Demonstration of PV Power to High-temperature Heat Storage for Solar Cookers
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3023806Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
I Tanzania har 72% av den urbane befolkningen tilgang til elektrisitet, men matlaging gjennomkull- og vedfyrte ovner er fortsatt den mest brukte metoden. Det er grunnet kulturellepreferanser, høy tilgjengelighet og lav kostnad. Bruk av disse energikildene fører til et dårliginneklima, som igjen kan forårsake en rekke helseproblemer. Dermed er det et stort behov for enbedre løsning. Med utgangspunkt i dette, er et samarbeid inngått mellom NTNU og afrikanskeuniversiteter 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 avsolenergi, 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 atFV paneler kan varme opp et varmelager til høye temperaturer. Eksperimentelt arbeid er utførtpå et kokesystem drevet av FV paneler på NTNU, kalt tretanks systemet. Oppgaven settersøkelys på oppvarming og energilagringsevne ved høye temperaturer.
Videre er tre variasjoner undersøkt for å demonstrere konseptet. Alle løsningene er testet somoff-grid systemer driftet av FV paneler, men oppsettet og antall paneler varierer. Et oppsetter 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. Tilslutt 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 konsekvensav dårlige solforhold, har ikke operasjonstemperaturen blitt nådd for noen av løsningene.Da varmeelementene i varmelageret allerede var installert, måtte solcellepanelene og kontrollerdimensjoneres deretter. Dette resulterte i varmeelement med for lav resistans for solforholdenei 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 foroperasjon 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 blitttestet som et hybridsystem drevet av både vind- og solenergi. Til tross for dette, er det antattat 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 gikktil 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 kontrollerhar lavere effektivitet enn de testede MPPT-kontrollerene. Dette gjenspeiles i resultatene, derMPPT-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 brukav MPPT-kontroller i Tanzania der solforholdene er bedre. Dermed kan det konkluderes medat 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, charcoaland 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 smokethat releases heavy pollutants, causing serious health risks. A more clean and sustainablesolution is, hence, required. As Tanzania is located near the equator, the location provides greatpotential to utilize solar power for cooking. This has established the ground for the developmentof different small-scale renewable cooking systems at NTNU in collaboration with several Africanuniversities.
This master thesis aims to demonstrate the concept of photovoltaic, PV, to high-temperatureheat storage for cooking. The experimental work is carried out on a solar cooker developed atNTNU, referred to as the three-tank system. This thesis investigates the heating of the storagetank of the system and the ability to store high-temperature oil.
Furthermore, the thesis addresses how the concept can be demonstrated in three different systemsolutions. All system solutions are tested as off-grid systems with PV power; however, the setupand solar configurations differ. The three solutions consist of a battery system where excesspower from a charge controller is directed to a heat battery, a direct system using PV power fordirect 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 ofpoor 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 andthe solar array had to be dimensioned accordingly. This resulted in elements with too lowresistance to match the solar conditions in Trondheim. These elements could not be changeddue to comprehensive installation. A self-regulating heating element designed for water heatinghas been tested separately. However, the element was proven to be insufficient for operation athigh 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 asecondary power source. However, the low power production from the turbine indicated thatsuch a solution would not be beneficial.
When the system was tested with a battery, a large amount of the produced power was used tomaintain the battery voltage. This is presumably a consequence of the batteries being old andworn out. A PWM controller is required by including a battery in the system, which has a lowerefficiency than MPPT controllers. An overall higher temperature was achieved when testing thesystem with an MPPT controller.
If a system with an MPPT controller had been implemented in Tanzania, the operating temperaturewould most likely have been reached due to better solar conditions. In conclusion, asuitable Geyserwise MPPT controller has been installed and tested, creating a valuable basisfor implementation and development of the system in the future.