Small wind / photovoltaic hybrid renewable energy system optimization

Abstract

This thesis presents an optimization model to design a hybrid renewable energy systems consisting of wind turbines, photovoltaic modules, batteries, controllers and inverters. To use this model, a data bank is required where detailed specifications and cost of the equipments must be available. It must also include the wind speed and solar radiation data for the desired site. Using the proposed optimization model with the data bank, the optimal configuration of necessary equipment required for the project to supply energy demand at the lowest possible cost is determined. To evaluate if the project is a good investment, an economic analysis is performed to calculate the net present value of the project over a period of 20 years. For the island of Puerto Rico we created a database of published wind speed and solar radiation. We applied the optimization procedure to residential loads at three different locations on the island. The results show that renewable energy projects are a good investment for Puerto Rico as long as the renewable system is connected to the utility grid benefiting from a net metering program, and is designed to supply the exact energy demand of the residential load. For systems not connected to the utility grid, places like the coast of Fajardo, where wind is abundant, the system is cost effective. But in parts of the island where wind speed is less, the system required the use of photovoltaic solar panels increasing the system cost. These systems have a payback period greater than 20 years.

Este tesis presenta un modelo de optimización para diseñar un sistema de energía renovable compuesto de molinos de viento, paneles fotovoltaicos, baterías, controladores e inversores. Para usar este modelo se necesita un banco de datos en donde se detalle las especificaciones y costos de los equipos. También debe incluir los recursos de viento y sol para el área de estudio. Utilizando el modelo de optimización con la base de datos, se puede determinar la configuración óptima de equipos necesarios para suplir la demanda de energía, a los costos más bajos posibles. Para evaluar si el proyecto es una buena inversión, un análisis económico es realizado en donde se busca el costo presente del proyecto, en un periodo de 20 años. Una base de datos con valores publicados de velocidades de viento y radiación solar fue creada para la isla de Puerto Rico. Se aplico el procedimiento de optimización a cargas residenciales de tres diferentes lugares en la isla. Los resultados muestran que los proyectos de energía renovable son una buena inversión para Puerto Rico, siempre y cuando el sistema renovable esté conectado a la red de energía mediante un programa de medición neta, y esté diseñado para suministrar exactamente la demanda de energía de la carga residencial. Para los sistemas no conectados a la red de energía, lugares como la costa de Fajardo, donde el viento es abundante, el sistema es costo efectivo. Pero en partes de la isla, donde la velocidad del viento es menor, el sistema requiere el uso de paneles solares fotovoltaicos aumentándole el costo del sistema. Estos sistemas tienen un periodo de recuperación superior a 20 años.