Study and development of a web-based software for hybrid energy system design and solar prediction analysis

The challenge of integrating fluctuating power from renewable energy sources in the electricity grid cannot be looked upon as an isolated issue but should be seen as one out of various means and challenges of approaching sustainable energy systems. The presented PhD thesis project illustrates the analysis, study and development of a web-based software able to design hybrid energy systems in any location of the world, able improve the reliability, availability and sustainability of both grid-connected and isolated energy systems. The software EHS (Energy Hybrid System) is programmed to evaluate the optimal design for various configuration of energy hybrid systems. The evaluation of the optimal hybrid system configuration is based on the value of the LCC (Life Cycle Cost) calculated along the potential lifetime of the entire system, considering all the future costs. The thesis presents a design case study, carried out through EHS software, of a hybrid power system located in Uganda. The results of the simulation through the software EHS show that the usage of battery storage is economically crucial. Results disclose that the optimal configuration of the hybrid system (PV-storage-diesel generators), despite its high investment cost, presents an economic benefit of 25.5 and 22.2% compared to the usage of only PV array and diesel generators and only diesel generators and a reduction of fuel consumption equal to 74.7 and 77%, respectively. In order to improve the hybrid energy system efficiency, the thesis project also proposes a development of an instrument able to make a reliable prediction of PV production and a solar irradiance forecast methodology to predict the photovoltaic production through an experimental instrument called "solar predictor". Within this study a sky image system, based on a commercial digital camera, has been used and characterised with respect to get image elaboration, cloudy shape detection, motion estimation and tracking.

La sfida di integrare la potenza intermittente proveniente da fonti energetiche rinnovabili nella rete elettrica non può essere considerata come un problema isolato, ma deve essere visto come uno strumento per integrare e mettere in primo piano i sistemi energetici rinnovabili. Questo progetto di tesi di dottorato presenta l'analisi, lo studio e lo sviluppo di un software ad interfaccia web in grado di progettare sistemi energetici ibridi in qualsiasi luogo del mondo, in grado di migliorare l'affidabilità, la disponibilità e la sostenibilità sia di sistemi connessi alla rete che di sistemi isolati. Il software EHS (Energy Hybrid System) è stato sviluppato per ottenere la configurazione ottimale per varie tipologie di sistemi energetici ibridi. Lo studio della configurazione ottimale del sistema ibrido si basa sul valore del LCC (Life Cycle Cost) calcolato sulla durata potenziale dell'intero sistema considerando tutti i costi presenti e futuri. La tesi presenta un caso di studio di progettazione, effettuata tramite software EHS, di un sistema energetico ibrido situato in Uganda. I risultati rivelano che la configurazione ottimale del sistema ibrido (generatori FV-baterie-diesel), nonostante il suo elevato costo di investimento, presenta un beneficio economico del 25,5 e del 22,2% rispetto all'utilizzo di solo FV e generatori diesel e solo generatori diesel e una riduzione del consumo di carburante pari rispettivamente al 74,7 e al 77%. Al fine di migliorare l'efficienza del sistema energetico ibrido, il progetto di tesi propone anche uno sviluppo di uno strumento in grado di fare una previsione affidabile della produzione fotovoltaica attraverso uno strumento sperimentale chiamato "predittore solare". In questo studio è stato utilizzato un sistema di acquisizione di immagini, basato su una fotocamera digitale commerciale, utilizzate per ottenere l'elaborazione delle immagini, rilevamento dei corpi nuvolosi, previsione del loro movimento e predizione dell’irraggiamento.