مدل‌سازی و بهینه‌سازی سیستم‌های انرژی هیبریدی با استفاده از شاخص‌های فنی-اقتصادی و زیست‌محیطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 گروه برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

10.48301/kssa.2024.417983.2717

چکیده

توسعه فناوری‌های انرژی دارای بازدهی بالا، مطمئن و فاقد آلاینده‌های زیست‌محیطی از اهمیت زیادی در راستای توسعه پایدار برخوردار است. هدف اصلی این پژوهش، بهینه‌سازی چندهدفه فنی-اقتصادی و زیست‌محیطی یک سیستم انرژی تجدیدپذیر هیبریدی برای تأمین بارهای الکتریکی و حرارتی یک مجموعه مصرف‌کننده بزرگ انرژی است. توابع هدف در نظر گرفته شده، احتمال عدم تأمین برق (شاخص فنی)، هزینه خالص فعلی (شاخص اقتصادی) و انتشار چرخه عمر (شاخص زیست‌محیطی) هستند و واحدهای سیستم انرژی هیبریدی شامل فتوولتائیک، توربین بادی، برق شبکه، پیل سوختی، الکترولایزر، مخزن هیدروژن، باتری و اینورتر بوده که ظرفیت آن‌ها متغیرهای تصمیم‌گیری پروژه است. برای انجام پژوهش، پیکربندی‌های مختلف سیستم انرژی هیبریدی در نرم‌افزار HOMER مدل‌سازی و شبیه‌سازی شده و با توسعه برنامه‌ای در نرم‌افزار MATLAB، طراحی‌های نامغلوب از میان پیکربندی‌های شبیه‌سازی شده پیدا می‌شود. سپس، سیستم نهایی از میان مجموعه طراحی‌های بهینه چندهدفه با کمک روش تصمیم‌گیری چندمعیاره TOPSIS ترکیب‌شده با روش وزنی انتروپی پیدا می‌شود. در مجموع، تعداد 700 سیستم بهینه چندهدفه شامل 592 سیستم متصل به شبکه و 108 سیستم مستقل از شبکه با 45 پیکربندی مختلف پیدا شد. مجموعه طراحی‌های پارتو دربرگیرنده طیف وسیعی از شاخص‌های فنی-اقتصادی و زیست‌محیطی بودند؛ به-طوری‌که محدوده (متوسط) هزینه خالص فعلی، احتمال عدم تأمین برق و انتشار چرخه عمر آن‌ها به ترتیب 8/43-2/17 (5/27) میلیون دلار، 0-10 (4/4) درصد و 6/358-6/196 (2/272) کیلوتن بود. مشاهده شد که سیستم انرژی هیبریدی منتخب با دارا بودن بازدهی فنی در حد سامانه تأمین انرژی مرسوم، 8/13% انتشار چرخه عمر کمتری داشته ولی هزینه خالص فعلی آن 3/22% بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling and optimization of hybrid energy systems using techno-economic and environmental characteristics

نویسندگان [English]

  • Seyyed Amirreza Abdollahi 1
  • Mahmoud Ahrari 2
  • Mahdi Ghazizadeh Ahsaee 2
1 Mechanical Engineering Department, Faculty of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Electrical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Zabol, Zabol, Iran
چکیده [English]

The development of energy technologies with high efficiency, reliability and free from environmental contaminants is of great importance for sustainable development. The main goal of this research is the multi-objective techno-economic-environmental optimization of hybrid renewable energy systems providing electrical and thermal loads for a large energy-consuming complex. The objective functions are the loss of power supply probability (technical index), net present cost (economic index) and life cycle emissions (environmental index), and hybrid energy system (HES) includes photovoltaic, wind turbine, grid electricity, fuel cell, electrolyzer, hydrogen tank, battery and inverter whose capacities are the design variables. To carry out the research, different configurations of the HES are modeled and simulated in HOMER software, and then by developing a program in MATLAB software, non-dominated designs are found among the simulated configurations. The final system is then found among the set of multi-objective optimal designs with the help of the TOPSIS multi-criteria decision-making method combined with entropy weight method. A total of 700 optimal multi-objective systems including 592 on-grid and 108 off-grid systems were found with 45 different configurations. The set of Pareto designs included a wide range of techno-economic and environmental indicators, so the range (average) the net present cost, loss of power supply probability and life-cycle emissions were 17.2-43.8 (27.5) M$, 0-10 (4.4)% and 196.6-358.6 (272.2) kton, respectively. It was observed that the selected HES with a technical efficiency equal to that of the conventional energy system has 13.8% less life-cycle emissions for an increase in net present cost of 22.3%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Renewable energy
  • Hybrid energy system
  • Multi-objective optimization
  • Multi-criteria decision analysis
  • Sustainable development

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 06 اسفند 1402
  • تاریخ دریافت: 06 مهر 1402
  • تاریخ بازنگری: 08 بهمن 1402
  • تاریخ پذیرش: 29 بهمن 1402