Small scale wind power to heat

Abstract

Småskala vindturbiner er en passende teknologi til off-grid energisystemer og kan brukes til å produsere verdifull og samfunnsøkonomisk energi. Implementeringen av slike systemer kan også bidra til å redusere bruken av biomasse til matlagingsformål og dermed forbedre luftkvaliteten innendørs. Det er alltid av interesse å optimalisere driften av slike turbiner ved å maksimalisere den produserte effekten og dermed øke den endelige mengde nyttig energi tilgjengelig for forbrukeren. Noe som vil ha både økonomiske og miljømessige fordeler. En måte man kan oppnå dette på er ved å implementere en "load switching"-mekanisme. Denne mekanismen har evnen til å bytte mellom ulike laster avhengig av vindhastigheten og dermed alltid operere med den lasten som gir høyest effekt. Samtidig vil mekansimen gjøre det mulig for turbinen og produsere effekt ved veldig lave vindhastigeter i tillegg til å beskytte den mot "runaway" ved høye vindhastigheter.

Målet med de gjennomførte eksperimentene var å undersøke om å implementere en "load switching"-mekanisme kunne bidra til å optimalisere effekten ut fra en småskala vindturbin. Innledende tester ble gjennomført for å forsikre seg om at generatoren fungerte slik den skulle i tillegg til å verifisere at "switching"-mekanismen fungerte som planlagt. Deretter ble det gjennomført ulike referanseforsøk uten "load switching"-mekanismen for å etablere et sammenligningsgrunnlag. Etter de eksperimentene var ferdigstilte, ble hovedeksperimentene med "load switching"-mekanismen gjennomført. Mekanismen ble testen i flere ulike eksperimenter og ble optimalisert underveis. Til slutt ble det konstruert en casestudie for å tilegne seg en dypere forståelse av hvordan systemet oppførte seg under mer realistiske forhold.

De innledende resultatene bekreftet at generatoren og de utvalgte triacene fungerte slik de skulle. De forskjellige eksperimentene med vind til varme fremhevet at den ohmske verdien til rehostatene og forholdet mellom dem spilte en viktig rolle i ytelsen til "load switching"-mekanismen, og bør optimaliseres i henhold til stedsspesifikke driftsforhold. Ved å undersøke resultatene var det tydelig at effekten fra vindturbinen kunne økes ved å implimentere en "load switching"-mekanisme som var i stand til å variere den følte motstanden i systemet i henhold til det påtrykte dreiemomentet. På den måten opererte systemet alltid med den motstandskonfigurasjonen som ga høyest effektutbytte. Resultatene viste også at "load switching"-mekanismen krever modifikasjoner før en implementering i det virkelige liv, ettersom det nåverende systemet er skreddersydd et benkbasert eksperiment.

Resultatene av de utførte eksperimentene viste at det var mulig å optimalisere effektutbyttet til en småskala vindturbin ved å implementere en "load switching"-mekanisme. Et vindernergiomformingssystem som inkluderer en "load switching"-mekanisme kan deretter kombineres med en termisk energiløsning for matlaging. Hvis kombinasjonen av disse systemene viser seg å være fordelaktig, vil det bidra til å redusere bruken av biomasse til matlaging og dermed redusere helserisikoen som innendørs luftforurensning medfører.

Small scale wind turbines can be used to produce socio-economic valuable energy and are a suitable technology for off-grid energy systems. Additionally, the implementation of such systems can contribute to improving the indoor air quality by mitigating the use of biomass for cooking purposes. It is always of interest to optimize the operation of such turbines by maximizing their power output and thereby increasing the final amount of useful energy for the consumer which has both economic and environmental benefits. One possible solution for achieving this is the implementation of a load switching system. Such a system has the ability to switch between different dump load resistors, depending on the incoming wind speed, and thereby always operating with the load which yields the highest power output. Additionally, the wind turbine can be made to produce power at very low wind speeds and also be protected from runaway at high wind speeds.

The goal of the conducted experiments was to investigate if the implementation of a load switching system could optimize the power output of a small scale wind turbine. Firstly, preliminary testing was performed in order to ensure the proper working of the generator and to verify that the switching mechanism worked as planned. Then, several reference experiments without the switching mechanism were conducted to form a basis of comparison. Once that was concluded, the main experiments could take place. The load switching mechanism was tested in several different experiments and optimized along the way. Finally a wind energy case study was created in order to gain a deeper understanding of how the system would behave under more realistic conditions.

The preliminary results ensured the proper working of the generator and the switching capabilities of the selected triacs. The different wind power to dump load experiments highlighted the fact that the ohmic magnitudes of the sliding rheostats and the relationship between them played an important role in the performance of the load switching system, and should be optimized according to the site-specific operating conditions. By examining the results it was evident that the power output from the wind turbine could be increased by implementing a load switching mechanism which was able to alternate the perceived resistance of the system depending on the impressed torque. In that way, the system always operated with the resistor configuration which yielded the highest power output. The results also called attention to the fact that the load switching mechanism requires modifications prior to a real life implementation as the current system is tailored for a bench-based experiment.

The results of the conducted experiments proved that it was in fact possible to optimize the power output of a small scale wind turbine by implementing a load switching mechanism. A wind energy conversion system including a load switching mechanism can then be combined with a thermal energy cooking solution. If the combination of these systems proves to be advantageous it will help to mitigate the use of biomass for cooking purposes and thereby reduce health risks posed by indoor air pollution.