Performance analysis of a small-scaled wind turbine for teaching and laboratory purposes

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2024-03-11

Department

Major/Subject

Sustainable Energy Conversion Processes

Mcode

ENG3069

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

64

Series

Abstract

The increasing concern about climate change has elevated the significance of wind power as a green energy source, amidst the growing interest in renewable energy alternatives. Wind power is one of the most used renewable energy sources for electricity production leading to a growing demand for experts in the field. Therefore, Aalto University invested in a small-scaled wind turbine to be used for teaching and laboratory purposes for students. The present work focuses on analysing the wind turbine by performing experiments and measurements. The main goal was to characterize the performance of the wind turbine and to analyse the errors created in the used environment. The wind turbine was installed in a laboratory room, where experiments were conducted using an industrial fan as the artificial wind source. The primary experiments conducted involved the measurement of wind velocity, current, voltage, and RPM. Current and voltage measurements were performed for three distinct connections: DC-connection, AC delta-connection, and AC star-connection. In addition, a simulation of the wind direction profile before and after the wind turbine was done. From the measurements important parameters, for example the power coefficient, could be calculated and illustrated in graphs. The experiments yielded a maximum power coefficient of 0.19, attained through star-connection at a free stream velocity of 5.0 m/s—this being the maximum wind speed reached by the industrial fan. Finally, an error analysis was conducted to enhance our understanding of the uncertainties associated with the experimental methods. The maximum reached power coefficient is lower than the normal range for a small-scaled wind turbine. This is a consequence of many different causes leading to errors, for example using a laboratory room instead of a wind tunnel, not considering the generator efficiency and the limitation of accuracy in the used devices. The measurements and results obtained can directly benefit students, enhancing their comprehension of wind turbines—a crucial aspect of their learning. The methods used in this thesis offer students hands-on experience, reinforcing theoretical concepts introduced in the classroom. Moreover, these practical activities contribute to the development of their problem-solving skills and critical thinking.

Den ökande oron för klimatförändringar har ökat betydelsen av vindkraft som en grön energikälla, mitt i det växande intresset för förnybara energialternativ. Vindkraft är en av de mest använda förnybara energikällorna för elproduktion, vilket leder till en växande efterfrågan på experter inom området. Därför investerade Aalto-universitetet i en småskalig vindturbin som ska användas för undervisning och laboratorieändamål för studenter. Det här arbetet fokuserar på att analysera vindturbinen genom att utföra experiment och mätningar. Huvudmålet var att karakterisera vindturbinens prestanda och att analysera de fel som skapats i den använda miljön. Vindturbinen installerades i ett laboratorierum där experiment utfördes med hjälp av en fläkt som artificiell vindkälla. De primära experimenten som utfördes omfattade mätning av vindhastighet, ström, spänning och varvtal. Ström- och spänningsmätningar utfördes för tre olika anslutningar: DC-koppling, AC-deltakoppling och AC-stjärnkoppling. Dessutom gjordes en simulering av vindriktningsprofilen före och efter vindturbinen. Från mätningarna kunde viktiga parametrar, till exempel effektkoefficienten, beräknas och illustreras i grafer. Experimenten gav en maximal effektkoefficient på 0,19, som uppnåddes genom stjärnkoppling vid en fri vindhastighet på 5,0 m/s - vilket är den maximala vindhastighet som industrifläkten uppnådde. Slutligen genomfördes en felanalys för att öka vår förståelse för de osäkerheter som är förknippade med de experimentella metoderna. Den maximalt uppnådda effektkoefficienten är lägre än det normala intervallet för en småskalig vindturbin. Detta är en följd av många olika orsaker som leder till fel, till exempel användning av ett laboratorierum istället för en vindtunnel, ingen hänsyn till generatorns verkningsgrad och den begränsade noggrannheten i de använda enheterna. De mätningar och resultat som erhålls kan vara till direkt nytta för studenterna och öka deras förståelse för vindturbinen - en viktig aspekt av deras inlärning. De metoder som används i denna avhandling ger eleverna praktisk erfarenhet och förstärker de teoretiska begrepp som introduceras i klassrummet. Dessutom bidrar dessa praktiska aktiviteter till utvecklingen av deras problemlösningsförmåga och kritiska tänkande.

Description

Supervisor

Järvinen, Mika

Thesis advisor

Järvinen, Mika

Keywords

wind turbine, wind power, renewable energy, small-scaled wind turbine

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403172789

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG