /Yr so  t h e 3 8 .9 % ex cess electricity  is re m a in in g  with   max i m u m  ren e wab l penet r at i o n  o f   1. 43 4%  sh o w n  i n  Fi g.  3.           Fi gu re  3.  El ect ri ci t y  pro d u ct i o n  by   Sol a r P V  Ge nerat o set       Anothe r secand sol u tion  gi ven by HOME R is solar PV wind syste m   with battery, generat o r ha ve   to tal n e t pr esen t co st at  $ 389.57 6 and  co st  o f  electr i city of  $1 .10 6  p e r   Kw h. Th e electricity p r o d u ce  b y  th is  com b i n at i on i s  53 34 7 K w h / Y r  out  o f  t h i s  t o t a l  25% m eet by  sol a r PV,  0%  by  wi nd a nd  7 5 % by  ge nerat o r set .   Fro m  th is it  is  clear th at co m b in atio n  o f  so lar wi n d  syst e m  is n o t  a fisib l e o p tion  con cern  with  electricity   pr o duct i o n.       Tab l e 5 .   To tal Annu alized   C o st  Component Annualized  Capita l Cost   ($/Yr)  Repla cem ent   Cost ($/Yr)   Other &  Mainten ce Cost   ($/Yr)  Fuel Cost ($)   Total Cost  ($/Yr)  PV 56000  17461  63675  Dies el  Generator  20000 39111 25695  212407  295660  Batter y  7600  5270  895  13469  Inverter   9000 3755 1278  13335  S y stem  92600 65598 27868  212407  386138  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8               73      Opt i m i u m  Pl a n n i n of  Hy bri d   Renew a bl e E n ergy  Syst em  U s i n g  H O MER ,   ( M s. J. B .  F u l z el e)         Fi gu re  4.  C o st   sum m ery  of di ffe rent  c o m pon ent s .       Fi gu re  5 sh o w s t h e an nu al i zed cost   of t h e s o l a r P V  com p one nt s. T h e s o l a r PV c ont ri b u t e s 1 6 . 5 0%,  b a t t e r y   cost  3. 4 8 %, i n vert er c o st  3. 4 5 % an d ge ner a t o r l a rge s t  at  76.56% of total  annual cost  of   $ 386 .1 38 . Th co st o f   g e n e rator  p l ays an  im p o r tan t  part in   d e term in in g  t h e to tal  n e t p r esen t co st an d cost of elect ricity.      4.    CO N C LUS I ON    Th resu lt from  s i m u latio n  of in tegrated renewab l sytem  i n  HOMER shows th at so lar  PV gen e rator   with battery and i n verter is t h e m o st economical solu tio n   o v e r PV-  W i nd  with b a ttery, to  d e si g n  in teg r ated   syste m  with  mi n i m u m  to tal n e t p r esen t co st an d cost of elect ricity.    Co m p arisio n  o f  o p tim izat io n   resu lts  o f  bo th  th h y b r i d  syste m s d e p i cts th at th first co m b ination is econom ical. Thou g h  th e differe nt RESs ar e   technically suitable and a v ailable in  m a rket, but not n eces sarily be financially viable. Hybri d  desi gn  shoul d   b e  su ch  th at th e co m p o n en t  selectio n  for electricity  p r od u c tion  m u st  b e  econ o m ical . Econ o m ical  v i ab ility   sh ou l d  b e  in  t o p   p r i o rity o v er th e techn i cal feasib ility  ex clu s iv ely for ru ral electrificatio n  in  ru ral part of  country like  India as t h e e n users  have  leas t pay capa c ity due  to  wea k er  econom i c status.      REFERE NC E   [1]   Kaldel lis, J.K. Kondili, E .  &  Filios, A.,  Sizi ng a H y brid W i nd-Diesel Stan d-Alone S y stem  on the Basis of  Minimum Long-Term Electr icity Production  Cost,”  Applied Energ y , Vol.83, 2006,  pp. 1384-1403 [2]   Ke l l og, W. Ne hri r , M. H. , Ve nka ta ra ma na n,  G.  & Gere z  V,  Optima l  Uni t  Siz i ng for  a  Hybri d   Wind/PhotovotaicGener ating  S y stem . Electric Power S y stems Res earch,” Vol 39,  1996, pp . 35-38 [3]   Borow y , B.S.  & Salameh, Z.M., “Optimum  Photovo ltaic Array  Size for a  H y brid Wind/PV Sy stem,”  IEEE  Transaction on  Energy Con version , Vol. 9 ,  No. 3 ,  1994 , pp .482-4 88.  [4]   Dufo-Lopez, R., & Bern al-Aug ustin, J.L., “Design and Co n t rol Strateg i es of P V -Die se l S y stems Using Ge ne tic   Algorithm,”  So lar Energy , Vol.  79, 2005 , pp . 33 -46.  [5]   Muselli, M., Not t on, G., Poggi,  P. & Louch e , “A PV-Hy b ri d P o wer S y stem s Sizing Incorpor at i ng Batt er y  Storage:   An Analy s is via  Simulation C a lculations ,”  Ren e w able Energy , Vo l. 20 , 2000 , pp . 1 - 7.  [6]   S eeling-Hochm u th, G . C.,  “ A  com b ined op tim is ati on conc ep t for  th e design  and  operation  strateg y  o f  h y brid-pv  energ y  s y s t em s , ”  Solar Energy Vol. 61 , No. 2, 1 997, pp . 77-87 [7]   S eeling-Hochm u th, G.C. , “ Optimisation of Hyb r id Energy Sy stems Sizing and Operation Control ,” P h D  Thes i s ,   University  of  Kassel, 1998 [8]   Koutroulis, E.,  Kolokotsa, D.,  Potirak is A. &  Kalaitzak is, K., “Methodolog y   for optimal sizing of stand-alo n photovoltaic/win d-genera tor s y stems using ge netic algorithms,”  So l a r E n e r g y , Vol. 80 , No. 9, 2006 , pp .1072-1088.  [9]   G o ldberg, D . E .,  Genetic  Algorithms in Search Op timization an d Machin e Lear ning ,” Addison-Wesley , New Y o rk 1989.  [10]   J uhari Ab, Kam a ruzzam an S ,  Yus o ff Ali, “ O ptim i zat ion of Ren e wable  energ y  H y b r id S y s t em  b y  M i nim i zing  Exc e s s   capacity , ” in  International Journ a l of  En erg y , Vol. 1 ,  2007 , pp . 77 -81.  [11]   Ashok, S., “Optimised model for  community -based  h y brid  energ y   s y stem,” 32, 115 5-1164, 2007 [12]   Paska, J.,  P. Bi c zel , and M .  Klos, “ H y b rid powe r  s y stem s – An e ffect ive wa y o f   utilising p r im ar y energ y  sourc e s,   Renewable  Ener g y , 34 , 2414  – 2 421, 2009 [13]   Ekren, O., and B .  Y.  Ekren ,  “Size optim ization of   a PV/Wind h y br id energ y   c onv er sion s y stem with  batterg y  stor age  using response s u rface methodolog y , ”  Applied  Energ y , 85 , 1 086  – 1101, 2008.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  2,  No . 1,   Fe br uar y   20 1 2   :    6 8  – 74   74   BIBLIOGRAPHY  OF AUT HORS           Ms . J. B. Fu lz el e  was born in C h andrapur, Mah a rastra, I ndia on July  23, 1981. She received the  B.E.  in  Ele c tr i cal  Engin eering  and M .  Te ch  degre e  in  Ene r g y  M a ng em ent  S y s t em  from   Rashtrasanta Tu kdoji Maharaj  Nagpur Universi ty , Mahar a stra, India in 2002  and 2006. Her   res earch  work i n  the  fi eld of  Ren e wable  En erg y  S y s t em .   S h e has  s e ven  years  exper i enc e   in the fie l d of te aching .  S h e is  currentl y  working  as  a As s i s t ant   Professor in Electrical Dep a rtment of Bapurao   Deshmukh Coll ege of Engineer ing, Sevagram,  Wardha, Mah a rastra, Ind i a.                    M r .  Subr oto Dutt  receiv e d th M. Tech  from  MANIT,  Bhopal  and now persui ng his PHD. His   area of in ter e st  in field of pow er s y stem,  pow er sector refo rm’s and en erg y  economics and  energ y  p l anning.  He is  working  s i nce from  198 7 in th e f i eld  o f  te aching  and  pres entl y work i ng as  As s o ciat Professor in Electr i cal Department of Rajiv  Gandhi college of Engineerin g and Research   Techno log y , Ch andrapur,  Mahar a stra, India.                      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.