I n t ern a t i o n a l   J o u rn a l   o f   A d v a n ces   i n   A p p l i ed   S ci en ces   ( I J A A S )   V o l .   7 ,   N o .   3 ,   S ep t em b er   201 8 ,   p p .   19 9 ~ 21 1   I S S N 225 2 - 88 14 ,   D O I 10. 115 91 /ij a a s . v7 . i 3 . p p 19 9 - 2 11             1 99       Jo u r n al   h om e pa ge h t t p : / / i a e s co r e . c o m/ o n l i n e / i n d e x . p h p / I J A A S   St udy   a n d O pt i mi z a t i o o a   R e new a bl e Sys t e o f  Sma l l   P ow er   G en er at i on       M o h a mmed  S a l i H a d j i dj ,   N a cer - E ddi ne   Bi b i - Tr i k i ,   F a o u zi   D i d i   D e pa rt m e n t  de  phy s i q u e   Un i t e   d e  R ech er ch e M a t e ri a ux  e t  E ne rg i e s  Re nouve l a bl e s  ( U RM E R)   T l em cen , A l g er i e       A rt i cl I n f o     A B S T R AC T   Ar t i c l e   h i s t o r y :   R ecei v ed   Ma 6 ,   20 18   R e v is e d   Ma 17 ,   20 18   A c c e p te d   Ma 2 7,   2 018       In t hi s  pa pe r,  a  s t ud y  w a s  c onduc t e d on t he  s us t a i na bl e  de v e l opm e nt  of s ol a r   a nd w i nd  e ne rg y  s our c e s .  T he  a pproa c a dop t e i s  t e xpl o i t  t h e   t w o   r en ew ab l e r es o u r ces   b y   a rri vi ng t o de t e rm i n e  opt i m a l  c onf i gura t i ons  of  phot ovol t a i c  a nd  /  or w i nd e ne rgy  s y s t e m  w i t h s t ora ge  t o provi de  e l e c t ri c i t y   to  a  s e lf - co n t ai n ed  r es i d en t i al   ap ar t m en t   l o ca t ed   i n  t h e  ci t y  o f   T l em cen  ,  i n   A l ge ri a .   T he  T l e m c e n s i t e  s how e d a  m ore  fa voura bl e  t r e nd t o us e  t he   phot ovol t a i c  s y s t e m  a l one  on t h e   h y bri d  P V  /  w i n d s y s t e m  b e c a us e  of  t he   l ow   w i nd s pe e ds  of t hi s  s i t e .   T he  c a l c ul a t i on m e t hod us e d i s  ba s e d on t he   m o n t h l y  av er ag e s  f o r  t en  co n s e c u t i v y e ar s , d at a  co l l ect ed  b y  t h e T l em cen   Z en â t w ea t h er  s t a t i on i n orde r  t o ha ve  a  be t t e r re l i a bi l i t y  a n a l y s i s  of a n   e l e c t ri c  pow e r g e ne ra t i on s y s t e m .   In  a ddi t i on,   t he  m e t hods  us e d i n t hi s  s t u d y   c a n b e  us e t de t e rm i ne  t he  o pt i m a l  s i z e  of  t he  m os t  e c ono m i c a l  h y br i s y s t e m  t h a t   c orr e s ponds  t o a n y   s i t e  i t he  w orl a nd for  a n y  r e que s t e d l o a d.     Ke y wo r d :   H yb r i d   P ho tovo lta ic   O p t i m i z a t i o n .   P h o t o v o l t a i c   S y s t e m     S i z i n g     S t o r a g e   S y s t e m   W i n d   W i nd   S ys te m     Copy r i ght  ©  201 8   Ins t i t ut e  o f   A d v anc e d  E ngi n e e r i ng and S c i e nc e   A l l  ri g h t s re se rv e d .   C or r e s po n di n A u t h or :   M oha m m e d   S a l i m   H a d j i d j ,   D e pa rt m e n t  de  phy s i q u e     Un i t e   d e R ech er ch e M a t e r i a ux  e t  E ne rg i e s  R e nou ve l a b l e s  (U RM E R)   T l em cen , A l g er i e .   E m a i l :   m . s a lim h a d jid j@ g m a i l. c o m       1.   I N T R O D U C T I O N   M a n ha s  a l wa ys  ha d i nc r e a s i ng e ne r gy  ne e ds  a l l ove r  t he  wor l d.  C ons e que nt l y ,  e ne r g y  c o ns um pt i on i s   i nc r e a s i ng a s  a  r e s ul t  of  e c o n om i c  gr ow t h a nd a n i nc r e a s e  i n e l e c t r i c i ty   c ons um pt i on p e r  i nha bi t a nt .   T o t hi s   e nd,  t he  de ve l o pi ng c o unt r i e s  wi l l  be   i n ne e d of  e ne r gy  t o e ns ur e  t he i r  de v e l opm e nt  a lt houg h t he  us e  of  f os s i l   en er g y  w i l l  h a v e a  ne ga t i ve  im pa c t  on t he i r  e nvi r onm e nt  thus  m a ki ng it   ne c e s s a r y  t o us e  r e ne wa bl e  e ne r gi e s   f or  a  he a l t hy  a nd s us t a i na bl e  e ne r ge t i c  t r a ns i t i on.   Al ge r i a  ha s  a va i l a ble  one  of  t he  m os t   im por t a nt  s ol a r   pot e nt i a l  i n t he  w or l d .   S uns h i ne  dur a t i on i n  a lm os t  a l l  t he   t er r i t o r y  ex ceed s  2 0 0 0  h o u r s   a y ear  r each i n g  3 9 0 0   ho ur s  i n t he  hi gh pl a t e a us  a nd t he  S a ha r a .  T he  e ne r gy  r e c e i ve d da i l y on a  hor i z ont a l  s ur f a c e  of  1 m ²  is  i n t he   or de r   o f   5k w i m os t   pa r t s   of   t he   t e r r i t or y ,   be i ng  a bo ut   1 7   k W h/ m ² / ye a r   in  t he   nor t h   a n d   26 50 k W h / m ² / y e a r   i n   t he  s out h o f  t he  c ou nt r y  [ 1] .   A l g er i a al s o  h as  av ai l ab l e  a co n s i d er ab l e w i n d  en er g y  w h o s e p o t en t i al   i s   pa r t i c ul a r l y   im por t a nt  i n t he   s out wi t h a ve r a ge  s pe e ds   of  4 t o 6 m / s ;  a  pr i c e l e s s  r e s our c e  t ha t  c a n m e e t   d o m es t i n eed s   i n   r em o t ar ea s   w h i l e   t he   nor t i s   l e s s   wi ndy   wi t t he   e xc e pt i on  of   m i c r oc l im a te s   i t he   c oa s t a r eg i o n   o f  O r a n  an d  B ed j ai a an d  t h e a r eas   o f  T i a r e t ,  Bi s k r a  a n d  S e t i f  [ 1 ] ,  [ 3 ].   T h e  e x p l o i t a t i o n  o f  t h e   p o t e n t i a l   of   r e ne wa bl e s   ( ph ot ov ol t a i c ,  wi nd)  o f  i s ol a t e d pl a c e s  di s t a nt  f r o m  c onve nt i ona l  ne t wo r ks  o f   po we r  s up pl m us t  s t a nd a s   a  pr i or i t y  due  to t he  f i na nc i a l   c os t  c a us e d by  t he   i ns t a ll a ti on of  a   c onve nt i ona l  e l e c t r i c  ne t wor k.   Ye t ,   one   m us t   not   l os e   s i ght   o f   t he   we a t he r  a nd  t o po gr a p hi c   va r i a t i on w hi c m us t   be   t a ke i nt a c c o unt .   T he  p hot o vol t a i c  e ne r gy  c a nnot  be  a  c ont i nu ous  s ou r c e  of  e ne r gy  be c a us e  of  i t s  l ow   a va i l a bi li ty  i n   wi nt e r .   L i ke wi s e ,   wi nd e ne r g y  i s   gr e a t l y i r r e gul a r   i t im e   a nd c a nn ot  pr od uc e  e ne r gy   c on s t a nt ly .   T he r e f or e ,   t he   s ep ar at e u s e o f  t h es e t w o  s o u r ces   p r es en t s   pr obl e m s  wit h r e ga r d t o e ne r gy  r e qui r e m e nt s .   T o s ol ve  t he   pr e vi o us l y   m e nt i one pr obl e m s ,  a nd t o s t u dy  a n e ne r gy  s y s t e m  t ha t  wi ll s up pl y  e l e c t r ic i ty  t o a  s e l f - co n t ai n ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S     V o l .   7 ,   N o .   3 ,   S e p t em b er   201 8 :    199     2 11   2 00   ap ar t m en t   l o cat ed   i n   T l e m cen   i n   A l g er i f o r   r ef er en ce  y ea r ,   p h o t o v o l t ai an d   /   o r   w i n e n e r g s ys te m   w ith  s t o r ag e i s  s u g g es t ed .   T hi s  s y s t e m  ge ne r a t e s  s im ul ta ne ous l y  e ne r gy  f r o m   t he  a bs or be d s ol a r  e ne r gy  a nd  t he   c a pt ur e d w i nd  e ne r gy  t ha t   c a be   c ons um e di r e c t l y   or   s t or e d i ba t t e r i e s  w hos e   r ol e   i s   t o e ns u r e   t he   c o nt i nui t o u s e .   N e v e rt h e l e s s ,   de ve l opi ng  a   c os t - e f f e c t i ve   s y s t e m   i nc lude s   de s i gn  i s s ue s   s uc h   a s   t he   dim e ns i oni ng  of   t he   c or r e c t  s i z e  of   e a c h c om pone nt  a nd t he  e c on om i c  opt im i s a ti on o f  t he  c os t   of  t he   ge ne r a t e d k W h.   T he  pu r pos e   o f  t h i s  a r t i c l e  i s  t o  s h o w  t h e  r e l i a b i l i t y  o f  u s i n g  t h e el ect r i cal  en er g y  o f  s o l ar  an d  /  o r  w i n d   r es o u r ces  t o   m ee t   t he  ne e ds  o f  a   r e que s t e d e l e c t r i c a l  l oa d.  A  t h or o ug h s t u dy  i s  us e d t f i nd t he  be s t  e ne r gy  s y s t e m  c onf i gu r a t i on  whi l e  pr e s e nt i n g t he   r e s ul t s  of  s un r a y  m e a s ur e m e nt s ,  wi nd s pe e ds ,  a nd  e ne r gy  da t a   ge ne r a t e d by  t he  m odul e s   ph ot ov ol t a i c  o r  w i nd t ur bi ne s  a nd s t or a ge  t ha t  va r i e s  a c c o r di ng t o da y s  of  a ut on om y .   T he  s y s t e m  obt a i ne d   a im s  t o s uppl y  a   c ha r ge  f o r  dom e s ti c  us e  ( a pa r tm e nt )   w he r e  c o ns um pt i on i s  a bout  3, 26 0 k W h p e r  da y   ( S ep t e m b er - Ma y)   a n d   9, 15 0   a   da y   ( J ul y - A ugu s t) .       2.   S I T E  D E S C RI P T I O N A N AS S E S S ME NT  O F   S O L A R A N D  W I N D R E S O U R CE S  A N D   R E Q U I RE C H AR G E   2. 1.   St udi e d   S i t e   T h s el ect ed   s i t i s   l o cat ed   i n   T l e m cen   i n   r eg i o n   o f   Z en ât i n   A l g er i a.   T h ch ar act er i s t i cs   o f   t h s i t e   ar d i s p l ay ed   o n   t h T ab l 1 .       Ta bl e   1.   C h ar act er i s t i cs   o f   t h Z en ât S i t e   [ 2 ]   Sit e   L atitu d e   L ongi t ude   Altitu d e   Alb éd o   T le m c en   35. 02° N   1. 18° E   247   m   0. 20       2. 2.   A sse ssm e n t   o f   t h e   S ol ar   a n d   W i n d   R es o u r ces   I t  i s  c r uc i a l t de f i ne  a nd s pe c i f y   t he  da t a  of  l oc a l r e s our c e s  ( s ol a r  i r r a di a ti on a nd wi nd s pe e d)  of  t he   s e l e c te d r e gi on .  T hi s  s t udy  i s   ba s e d on a  da i l y  da t a  s our c e  of  t w o s ou r c e s ,  s ol a r  a nd w i n d  e ne r gy ,  m e a s ur e d a t   a  he i ght  of  10  m  a bove  gr o u nd l e ve l  f or  1 2   m ont hs  a nd y e a r - r ou nd  f or  1 0  ye a r s  (  2 000   -   2 0 1 0 ).  Da t a  we re   obt a i ne d f r om   the   T l e m c e n   Z e n a t a   m e t e o r o l o g i c a l   s t a t i o n  M E T A /  S Y N O P   [ 3 ] .   a)   S o l ar   r es o u r ce   F i gur e   s h ow s  t he   m ont hly a ve r a ge  of  e a c h y e a r  of  t h e  s ol a r  r a di a tion i nde of  t he  r e gi on  o f   T l e m cen .           F i gu r e   1.   Mon th ly  s un   r a d ia ti o of   t h e   t l e m c e n   s i t e       T he  s ol a r  r a di a t i on i n T l e m cen  r each es  i t s   m i n i m u m  o f  2 . 3   k W h / m ²/ d ay  i n  D ece m b er  an d  i t s   m a xim u m   of   7. k W h/ m ² / da y   i n J une ,   a nd  t h e   a nnua l   a ve r a ge   i s   4. 8   k W h/ m ²   / da y .   b)   W i nd  r e s ou r c e   F i gur e   2   r ep r es en t s   t h m o n t h l y   av er ag o f   each   y ear   o f   w i n d   s p eed s   o f   t h r eg i o n   o f   T l em cen .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     I S S N 225 2 - 88 14       St u dy   a n d   O p t i m i z a t i o n   o f   a   R en ew a b l S ys t e m   o f  S m a l l   P o we r   . . . . ( M oh am m e Sa lim   H a d j i d j )   2 01       F i gu r e  2.   Mon th ly  w ind   s p e e ds   of   th e   t l e m c e n   s i t e       T he   wi n s pe e ds   a r e   c ons i de r e a s   r e l a t i ve l we a t hr o ug h out   t he   y e a r .   J a nua r y   be i ng  t h e   m os t   w i nd y   m ont h wi t h a   w i nd s pe e d  o f   3,   2 m / s  a nd  Oc t obe r  t he  l e a s t  w i ndy  o f  t he  y e a r  w i t h a  s pe e d  o f  1 , 3   m / s .  T he   a nnua l   wi n s p e e d a ve r a ge   f o r   t he   s i t e   i T l e m c e ove r   t he   s t udy   pe r i od .   c)   T e m p er at u r e   T a bl e  ( 2)   s ho w s   t he   m ont hl y   a ve r a ge  i f   e a c y e a r   of  t e m pe r a t ur e   f or   t he   r e gi on  of   T l e m c e n.       T ab l 2 .   M ont h l y   T e m pe r a t ur e  A ve r a ge   M ont h   J an   F eb   M ar   Ap r   M ai   Ju n   Ju l   Au g   S ep   O ct   No v   D ec   An n u al  av er ag e   Te m p e ra t u re   (c °)   6. 27   8. 23   11. 6   14. 8   19. 9   25. 4   28. 9   28. 0   23. 1   17. 6   11. 7   7. 65   17. 0       T h e m o n t h l y   t e m p er at u r e a v er ag e r each es  i t s   m i n i m u m  i n  J an u ar y  e s t i m at ed  t o  6 . 27° c  a nd i t s   m a xim u m   t 28. c   i J ul y   a nd  t he   a n n u al   av er ag i s   1 7 ° c.   T h es t e m p er at u r es   w i l l   n o t   af f ect   t h o p e r at i o n   o f   c onve r t or s   i n t h e   p h o t o v o l t a i c   i n s t a l l a t i o n   o r   wi nd  t u r bi ne s .     2. 3.   C h a ra c t eri s t i c s   o f   t h S el ec t ed   A p a r t m e n a n d   i t E n e r g y B al an c e   T he  a pa r t m e nt c hos e n f or  t he  s t udy  i s  of  t y pe  n ot  c on ne c t e d t o t he  c on v e nt i ona l  po w e r  di s t r i but i on   ne t wor k a n d e qui p pe wi t h a l l  t he  de vi c e s  to pr ovi de  c om f or t  t o t he   oc c upa nt s .   I n a ddi t i on,  i t  i s  pe r m a ne nt l oc c upi e d t h r o u gh out  t he  y e a r  a nd t he  d om e s t i c  e qui p m e nt  ope r a t e s  un de r  a  s t a n da r d  vol t a ge  2 20 V - 5 0H ( m a i ns  vol t a ge ) .   T he  da i l y  c ons um pt i on i s  s up pos e d c ons t a nt  dur i n g t he  n i ne  f ol l owi n g   m ont hs  ( S e pt e m be r - M a y )  i t he   or de r  of   3, 2 60  K W pe r   da y   a nd  a not he r   c ons t a nt   va l ue   dur i n t he  s um m e r   s e a s on  ( J u ne ,   J u l y ,   a nd  Aug us t )  e s t im a t e d a t  9, 150  K W pe r  da y ,   t h e d ai l y  en er g y   n eed s  o f  t h e ap ar t m en t   b y   W h / d ay  ar e s h o w n   o n   t h T ab l ( 3 ) [ 4 ] .       T ab l 3 .   A s s es s m en t   o D a i l y   E n e rg y   N e e d s   o f   A p ar t m en t     Po wer ( w )   Du r atio n  o f  u s ( hour s )   Daily  co n s u m p tio n  ( W h )     L ig h tin g   Ad u lts  r o o m   11   4   44   C hi l dr e n’ s  r oo m   22   5   110   L i vi ng r oo m   22   6   132   C or r i dor   22   2   44   B ath r o o m   22   2   44   T o ilets   11   1   11   Kitch en   11   7   77   Ap p lian ces   R ef r ig er ato r   120   8   ( win ter ) ,   12   ( s u m m e r )   96   ( win ter ) ,   1440   (s u m m e r)   T elev is io n  L C D   72   5h30   397. 26   Air  co n d itio n er   3663   0   ( win ter ) ,   6   ( s u m me r )   0   ( win ter ),   6600   (s u m m e r)   Oth er s   100   2   250   T o tal lig h tin g  o f  a p ar t m en t   3260/ 915 0       F i gur e   3   s ho w s  t he   t ot a l c ons um pt i on of  t he  a pa r tm e nt  i n one  t y pi c a l da y   i n t he  w i nt e r  s e a s on  ( S ep t e m b er - Ma y) :   3, 26 0 k W i n   2 4 ho ur s .  F i gur e   4   s ho w s  t he  t ot a l  c ons um pti on o f   t he  a pa r t m e nt  i n one  da y   i t he   s um m e r   s e a s on, ( J une - Au gu s t) 9 , 15 0KW h     in  24   ho ur s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S     V o l .   7 ,   N o .   3 ,   S e p t em b er   201 8 :    199     2 11   2 02         F i gur e   3.   D a i l y   p r o f i l e   ( w i n t e r   s e a s o n )     F i gu r e  4.   D ai l y   p r o f i l ( s u m m er   s eas o n )       3.   M ETH O D S   T he  c r uc i a l  s ta ge  i n t he  c on c e pt i on o f  a   p owe r  ge ne r a t i on s y s t e m  i s  de t e r m i n i n g  i t s  o p t i m a l  s i z e   w h i ch   d ep e n d s   es s en t i al l y   o n   t h cl i m at i d at o f   t h s i t an d   t h c h ar act er i s t i cs   o f   t h p ar a m e t er s   co n t ai n ed   i n   t h i s  s y s t e m .   T hi s  pa r t  di s c us s e s  t he   m ode ls  us e d i n t he  s tudy  t o de t e r m ine  t he  opt im a l   s i z e  of  t he  e l e c t r i c  powe r   g en er at i o n  s y s t e m   t h at   can   m e et   t h e el ec t r i ca l   n eed s   o f   t h a p ar t m en t .     3. 1.   G l o b a l   I n c om i n S ol ar   R a d i at i on   a nd   E ne r g y   P r o duc e b t h P h o t o v o l t a i G en er a t o r   T he  gl o ba l  i nc om i ng s ol a r  r a di a t i on i n a  ph ot ov ol t a i c p an el  acco r d i n g  t o  t h e H D K R   ( H a y ,  Da v i e s ,   K l u ch er ,   Re i n d l )   m o d e l   [ 5 ] :     3 1 c o s ( ) (1 ) 2 1 c o s 1 si n 2 2 T bd i bd i g G G GA R G A f G b bb ρ + = + +− −  ++               (1 )     T he   e ne r gy   p r o duc e d   by   a   ph o t ovol t a i c   pa ne l   i s   e s t im a t e f r o m   t he   va l ue s   o f   t he   gl o ba l   i r r a di a t i on  on   a n i nc l i ne d pl a ne ,  t he  a m bi e n t  t e m pe r a t ur e  a nd t he  va l ue s  o f  t he  phot o vol t a i c  pa n el   m an u f act u r er s  d at a.  I t  i s   gi ve n by   [ 6] :     . . . . pv pv pv f E R S P HN =                 ( 2 )     T he  pe r f or m a nc e   of  t he   p hot o vol t a i c   ge ne r a t or  i s   r e p r e s e nt e by   t he   f ol l ow i ng  e q ua t i on:     { } 1( ST C pv r c R TT ηγ = −−               ( 3 )       20 8 ( 00 ) C a i nc NO CT T TG = +               ( 4 )     3. 2.   D i s t r i b u t i o n   o f   w i n d   S p eed s   a n d   En e r g y   Y i e l d e b y   W i n G e ne r a t o r   T he   W e i bul l  f unc t i on i s  us e d t o c ha r a c t e r i s e  t he  di s t r i but i on of   wi nd  f r e que nc i e s  du r i ng t he  s t udy   pe r i od  a nd  i s   d ef i n ed   as   [ 7 ] :     1 ( ) e x p kk kV V fV AA A    =                   ( 5 )     W i nd  s pe e ds   V m   c an   b cal cu l at ed   acco r d i n g   t o   W ei b u l l s      K  an d   A   p ar am et er s   as   i n d i cat ed   b el o w :     1 1 m VA k = Γ+                 ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     I S S N 225 2 - 88 14       St u dy   a n d   O p t i m i z a t i o n   o f   a   R en ew a b l S ys t e m   o f  S m a l l   P o we r   . . . . ( M oh am m e Sa lim   H a d j i d j )   2 03     W i nd p owe r   d e ns i t y  of  a  s i t e   a c c or di ng t W e i b ul l s  pr o b a bi l it y  de ns i ty   f unc t i on c a n b e  e xpr e s s e d a s   f ol l ows   [ 8] :     3 13 1 2 eo l P SA k ρ = Γ+               ( 7 )     w h er S eol   i s   t he  a r e a   s w e pt  by   t he  w i nd t u r bi ne   bl a de   ( m ² )   a nd  i s   a i r   de ns i t y   ( 1. 225 kg/ m ³ ) .   Onc e  t he  wi nd  powe r  de ns i t y  i s  gi ve n,  t he  e ne r gy  y i e l de d by  t he  wi nd ge ne r a t or  f or  a  d e s i r e d pe r i od   can   b cal cu l at ed   b y   [ 9 ] :     3 13 1. 2 eo l E AT Sk ρ = Γ+               ( 8 )     3. 3.   B a t t ery   S i ze   T h e s t o r ag e ca p aci t y  o f  b at t er i es  i s  d et er m i n ed  acco r d i n g  t o  t h e m ax i m u m  r eq u i r ed  l o a d  ( m ax i m u m   m ont hly   l oa d)   t ha t   i s   e xpr e s s e by  [ 10] :   , , ma x , . . .. Lm bat t t ot j a bat bat dd m E CN U P N η =               ( 9 )     T he  n um be r  of  r e qui r e d ba t t e r i e s  i s  de t e r m i ne d a c c or di n g  t o  t h e cap aci t y  o f  a  b at t er y  u n i t  C b at t , as  i n   t he   c a s e   of  t he   s ur f a c e s   o f   p ho t ovol t a i c   ge ne r a t or s   by   t a ki ng    by   r o un di ng  u t he   f ul l   r a t i va l ue .     , , bat t t ot bat t bat t u C N E N T C  =                    (1 0 )     S pv   a nd S eol   ar e t h e r es p ect i v e s u r f aces  o f  t h e  p an el  an d  t h t u r bi ne  a bl e  t pr o duc e  a   10 0 %  c ove r a ge   of  t he   l oa d  d ur i ng t he   l e a s t  f a v our a bl e   m ont [ 11] :     ma x d pv pv E S E  =                    ( 1 1)     ma x d eo l eo l E S E =                 ( 1 2)     T he  t ot a l  e ne r gy  pr o duc e b y  t he  phot ov ol t a i c   m odul e s  a nd w i n d t ur bi n e s  whi c h s up pl y  t he  whol e   ch ar g i e x p r e sse d   b y :     .. d pv pv e ol e ol E ES E S = +               ( 1 3)     B y   us i ng  t he   two  r e ne wa bl e   s our c e s ,   t he   c h a r ge   i s   di vi de i nt t w pa r t s .   I f   t he   f r a c t i on  of   t he   c ha r g e   s uppl i e d by  t he  phot o vol t a i c  s y s t e m   i s  f ,   t he n t he  c o m pl e m e nt  of  t he  c ha r ge  whi c h i s  ( 1 - f) m u s t   be  f e by  t he   wi nd s y s t e m .   T he  l im i t va l ue s  of  f  c or r e s p o nd t o p ur e  s y s t e m s .  I n f a c t ,  f = 1 c or r e s po nds  t o a  f ul l  ut i li z a ti on of   t h e   p h o t o v o l t a i c   s y s t e m   a n d   f = 0   r e p r e s e n t s   a  f u l l   u t i l i z a t i o n   o f   t h e   w i n d  s y s t e m .   T he  e qua t i ons   ( 11   ,   1 )  be c o m e :     .. pv pv d E S fE =                   ( 14 )     . (1 ) . eo l eo l d E S fE =                 (1 5 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S     V o l .   7 ,   N o .   3 ,   S e p t em b er   201 8 :    199     2 11   2 04   T h e cal cu l at i o n s  ar e b as ed   o n  t h e m o n t h l y   av er ag es  o f  each  y ear  r es p ect i v el y .  T h e s u r f aces  o f  t h e   ph ot ov ol t a i c  pa ne l s  a nd r ot or  of  w i nd t ur bi ne  a r e  de t e r m ine d f r om  t he   m ont hly  a ve r a ge  va l ue s  of  e a c h y e a r   cal cu l at ed   f r o m   pv E   an d   eo l E .   T h f u l l   ch ar g i s   m a r k ed   E d   a nd   t he   s ur f a c e s   of   t he   ph ot ov ol t a i c   a nd  r ot o r   o f   wi nd  a r e   e xp r e s s e t hr o ug t h e   f ol l owi ng   e q ua t i ons :     1 . S d PV pv E Sf E = =                   ( 1 6)   1 (1 ) . S d E OL Eo l E Sf E = =                 (1 7 )     t he   r e t a i ne c om pone nt   of   t he   s ur f a c e   S i ,u   ( i = 1)   f o r   t he   phot ov ol t a i c   c o m pone nt   a nd  ( i = 2)   f or   t he   r ot o r   of  t ur bi ne  c om po ne nt .   T he  s u r f a c e  of  t he  c o m pone nt  uni t  S i ,u   (S pv,u   =  0. 34m ² ,  S e ol ,u   = 0 . 5 6 m ²)  T h e r et ai n ed   s u r f ace  i s   cal cu l at ed   acco r di ng   t t he  f ol l ow i n g e q ua t i on:     ,, . S iu iu S C te S =                   (1 8 )     W i t h :   C t e   i s   a   whol e   num be r   c l os e   t a   hi gh  de gr e e   of   t he   r a t i , S i iu S S   a nd  ' S '   i s  s t a nds  f o r   t he   s c e na r i o.       4.   S YS T E D E S C RI P T I O N   T he  s y s t e m  unde r  s t u dy  i nc l ude s   ph ot ov ol t a i c  pa ne l s  a nd / or  w i n d t ur bi ne s  c o nne c t e t o t he  di r e c t   c ur r e nt  bus  ( D C )  a nd s t or a ge  ba t t e r i e s .   E ac h  s t o r ag e b at t e r y  i s  co n n ect ed   i n s e r i e s   t t he  120V ( DC )  bus .   A c o nve r t o r  c on ne c t e d i nt t he  a l t e r na t i ve  c ur r e nt  bus  ( AC )  i s  us e d  t o c o nve r t  i nt o  a l t er n at i v e cu r r en t  t h e ne r gy  y i e l de d by  t he  p hot o v ol t a i c  pa ne l s ,  the  wi n d t ur bi n e s  a nd t he  e ne r gy  s t or e d i ba t t e r i e s .  T he  e l e c t r i c ity  ge ne r a t e by   o ur   s y s t e m   s uppl i e s   t he   a pa r tm e nt .   T he   e ne r g y   not   c ons um e a f t e r   s e r vi ng  t he   c ha r ge   i s   s t or e i n   t h e   b a t t e r i e s.   T he  p hot o vol t a i c  s y s t e m  pr o duc e s  a   di r e c t  vol t a ge   w hi c h i s  s t or e d i t he  ba t t e r y  a f t e r  c r os s i n g a   c ha r ge   c o nt r ol l e r   of   t he   p hot o vol t a i c   s y s t e m .   T he   wi nd  t u r b i ne   y i e l ds   a a lt e r na t i ve   c ur r e nt   whi c i s   c on ve r t e d   i nt o di r e c t  c ur r e nt  a nd s t or e d i n t he  ba tt e r y .   A di s c ha r ge  l oa d i s  a l s o c onn e c t e d t t he  ba t t e r y t o de vi a te  t he   e xt r a   l oa d w he t he  ba t t e r y  i s   f ul l y   l oa de d.   T he  di a gr a m   t ha t  gr oups  t oge t he r  e a c h pos s i bl e  c om p one nt  of  t he  s y s t e m  i s  i l l u s t r a t e d  i n   F i gur e   5   [1 2 ].           F i gu r e  5.   F low   d ia gr a m   o f   t h e   s ys t e m       T he  t e c hni c a l   s pe c i f i c a ti ons   of   t he   m a i c o m pone nt s   of   t h e   s y s t e m   a r e   i n d i c a t e d   i n   T a b l e   4 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     I S S N 225 2 - 88 14       St u dy   a n d   O p t i m i z a t i o n   o f   a   R en ew a b l S ys t e m   o f  S m a l l   P o we r   . . . . ( M oh am m e Sa lim   H a d j i d j )   2 05   T ab l 4 .   T ech n i cal   D e t a i l s   o f   t h e   S ys te m   Par a m eter s   Valu es   Ph o to v o ltaic p an el s   Pr ice:6 5 . 0 0 /p an el   N o min a l ca p a city ( kW )   0, 05   P a n el P er fo r ma n ce  ( % )   13   V ol t age  M pp ( V )   18   I n ten s ity M p p   ( A )   2, 78   Shor t - cir cu it cu r r e n t ( A )   3, 16   Op en - cir cu it vo lta g ( V )   22, 2   W a r r a n ty ( yea r s )   10   S iz e ( len g th /w id th / h eig h t) ( m m)   630 x 54 5 x 25   W eig h t ( K g )   4   Life time   ( yea r s )   20   W i nd  t ur bi ne   P r i c e :  2000. 00 €   / t ur bi ne   r a ted  ca p a city ( W )   1000   M a ximu m p o w er   ( W )   1500   S ta r t s p eed  ( m/s )   2   N o min a l s p eed  ( m/ s )   10   S to p  s p eed  ( m/s )   55   W in d  tu r b in e effici en cy  ( % )   96   N o is e level  ( d B )   45   W a r r a n ty ( yea r s )   5   Life time   ( yea r s )   25   W eig h t ( K g )   78   R ot or  l e ngt h ( m )   2 ,8   R ot or  w i dt h ( m )   2   B atter y   P r i x:  305. 00 €   /b atter y   N o min a l vo lta g e ( V )   12   C a p a city ( A h )   230   M a ximu m vo lta g e ( V )   14, 4   St ar t i ng c ur r e nt  ( A )   1150   C har ge  v ol t age  ( % )   10   S er ies - co n n ected  b a tter ies   10   Life a t 5 0 %  o f d is ch a r g e ( cycl e)   200   S iz e ( len g t h /w id th / h eig h t) ( m m)   518 x 27 6 x 242   W eig h t ( K g )   56, 75   W a r r a n ty ( yea r s )   1   C onve r t or   P r i x:  1000. 00 €   /co n v er to r   M a ximu m p o w er   ( kW )   1210   M a ximu m vo lta g e ( V )   400   Vo l t a g e  r a n g e  PV,  M PPT   (V )   139  -   320   M a x in p u t cu r r en ( A )   10   N om i nal  pow e r  ( k W )   1000   Ou t p u t cu r r en t ( A )   5 ,6   N om i nal  v ol t age  r ange  ( V )   220  -   240 /  180  -   26 0   F r eq u en cy r a n g e n etw o r ( Hz )   50  -   60   M a ximu m efficien c ( % )   93   S iz e ( len g th /w id th / h eig h t) ( m m)   434 x 29 5 x 214   W eig h t ( K g )   22   N o is e level  ( d B )   39   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S     V o l .   7 ,   N o .   3 ,   S e p t em b er   201 8 :    199     2 11   2 06   5.   R E S U L T S   A ND   DI S C U S S I O N   T hi s  pa r t  s ho w s  t he  i nf l ue nc e  of  t he  c ha r a c t e r i s t i c s  of  s ol a r  a n wi nd  e ne r gy   r e s our c e s   on  t he   s i z i ng  o f  t h e s i ze an d  t h e ef f i ci en cy   o f  an  el ect r i c p o w er   g en er at i o n  s y s t e m .  A f t e r  en t er i n g  t h n eces s ar y  d at a i n  t h e   cal cu l at i o n  p r o g r am ,  h e w i l l   ex ecu t e s ev er al  s i m u l a t i o n s  by   m odi f yi ng pa r a m e t e r s  a nd de t e r m i ni ng opt im a s ol ut i ons .   T he   r e s ul t  of  t he  s i m u l a ti on s ho w s  t he  m os t  f e a s i bl e  c onf i gu r a t i on  of  t he  e ne r gy  s y s t e m   a s  w e l l  a s   t he   e ne r gy   p r o duc e by   e a c s our c e .   T he   r e s ul t s   of   t he   p hot ov ol t a i c   e ne r gy   ga t he r e d a r e   i l l us t r at ed   i n   F i gur e   6 .           F i gu r e  6.   S ol a r   p hot ov ol t a i c   e ne r gy     r e c e i ve i n   t he   s i t e   o a i nc l i n e d   pl a ne       T h F i gur e   6   s how s  t he  va r i a t i on pr o f i l e  of  the  s ol a r  vol t a i c  e ne r gy  c ol l e c te d f r om  da y t o  da y  dur i n g   t he   y e a r .   T wo   m a xim u m   va l ue s   c a be   di s t i ngui s he d:   T he   e ne r gy   c ol l e c t e on   t he   11 0t d a y   r e a c he s   6. 8 7k W h   a nd  6. 8 0k W o t he   2 37t h da y .   T he  w i n d e ne r gy  c ol l e c t e d on t he  ba s i s  o f   da i l y  wi nd s pe e ds  i n t he  r e gi o n of   T l e m c e n  i s  s how n i n   F i gur e   7 .         F i gu r e  7.   D a i l y   w i n d   e n e r g y   c o l l e c t e d   i n   T l e m c e n       F i gur e   7   s ho ws   t ha t   t he   m ont hs   of   J a n ua r y   a n De c e m be r   a r e   t he   m os t   pr of i t a bl e   of   t he   ye a r   whe t he   r e c ove r e d w i n d e ne r gy  r e a c h e s  t he   m a xim u m  va l ue  of :  14. k W / d .  F o r  t h e r es t  o f  t h e y ear ,  as  t h e w i n d   e ne r gy   i s   ve r y   w e a k,   t hi s   r e gi on  r e s or t s  t m or e  p hot o vol t a i c   t ha wi n e l e c t r i c it y .   T he   wi n r os e   a nd  t he   di s t r i b ut i on  of   wi nd   s pe e f r e q ue nc i e s   a r e   e va l ua t e a l l   y e a r   l ong   t de t e r m i ne   i f   t he   w i nd  bl o ws   i o ne   d i r ect i o n   w i t h   r es p ect i v i n t en s i t y   al l   o v er   t h y ear .   T he   a n nua l   r e s ul t s   a r e   s hown  i n   F i gur e s   8 - 9 .   T h t e r m i n a l   v al u es   o f  “k  a n d  “A   p ar am et er s  ar e  1  a n d  2 . 4 2 m / s  r es p e ct i v el y .   C on s i de r i ng   va l ue   “A ” w h o   i s  v e r y  l o w ,   w h i c h   m a k e s  i t  v e r y  d i f f i c u l t  t o  e x p l o i t  t h e  w i n d  p o t e n t i a l  s i n c e  a l l  w i n d  t u r b i n e s st a r t   to  pr odu c e  f r om  2   m / s.   T h e   v a l u e   o f  " K "  i s  e s t i m a t e d  a t  1  m   /  s ,  t h i s  l o w  w i n d   d e n s i t y  i s  n o t  f a v o r a b l e  t o  t h e   c ont i n u ou s  o pe r a t i on  of  t he   w i n d  s y s t em  f o r   a w h o l e d ay .  T h er e f o r e,  T l em cen  p r es en t s  v er y  w eak  co n d i t i o n s   i n   t e rm   o w i n d   re s o u rc e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     I S S N 225 2 - 88 14       St u dy   a n d   O p t i m i z a t i o n   o f   a   R en ew a b l S ys t e m   o f  S m a l l   P o we r   . . . . ( M oh am m e Sa lim   H a d j i d j )   2 07   A s   r e ga r ds   t he   of   t he   w i n r os e   d ia gr a m   s h ow in   f igu r e   ( 8) ,   i t   i s   not e t h a t   t he   di r e c t i on   o f   dom i na nt   w i nds   i s   f r om   t he   n or t he r s i de   o f   T l e m c e n.             F i gu r e  8.   W i nd   s pe e ds   f r e q ue nc i e s   a c c or di n t o   t he   W e i bu l l   d i s t r i b u t i o n     F i gu r e  9.   D i a gr a m   of   t he   w i n d   r os e   a t   10m   he i g ht           F ig ur e   10 .   H ybr id   e n e r g ( pho tov o lta ic - w i n d )   r ecei v e d     F i gur e   10   i s   i nt e r pr e t e d f or   t he  f ol l ow i n pe r i ods :   Th e   1s t  pe r i od:  f r om   t he  1s t  d a y  unt i l t he  90t h da y ,  t he   l oa d of  t he  a pa r t m e nt   i s  f i xe d a t  3, 26k W /d  ( S ee  T ab l 3 ) .   T hi s   wi nt e r   pe r i od  ha s   de f i c i t   da y s   t ha t   a r e :   ( 1,   3,   5 ,   8,   1 0,   12,   15  a nd  16 )   da y s ,   t hi s   gi ve s   on e   da y   of   a ut on o m y   s i nc e   t he   da y s   a r e   not   s uc c e s s i ve ,   s s t or a ge   i t he   ba t t e r i e s   i s   i nt r oduc e t c ove r   t he   l oa o f   t h ap ar t m en t .   T he   2nd  pe r i od :   f r o m   t he   91s t   da y   t t he   274t da y ,   t he   l oa of   t he   a pa r tm e nt   i s   f i xe a t   9. 15  k W / d .   T hi s  s um m e r  p e r i od  doe s  n ot   i nc l ude  de f i c i t  da y s ,  t he  s y s t e m  ope r a t e s  n o r m a l l y  w i t h o u t  r e c o u r s e  t o   b a t t e r i e s ,   t he   e ne r gy   p r o duc e i s  f a i r l y   c ons t a nt  i t hi s  pe r i od  a nd  r e a c he s   t he   m a xim u m   va l ue   of   5. K W /   d.   T he  t hi r d  pe r i o d:  f r om  t he  275t h da y   unt i l  t he  e nd  of  t he  y e a r ,  t he  l oa d  o f  t he  a pa r t m e nt  i s  s e t  a t  3. 2 6   kW /d.   T hi s  w i nt e r  pe r i od  ha s  ot he r  de f i c i t  da y s   t ha t  a r e :  ( 235,   23 7,  2 3 9 a nd  24 2)  da y s  it  gi ve s  one  da y  of   a ut onom y .   S i nc e  t he  l oa d de m a nd i s  c ons t a nt  f or  e a c p e r i od,  t he   r e s u l t s  s how t ha t  t he  m os t  unf a v our a bl e   m o n t h  i s  w h e n  t h e  r a t i o  b e t w e e n  s o l a r  i r r a d i a t i o n   a nd  wi n d  s pe e d i s  m i nim u m .  A c c or di ng t o  t he  r e s ul t s ,  t he   wor s t   m ont h i s   t he   m ont of   D e c e m be r .     5. 1.   C a l c u l a ti n g   th e   N u m b er  o f   B a t t eri es   T he   num be r   of   da y s   of   a ut on o m y   i s   e va l ua t e a t   one   da y   ( 2 ho ur s ) .   T he   d a i ly   e ne r gy   de m a nd  dur i n g   t hi s   da y   i s   s e t   a t   3260  a h.   T he   s t or a ge   s y s t e m   w i l l   c o m pe ns a te   t he   i nt e r r upt i on  of   t he   po we r   ge ne r a t i on  s y s t e m .   T h e  e l e c t r i c i t y  t h a t  c o m e s  o u t  o f  t h e  b a t t e r i e s  d o e s  n o t  c o m e  e n t i r e l y  t o   e l e c t r i c a l  d e v i c e s :  p a r t  i s  l o s t   i n  t h e   wi r e s  a nd  d ur i ng t he  c o nve r s i on  of  c ur r e nt   DC  t AC  by   t he  c o nve r t e r ,  t he  a m ount  of  e ne r gy  t o  be   r e t ur ne d i s   3. 9 5 k W h.  I n or de r  t o ha ve   a  l onge r  l i f e  of  t he  ba t t e r i e s ,  a   m a xim u m   di s c ha r ge  de pt h of  5 0%  i s  s e t ,  t he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S     V o l .   7 ,   N o .   3 ,   S e p t em b er   201 8 :    199     2 11   2 08   c a pa c i t y  of  t he  s t or a ge  s y s t e m  wi l l  ha ve  t o be  7 . 9 1 k W h ,  t hi s  l e a ds  t o a  qua nt i t a t i ve  num be r  of   s t o r ag b a t t e r i e s   d u r i n g   t h i s   d e f i c i t   d a y .   T he  c a l c ul a ti on pr ogr a m  f i nds  t he  be s t  c onf i gu r a t i ons  of  t he  powe r   ge ne r a t i on s y s t e m  t ha t  wi ll   g en er at e en o u g h  o r  al l  o f  t h e  en er g y  at  t h e ap ar t m en t .  T h e r es u l t s  o f  t h es e c onf i g ur a t i on s  a r e  s how n i n  t he   T ab l 5 .       T ab l 5 .   O pt im um   c onf i gu r a t i ons   Par a m eter s   Op ti m u m  C o n f ig u r atio n s   C onf i gur a t i on A   C onf i gur a t i on B   Ph o to v o ltaic s y s tem ( K W )   1 ,7   1 ,4   Nu m b e r  o f  p an els   PV   34   28   N u m be r  of  w i nd t ur bi ne s   0   1   Nu m b e r  o f  b atter ie s   3   3   N u m be r  of  c onve r t or s   1   1   T o tal co s t ( €)   4125   5735       T ab l 5   s how s  t he  t wo be s t  r e t a i ne d c on f i gur a t i ons .  T he  c onf i g ur a t i on ( A )  c o nt a i ns  a  pur e l y   ph ot ov ol t a i c  s y s t e m  w it h a  p owe r  o f  1. k W  a nd c ons i s t s  of  34 p hot o v ol t a i c  pa ne l s ,  3 s t or a ge  ba t t e r ie s ,  one   c onve r t e r  a nd   no c ont a i ns  w i nd  ge ne r a t o r .   T h e s u r f ace o f   t h e p h o t o v o l t ai c p an el s  r ep r es en t s  1 2 . 7  m ².  T h e n et   pr e s e nt  c os t   o f   t hi s   c onf i gu r a t i on  i s   e s t im a t e d a t   412 e u r o.   T he  s e c ond c onf i g ur a t i on ( B )  c ont a i ns  a  hy br i d wi nd  a nd ph ot o vol t a i c  s y s t e m .  T he  num be r  of   p h o t o v o l t a i c  p a n e l s  i s  i n f e r i o r  t o t ha t  of  t he  c on f i gur a t i on ( A)  a nd  ha s  28  pa ne l s  a nd r e pr e s e nt s   9. 6 m ² ,   ge ne r a t i ng a  p ow e r   of  1. 4 k W .  T he  n um be r  of  s t or a ge  ba t t e r i e s  a nd c on ve r t e r s  i s  t he  s a m e   a s  t ha t of  t he   c onf i g ur a t i on  ( A) .   R e ga r di ng   t he   ne t   pr e s e nt   c os t   of   t hi s  c o n f i gur a t i on,   i t   i s   hi ghe r   a nd  e s t i m a te a t   573 e ur o.     5. 2.   P ro d u ct i o n   R e s ul t   a nd   E l ect ri C o ns um p t i o n   T hi s  pa r t  s ho ws   m or e  de t a il s  on t he  t wo c onf i g ur a t i on s  by  c o m pa r i ng t he  e ne r gy  pr o duc e d a n d   c ons um e d a nn ua l l y   of   e a c c onf i g ur a t i on  ( k W h/ y e a r ) .   F i gur e s   11 - 12   s how  t he   a ve r a ge   m ont hl y   powe r   p r o duc t i on   of   e a c c on f i g ur a t i on.             F ig ur e   11 .   A ve r a ge   m ont hl y   p ow e r   pr o duc t i o of     c o nf igu r a tion  ' A '     F ig ur e   12 .   A ve r a ge   m ont hl y   p ow e r   pr o duc t i o of     c o nf igu r a tion  ' B '       F r o m   F i gur e   11   i t  ha s  be e n f ou nd t ha t  t he  pr o duc t i on o f  e l e c t r i c a l e ne r gy  c om e s  onl y  f r om  t he   ph ot ov ol t a i c  s y s t e m   e s tim a t e d a t  3 80 k W h/ y e a r .  T he  a v e r a ge  h ou r l y  o ut put  i s  l e s s  t ha 0. 4 k W / h  f r om   Nove m be r  t F e br ua r y ,  u nl i ke  t he  ot he r  m ont hs   of  t he  y e a r  w he n t hi s  a ve r a ge  i s   gr e a t e r  t ha or  e qua l  t o 0. 5   k W / h .  T h e el ect r i c a l e ne r gy  c ons um e d di r e c t ly  f r om   t he  bus  ( AC )  r e pr e s e nt s  175 6 k W h/ y e a r ,  t he  r e s t of  t he   e ne r gy  p r o duc e d i s  s t or e d i ba t t e r i e s  s o t ha t  i t  c a n be  us e d d ur i n g t he   ni ght  o r  i n t he  d e f i c i t  pe r i od i n  s ol a r   r a di a t i on a nd  r e pr e s e nt s  1 60 6  k W h/ y e a r   i s  42. 2%   of   t he   pr od uc t i on  of   t he   pu r e   p hot o vol t a i c   s y s t e m .   F i gur e   12   s h o ws  t ha t  t he  pr o duc t i on o f  e l e c t r i c a l  e ne r gy  f r om   t he  phot o v ol t a i c / w i nd hy br i d s y s t e m  i s   e s t im a t e a t   38 22  k W h/ y e a r   w he r e   8 2%   i s   ge ne r a t e by   t he   ph ot ov ol t a i c   pa ne l s   a nd  18%   o f   t he   wi n s y s t e m   i s   r e s pe c t i ve l y  3 13 2 k W h/ y e a r  a nd 6 90  k W h / y e a r .  T he  e ne r gy  ge ne r a t e by  t he  phot o v ol t a i c  pa ne l s   is   m uc Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.