Optimizing Pico Hydropower: Enhancing Overshot Waterwheel Performance for Off-Grid Electrification
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3108848Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Denne avhandlingen utforsker konseptet med en pico vannkraftenhet som bruker et overhengende vannhjul med mulighet for variabel rotasjonshastighet, med mål om å tilby en egnet energikilde for samfunn uten pålitelig tilgang til elektrisitet. Med anslått 789 millioner mennesker uten tilgang til strøm globalt, er det rimelig å anta at mange av dem bor i nærheten av små vannstrømmer. Bruken av et overhengende vannhjul iavsidesliggende områder i utviklingsland har fordeler med hensyn til enkelhet, kostnadseffektivitet og robusthet. Selv om tradisjonelle vannhjul har blitt ansett som mindre effektive, finnes det begrenset nylig forskning på dette området.
Avhandlingen undersøker potensialet for å optimalisere vannhjulets effektivitet ved bruk av moderne teknologi. Ved å elektronisk stabilisere strømutgangen, på samme måte som gjøres med solkraftverk, kan vannhjulet tillates å operere ved sin mest effektive rotasjonshastighet basert på gjeldende vannutslipp. Avhandlingen gjennomfører eksperimenter for å måle ytelsesforbedringen til vannhjulet når det tillates å operere med variabel rotasjonshastighet. Som forventet ville denne optimaliseringen i stor grad veie opp for eventuelle tap i stabiliseringsprosessen og ekstra kostnader.
I tillegg utforsker avhandlingen to metoder for å ytterligere forbedre vannhjulets effektivitet: en teleskopisk overhengende kanal og ulike former for kanalens leppe. Eksperimentelle resultater avslører at ingen av de testede kanalformene overgikk en rett loddrett leppe. Videre viser undersøkelsen at justering av kanallengden er unødvendig når vannhjulet opererer med variabel rotasjonshastighet. Imidlertid, når det bare opererer med synkroniserte rotasjonshastigheter, ser det ut til at teleskopiske kanaler tilbyr en viss forbedring med hensyn til brukbare strømninger og økt effektivitet.
For å validere det foreslåtte konseptet ble det konstruert en enkel prototype av pico vannkraftenheten. Prototypen besto av et vannhjul koblet til en generator, som var koblet til motstander som lastekomponenter. Denne konfigurasjonen muliggjorde måling av rotasjonshastighet, strøm og spenningsutgang over motstandene, noe som tillot omfattende datainnsamling. Ved systematisk å endre vannutslipp, kanallengde ogbelastning på generatoren, ble det samlet inn omtrent 1500 datapunkter. Disse datapunktene ble deretter analysert ved hjelp av ulike grafer og diagrammer for å identifisere effektene av hvert element, nemlig kanallengde, vannhjulets rotasjonshastighet og leppeform, på systemets ytelse.
Forskningen er ikke uten begrensninger, mest bemerkelsesverdig begrensningen som følge av generatorens dreiemomentkapasitet. Den utilstrekkelige kapasiteten til generatoren forhindret en omfattende utforskning av effektivitetskurven til overhengende vannhjul med mulighet for variabel rotasjonshastighet. Følgelig forblir det innovative enhetens fulle potensial uutforsket, noe som understreker behovet for videre undersøkelse. Dessverre, innenfor rammen av tilgjengelig tid og ressurser, viste det seg utfordrende å skaffe en generator som var bedre egnet for en slik analyse. Det er forventet og oppmuntret at fremtidig forskning vil bygge på disse funnene, potensielt ved å bruke moderne programvare og AI-verktøy for å gjenoppfinne bøtteformene tiloverhengende vannhjul. Dette har potensial til å utvikle en vannmotor med effektivitetsnivåer som kan sammenlignes med konvensjonelle turbiner, men til en brøkdel av deres kostnad på grunn av en mer strømlinjeformet designmetode. This thesis explores the concept of a pico hydropower unit utilizing an overshot waterwheel capable of variable rotation speed, aiming to provide a suitable energy source for communities without reliable access to electricity. With an estimated 789 million people lacking electricity worldwide, it is reasonable to assume that many of them reside near small water streams. The use of an overshot waterwheel in off-grid operations within developing countries offers advantages in terms of simplicity, cost-effectiveness, and robustness. Although traditional waterwheels have been considered less efficient, limited recent research exists in this area.
The thesis investigates the potential optimization of the waterwheel's efficiency using contemporary technologies. By electronically stabilizing the electricity output, like it is done with solar power plants, the waterwheel can be allowed to operate at its most efficient rotation speed based on the current water discharge. The thesis conducts experiments to measure the performance improvement of the waterwheel when allowed to operate with a non-fixed rotation speed. As expected, this optimization would greatly outweigh any losses in the stabilization process and additional costs.
Additionally, the thesis explores two methods for further improving the waterwheel's efficiency: a telescopic overshot channel and different shapes of the channel's lip. Experimental results reveal that none of the tested channel shapes outperformed a straight perpendicular lip. Furthermore, the investigation demonstrates that adjusting the channel length is unnecessary when the waterwheel operates at a variable rotation speed. However, while operating in synchronized rotation speeds only, a telescopic channel seems to offer some improvement in terms of usable flows and increased efficiency.
To validate the proposed concept, a rudimentary prototype of the pico hydropower unit was constructed. The prototype consisted of a waterwheel coupled to an alternator, which was connected to resistors serving as load components. This configuration facilitated the measurement of rotation speed, current, and voltage output across the resistors, allowing for comprehensive data collection. By systematically altering the discharge, channel length, and load on the alternator, approximately 1500 data points were acquired. These data points were then analyzed using various graphs and charts to discern the effects of each element, namely channel length, waterwheel rotation speed, and lip shape, on the performance of the system.
The research is not devoid of limitations, most notably the constraint posed by the torque resistance of the alternator. The insufficient capacity of the alternator prevented a comprehensive exploration of the efficiency curve of the overshot waterwheel with variable rotation speed capability. Consequently, the full potential of this innovative unit remains untapped, highlighting the need for further investigation. Regrettably, within theconfines of available time and resources, acquiring an alternator better suited for such analysis proved challenging. It is anticipated and encouraged that future research will build upon these findings, potentially employing modern software and AI tools to reimagine the bucket shapes of overshot waterwheels. This holds the promise of engineering a water engine capable of efficiency levels akin to conventional turbines, yet at a fraction of their cost due to the streamlined design approach.