Micro-grid effective design exploiting PV and wind sources

Today micro-grids are considered the best choice to face the problem of the rural electrification in developing countries. Therefore, it is important to study a method to optimize the system and to size the components of the grid in order to minimize investment and management costs. In this thesis micro-grids that exploits renewable energy sources have been analyzed, in particular optimization methods for off-grid systems that adopt photovoltaic (PV) panels and wind turbines have been studied. The optimization procedure has been implemented in Excel VBA and constitutes a tool that allows to compare different configurations and to choose the optimal one for the considered case. The aim of the tool is to help the decision-making process of an investor providing the best configuration, that is the one with the lowest cost (calculating NPC and LCoE) fixing a constraint on the reliability of the system (maximum acceptable LLP). To optimize and properly size the components of a micro-grid it is necessary to accurately model the battery. The battery model is fundamental to estimate the energy fluxes within the system. Therefore, an advanced model has been implemented. One of the configurations analyzed is a micro-grid composed by wind turbines and batteries. Implementing this configuration, it was necessary to study an algorithm that considers different turbines with different power curves and that is able to evaluate which and how many turbines to install to reduce the costs and to better exploit the wind resource. The exploitation of different energy sources and the study of the optimal mix allow to minimize the battery size and, as a consequence, the costs of the micro-grid. Indeed, the procedure developed analyzes the configuration that adopts PV panels, wind turbines and battery. Therefore, at first it is necessary to optimize the mix of the sources and then to calculate the suitable sizes of battery and generation. The implemented procedure was validated applying it to a case study: the St. Mary’s Lacor Hospital in Uganda. The data relative to the load were provided by measurements taken at the hospital, while the data regarding the solar and wind resource were taken by online databases.

Oggi le micro reti sono considerate la scelta migliore per affrontare il problema dell’elettrificazione rurale nei paesi in via di sviluppo. È quindi importante studiare un metodo per ottimizzare il sistema e dimensionare i componenti della rete in modo da minimizzare i costi di investimento e di gestione. In questa tesi sono state analizzate micro reti che sfruttano fonti rinnovabili, in particolare sono stati studiati metodi di ottimizzazione per reti isolate che adottano pannelli fotovoltaici e turbine eoliche. La procedura di ottimizzazione è stata implementata in Excel VBA e costituisce un tool che permette di confrontare diverse configurazioni e di scegliere quella ottimale per il caso considerato. Lo scopo del tool è quello di aiutare il processo decisionale di un investitore fornendo la configurazione migliore, cioè quella a minor costo (calcolando NPC e LCoE) mantenendo un vincolo sull’affidabilità del sistema (massimo LLP accettabile). Per ottimizzare e dimensionare correttamente le componenti di una micro rete è necessario modellare accuratamente la batteria. Il modello della batteria è fondamentale per stimare i flussi energetici all’interno del sistema. Per questa ragione è stato implementato un modello avanzato. Una delle configurazioni analizzate è una micro rete composta dalle turbine eoliche e dalla batteria. Implementando questa configurazione è stato necessario studiare un algoritmo che consideri diverse turbine con diverse curve di potenza e che sia in grado valutare quali e quante turbine installare per ridurre i costi e meglio sfruttare la risorsa eolica. Lo sfruttamento di diverse fonti energetiche e lo studio del mix ottimale permettono di minimizzare la taglia della batteria e, di conseguenza, i costi della micro rete. Infatti, la procedura sviluppata analizza la configurazione che adotta pannelli fotovoltaici, turbine eoliche e batteria. È quindi necessario prima ottimizzare il mix delle risorse e poi calcolare le taglie adatte di batteria e generazione. La procedura implementata è stata poi validata applicandola ad un caso studio: il St. Mary’s Lacor Hospital in Uganda. I dati relativi al carico provengono da misurazioni fatte presso l’ospedale, mentre i dati delle risorse solare e eolica sono stati presi da database online.