沙特阿拉伯混合可再生能源系统研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）111沙特阿拉伯混合可再生能源系统的比较Hisham El Khashaba， Mohammed Al Ghamediba埃及开罗国家研究中心电子研究所b沙特阿拉伯Yanbu Al Siniayah Yanbu工业学院2015年4月17日在线发布摘要世界范围内能源需求的持续增长，加上化石燃料等自然资源的减少，是人类面临的巨大能源问题。工业和消费者必须重新思考如何以低成本生产和使用能源。可再生能源（RE）的应用和节能是以可持续的方式应对这一挑战的关键在阿拉伯国家的炎热和阳光充足的地区，太阳能等可再生能源可以发挥关键作用，除了它们有助于减少二氧化碳（CO2）排放到环境中的百分比，从而减少全球变暖。据认为，光伏、风能、生物质能等可再生能源具有重要作用，特别是在高新技术会干扰的情况下。本文调查了沙特阿拉伯延布的稀土资源应用，并使用HOMER软件对延布工业学院可再生能源（RE）实验室新建立的三个拟议系统进行了模拟。该实验室代表了一个混合系统，由光伏，风力涡轮机和燃料电池系统组成。对这三个系统的能源成本进行了比较，以便对发展中国家的可再生能源作出实际估计位于沙特阿拉伯西海岸的延布的气候变化，考虑了© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：可再生能源;光伏;风能;燃料电池; HOMER1. 介绍太阳能和风能是沙特阿拉伯最重要的可再生能源全年太阳辐射的可用性从4到7.5 kwh/m2/天不等，这是欧洲（1 kwh/m2/天）和希腊（1.7 kwh/m2/天）的五倍多。为了获得合理的风能资源，需要4-8 m/s的一些参考文献（Nassif，2012;Shaahid和Elhadidy，2005;Rehman等人，2003年;Alabadi，2005年;Alawaji，2001年）讨论了在KSA的不同地区使用可再生能源的可行性，考虑到不同的系统*通讯作者。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.03.0102314-7172/© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。112H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111配置和环境条件。 我们的研究将在延布，这是位于沙特阿拉伯的西海岸。 延布的纬度是2359度，经度是3813度。直到2011年，由于政府补贴，沙特阿拉伯的大部分电力都是通过燃烧石油生产的，油价在低海岸。负责发展国家可再生能源部门的沙特机构KA-CARE（阿卜杜拉国王原子能和可再生能源城），KAUST（阿卜杜拉国王科技大学）于2012年 5月宣布，到2032年，该国将安装41吉瓦的太阳能发电量预计将由25吉瓦的太阳能热发电和16吉瓦的光伏发电组成（Nassif，2012年）。 在宣布这一消息时，沙特阿拉伯只有0.003吉瓦的太阳能装机容量。沙特阿拉伯 这是一个500千瓦的光伏发电厂，预计每年可发电864，000千瓦时。1100兆瓦的光伏发电和900兆瓦的太阳能热，聚光太阳能发电（CSP）预计将于2013年完成（维基百科，2015年）。太阳能热利用是可再生能源的主要应用领域之一冬季的热水器消耗大量的电能，因此太阳能热水器必须通过政府法律进行干预，以使这项技术得到利用。对盐步工业学院稀土复合实验室进行了全寿命周期成本分析。这可以是一个适合供应小型住宅单位的模式。如果可再生能源系统靠近国家电网，则可以使用并网系统以降低存储系统成本。2. 沙特阿拉伯的能源需求本研究的目的是调查利用可再生能源系统的能力，以提供选定的社区与其电力需求这些系统将帮助社区提高能源效率，并通过减少排放来实现环境效益。目前，沙特阿拉伯的发电能力为46，000兆瓦。电力需求每年增长3000兆瓦。与其他国家相比，这一年的增长率非常高。专家指出，2009年至2018年的电力需求投资约为1125亿美元。在石油使用方面，沙特阿拉伯在2009年使用了1亿桶石油来发电。沙特阿拉伯超过四分之一的石油产量是由该国自己消费的（Alaidroos等人， 2012年）。沙特阿拉伯53%的电力消耗是由家庭提供的，大部分电力消耗用于制冷。电力需求将在20年内从今天的46，000兆瓦增加按照这种电力消耗的增长速度，该国这将严重影响沙特阿拉伯的经济，因为该国的经济依赖于石油出口收入。国内消费的增长将降低出口到国际市场的能力。事实上，这种当地能源消费增长率并不是经济发展的标志;实际上，它是能源利用效率低下的标志（Alaidroos等人，2012;Lahn和Stevens，2011年12月）。目前常规电力生产的成本为0.10美元/千瓦时，而平均电价约为0.03美元/千瓦时（Alaidroos等人，2012年，它被认为是真正的低价。价格和成本之间的差额以下列形式支付：政府资源。这些补贴使沙特阿拉伯损失了约1880亿美元。然而，这些低价格阻碍了对可再生能源发电和效率提高的投资沙特阿拉伯的一些可再生能源项目概述如下：KACST（阿卜杜勒阿齐兹国王科技城）正在Al-Kharfji建造一座30，000立方米/天的太阳能海水淡化厂。PTC（Polysilicon Technology Company）正在朱拜勒建设一座年产7500吨的高品质多晶硅工厂。IDEA多晶硅公司在延布的项目，年产10,000吨多晶硅，2000万片硅片和1900万块太阳能电池。沙特阿美公司正在Dhairs办公大楼建造一个10兆瓦的光伏太阳能车棚系统氢气网络从工业过程中捕获氢气并进行纯化，为工业用户节省19.4%的能源。·····H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111113Fig. 1.太阳能热转换图。3. 太阳能和风能技术沙特太阳能包括两种主要技术。它们是太阳热能和光伏系统。3.1. 太阳能热技术图 1代表太阳能热转换通过蒸汽涡轮机发电。由于涡轮效率的边界，太阳能热系统的效率(a) 平板集热器系统通常由深色或特殊涂层的太阳能吸热板组成，该吸热板配有铜管网络这些管子装在一个玻璃覆盖的（上釉的）绝缘盒里。该技术的效率约为25%。自25年前以来，皇家委员会在Yanbu AlSiniayah使用该系统进行热水加热，以减少电费。(b) 真空管集热器在国内的应用被认为是对以往技术的发展。真空管吸收太阳能并将其转化为热能用于水加热。有几种类型的真空管用于太阳能集热器。每个真空管由两个玻璃管组成，玻璃管由非常坚固的玻璃制成外管是透明的，允许阳光以最小的反射通过所述内胎涂覆有氮化铝涂层。这种选择性表面在吸收太阳辐射方面非常出色，反射损失最小两层之间的真空真空管吸收来自太阳的辐射并将其转化为热量。单个真空管插入到10、20或30个管的歧管中，以形成完整的收集器。一个储存绝缘罐可以用作能量储存器。系统效率约为75%。为提高集热效率，还开发了抛物槽、抛物碟等技术3.2. 光伏电池技术光伏开发集中在光伏系统优化和电池制造技术上，以提高电池效率，并在不同类型（如单晶、多晶非晶、铜铟、碲化镉、砷化镓电池等）之间实现成本平衡。光伏面板晶体技术主要有以下几种类型：114H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111图二.不同的可再生能源成本比较。单晶太阳能电池的效率在17%到18%之间。多晶太阳能电池是市场上最常见的PV太阳能电池板类型它们的效率略低，但更便宜（效率为13非晶太阳能电池板（薄膜）由熔融硅制成的薄膜组成，该薄膜直接分布在大平板上。这种类型比前两种类型的效率低。它是最便宜的（效率6-10%）。CIGS薄膜光伏是一种效率提升潜力最大的薄膜技术，目前效率可达19.9%，但成本较高。高聚光光伏（HCPV）电池在当今和未来的光伏技术中具有最高的效率。在诸如沙特王国等太阳辐射高的地区，这是最有潜力的最低能源成本。第三代光伏（使用纳米技术和有机材料）涵盖了一系列太阳能技术，由于其未来的低成本潜力，这些技术被广泛认为是最有前途的技术。3.3. 风能在沙特阿拉伯，第一个风图集是由Alberman等人报告的（Alberman等人，2003年），提出了风速的统计特性。 分析表明，Yanbu的发电成本最低（0.0234美元）（Nebadi，2005年）。本研究提出长期风资料分析的年度和季节变化在盐步。盐步的大部分风来自南方，在某些时段的速度高达8米/秒。关于风能组件，存在两种类型的涡轮机，即垂直轴风力涡轮机和水平轴风力涡轮机。水平轴涡轮机需要大型涡轮机中的机构和/或控制系统指向风中以有效。虽然垂直轴涡轮机不需要这样，但它适合于小型涡轮机。图 2显示了不同可再生能源系统成本的最大和最小估计形式的成本比较。人们可以注意到，光伏和太阳能热或多或少具有相同的高能源成本。而风能成本与传统能源发电成本相当。······H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111115表1盐步月太阳辐射量。月一月二月三月四月可以六月七月八月九月十月十一月十二月廓清指数0.6410.6380.6700.654 0.648 0.666 0.648 0.6290.6470.6550.6400.639平均辐射量（千瓦时/平方米/天）4.3985.0766.2416.828 7.147 7.448 7.170 6.6746.2565.4594.5364.152表2盐步月平均风速。华盛顿五月花万豪普尔斯假日三月四月可以六月七月月八月九月十月十一月十二月风速（m/s）4.7 4.95.35.14.94.74.74.9 4.84.64.34.7图三.盐步年太阳辐射量。4. 案例研究，YIC可再生能源实验室可再生能源实验室于2013年5月建成它包括：1 太阳能电池板由20块多晶硅板组成，最大功率为4 KW2 水平轴风力涡轮机，在12米/秒风速下最大功率为3千瓦，安装在8米高的塔架3 燃料电池PEM型，1.2 KW，最大60 A输出。4 充电器和六个氢气储存罐。5 三个组件中每一个都有合适的逆变器额定值。4.1. 使用HOMER软件HOMER是美国国家可再生能源实验室（NREL）于1993年开发的一种计算机软件它有助于比较，分析和优化可再生能源系统的设计方案。4.2. 盐步再生能源盐步太阳能和风能资源在下面的表1和2以及图3中给出。 3和4 太阳辐射量变化范围为12月4.15kwh/m2/日~6月7.45kwh/m2/日，年平均值为5.95kwh/m2/日。盐步地区11月风速为4.3 m/s，3月风速为5.3 m/s，年平均风速为4.8 m/s。另一方面，图5展示了风力涡轮机输出功率曲线。该实验室是由风力涡轮机通用3千瓦。 发电功率与风速的关系曲线如图6所示。另一方面，燃料电池仅在峰值负载期间运行。所选风力发电机适用于远高于盐步风速的风速水平，以提供合适的输出功率值。该系统的主要目标是教育目的和社会意识，因此该系统不是最佳发电单元。116H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111见图4。盐步风力资源。图五.风机输出功率/风速。4.3. 仿真结果为了尽可能地降低成本，利用电网而不是存储系统。在新的可再生能源教育和意识实验室，所有可再生能源的选择是可用的，三个系统被选择来估计可再生能源的应用成本在盐步环境的可行性使用HOMER软件对这三个系统进行了模拟，以获得最佳尺寸，从而使系统成本最小化。拟比较的系统为：1. 单用PV（PV）。2. PV-风（PV-W）。3. 光伏-风能-燃料电池（PV-W-FC）。4.3.1. 负荷和资源这三个系统被假定为提供YIC可再生能源（RE）实验室消耗的负荷，以及周围地区的灌溉泵负荷。负载曲线如图6所示。该实验室是由led节能灯照明与灌溉泵的1千瓦与其他一些配件。见图6。 RE实验室负荷曲线。H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111117见图7。系统一的现金流量汇总表。见图8。 HOMER系统模拟2。4.4. 仅系统（I）PVPV板用于在白天为负载供电，而电网在夜间供电考虑了光伏板和逆变器的成本，HOMER中的系统模拟是作为一个子系统模拟的，情况II如图所示。9.第九条。发现系统（I）的能量成本（COE）为0.362 $/kwh。图7示出了系统部件的现金流，由于更换、维护和操作的成本，逆变器的成本相当高，这在小型系统中具有相当高的成本值。4.5. 系统（二）光伏-风能第二个系统由混合光伏和风力并网系统组成，具有与之前详述的相同的额定值在图8所示的系统模拟之后，发现光伏份额占总供应能量的49%，而风能占总能量的34%，国家电网供应剩余能量的17%。该系统的COE为0.492 $/kwh，略高于系统（I）。这是由于延布年平均风速为4.8 m/s，不适合产生考虑中的风力涡轮机的预期功率输出（一般3 KW）。这种风力涡轮机的最佳风速范围为8至12米/秒。 五、 此外，与单独的PV相比，风力涡轮机部件更换成本、维护和操作成本更高。4.5.1. 系统（三）光伏-风能-FC第三个系统由一个混合系统光伏板，风力涡轮机，燃料电池，电解槽和氢气罐。电解器是从电中产生氢气，储存在氢气罐中，供给燃料电池发电。图9用效率曲线简单地解释了我们的燃料电池类型操作。系统三，HOMMER仿真模型如图所示。 10个。 仿真结果显示了图中每个组件在电力生产中的份额。 十一岁118H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111见图9。燃料电池效率。见图10。 HOMER模拟系统III.见图11。生产系统III中的每个组件。H. El Khashab，M.Al Ghamedi/Journal of Electrical Systems and Information Technology 2（2015）111119系统III中包含的燃料电池系统具有极高的价格，这大大提高了能量成本，7.35$/kwh。燃料电池类型-效率接近40%-现在正在开发，以降低其成本。对于教育和意识实验室，无论其成本如何，都有义务学习和理解技术5. 结论总结了可再生能源系统的最新技术和类型。并以盐步工业学院可再生能源实验室为例进行了详细的研究。本实验室的建立，除了研究和教育的目的外，也是为了在延布社会中建立RE意识利用HOMER软件对系统进行了仿真计算，并对系统的能耗进行了分析。模拟了三种不同的系统配置。分别是：1.单用PV，2.光伏-风能混合动力系统和3.光伏-风能-燃料电池。这三个系统进行比较，就其能源成本连接国家电网以降低存储系统成本。这三种系统的可再生能源成本分别为0.36、0.49和7.3美元/升千瓦时，与燃油产生的千瓦时相比，在发展中国家应用可再生能源成本这是由于完全进口的可再生能源系统成本高，没有本地制造的系统部件。结果表明，由于盐步地区太阳辐射水平高，单独使用太阳能光伏发电系统是最佳的节能方式另一方面，现场年平均风速资源有限，未达到最佳风力发电条件下运行的合适范围水平（8此外，从每个系统组件的成本的经济研究中可以看出，逆变器成本占相当大的份额。这为小型住宅偏远地区提供了建议，以便在最可能的应用中使用直流电源，以减少逆变器的尺寸和成本。此外，太阳能热水器必须通过政府的法律干预，以确保这项技术的使用，这可以大大降低冬季电热水的成本。引用Nebbadi，N.，2005年沙特阿拉伯五个地点的风能资源评估。 雷内·W Energy 30，1489-1499.Alaidroos，A.，他，L.，Krarti，M.，2012年。沙特阿拉伯扬布的可再生能源分布式发电的可行性。In：Solar 2012 ASESConference，Denever，Colorado，13 -17 May.Alawaji，S.H.，2001年沙特阿拉伯太阳能研究及其应用的评价--20年的经验。 雷内·W 坚持住。 EnergyRev.5，59-77。Lahn，G.，Stevens，P.，2011年12 燃烧石油以保持凉爽，沙特阿拉伯隐藏的能源危机。Nassif，A.A.，2012. 在延布工业城开展节能和有效的能源倡议。In：F.SaudiSolarEnergyForumRiyadh，8-9 May. 拉赫曼，S.，哈拉瓦尼，T.O.，Mohandes，M.，2003年。沙特阿拉伯王国20个地点的风力发电成本评估。 雷内·W Energy28，573-583。Shaahid，S.M.，Elhadidy，文学硕士，2005年 独立混合动力（光伏+柴油）系统电池存储的最佳尺寸。 Int. 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