Demonstration of PV Power to High-temperature Heat Storage for Solar Cookers

Abstract

I Tanzania har 72 % av den urbane befolkningen tilgang til elektrisitet, men matlaging gjennom kull- og vedfyrte ovner er fortsatt den mest brukte metoden. Det er grunnet kulturelle preferanser, høy tilgjengelighet og lav kostnad. Bruk av disse energikildene fører til et dårlig inneklima, som igjen kan forårsake en rekke helseproblemer. Dermed er det et stort behov for en bedre løsning. Med utgangspunkt i dette, er et samarbeid inngått mellom NTNU og afrikanske universiteter der hensikten er å utarbeide et bedre alternativ enn løsningen som benyttes i dag. Ettersom Tanzania er lokalisert nærme ekvator gir dette godt utgangspunkt for utnyttelse av solenergi, noe som har resultert i et småskala oljebasert system drevet av fotovoltaisk, FV, paneler.

På bakgrunn av dette og tidligere arbeid, er formålet med masteroppgaven og demonstrere at FV paneler kan varme opp et varmelager til høye temperaturer. Eksperimentelt arbeid er utført på et kokesystem drevet av FV paneler på NTNU, kalt tretanks systemet. Oppgaven setter søkelys på oppvarming og energilagringsevne ved høye temperaturer.

Videre er tre variasjoner undersøkt for å demonstrere konseptet. Alle løsningene er testet som off-grid systemer driftet av FV paneler, men oppsettet og antall paneler varierer. Et oppsett er en batteriløsning der overskuddsenergi blir lagret i et varmebatteri via en ladekontroller. Deretter er et system der FV benyttes direkte til oppvarming av et varmebatteri testet. Til slutt er et hybrid system som kan driftes av både FV og en vindgenerator undersøkt.

Det eksperimentelle arbeidet har blitt begrenset av værforholdene i Trondheim. Som en konsekvens av dårlige solforhold, har ikke operasjonstemperaturen blitt nådd for noen av løsningene. Da varmeelementene i varmelageret allerede var installert, måtte solcellepanelene og kontroller dimensjoneres deretter. Dette resulterte i varmeelement med for lav resistans for solforholdene i Trondheim. Da utskifting av elementene var omfattende, ble de ikke byttet underveis i arbeidet. Derimot ble et selvregulerende element testet separat, men viste seg å fungere dårlig for operasjon ved høye temperaturer, grunnet en raskt økende indre resistans.

Implementering av en vindturbin i systemet førte til svært lav økning i produksjonskapasitet. Antagelig er det en konsekvens av lokasjonens dårlige vindforhold. Derfor har ikke systemet blitt testet som et hybridsystem drevet av både vind- og solenergi. Til tross for dette, er det antatt at implementering av vindturbin ikke vil være lønnsom grunnet den lave energiproduksjonen.

Testing av systemet med batterilagring avslørte at en stor andel av den produserte effekten gikk til å opprettholde batterispenningen. Dette er trolig en konsekvens av slitte og gamle batterier. Når systemet benyttes med batterier kreves det bruk av en PWM-kontroller. En slik kontroller har lavere effektivitet enn de testede MPPT-kontrollerene. Dette gjenspeiles i resultatene, der MPPT-kontrollere regulerte mer effektivt enn forsøkene med PWM-kontroller.

Til tross for at driftstemperaturen aldri ble nådd, kan det tenkes at dette er mulig ved bruk av MPPT-kontroller i Tanzania der solforholdene er bedre. Dermed kan det konkluderes med at den testede Gesyserwise MPPT-kontrollen er passende for systemløsningen uten batterier. Dette gir et verdifullt grunnlag for implementering og videreutvikling av systemet i fremtiden.

Although 72 % of the population in urban areas of Tanzania has access to electricity, charcoal and wood stoves are the conventional methods for cooking. This is due to cultural preferences, relatively low price and high availability of materials. These energy sources create thick smoke that releases heavy pollutants, causing serious health risks. A more clean and sustainable solution is, hence, required. As Tanzania is located near the equator, the location provides great potential to utilize solar power for cooking. This has established the ground for the development of different small-scale renewable cooking systems at NTNU in collaboration with several African universities.

This master thesis aims to demonstrate the concept of photovoltaic, PV, to high-temperature heat storage for cooking. The experimental work is carried out on a solar cooker developed at NTNU, referred to as the three-tank system. This thesis investigates the heating of the storage tank of the system and the ability to store high-temperature oil.

Furthermore, the thesis addresses how the concept can be demonstrated in three different system solutions. All system solutions are tested as off-grid systems with PV power; however, the setup and solar configurations differ. The three solutions consist of a battery system where excess power from a charge controller is directed to a heat battery, a direct system using PV power for direct heating of a storage, and a hybrid system that can accept power from PV and wind.

The weather conditions in Trondheim have limited the experimental work. As a consequence of poor solar conditions, the operating temperature was not reached for any tested system solutions. As the heating elements already were installed inside the heat storage tank, the controller and the solar array had to be dimensioned accordingly. This resulted in elements with too low resistance to match the solar conditions in Trondheim. These elements could not be changed due to comprehensive installation. A self-regulating heating element designed for water heating has been tested separately. However, the element was proven to be insufficient for operation at high temperatures due to the rapidly increasing internal resistance.

Implementation of a wind turbine provided a minimal capacity increase due to poor wind conditions. As a result, the system was not tested as a hybrid solution with wind energy as a secondary power source. However, the low power production from the turbine indicated that such a solution would not be beneficial.

When the system was tested with a battery, a large amount of the produced power was used to maintain the battery voltage. This is presumably a consequence of the batteries being old and worn out. A PWM controller is required by including a battery in the system, which has a lower efficiency than MPPT controllers. An overall higher temperature was achieved when testing the system with an MPPT controller.

If a system with an MPPT controller had been implemented in Tanzania, the operating temperature would most likely have been reached due to better solar conditions. In conclusion, a suitable Geyserwise MPPT controller has been installed and tested, creating a valuable basis for implementation and development of the system in the future.