While modern wind turbines have become by far the largest rotating machines on Earth with further upscaling planned for the future, a renewed interest in small wind turbines (SWTs) is fostering energy transition and smart grid development. Small machines have traditionally not received the same level of aerodynamic refinement as their larger counterparts, resulting in lower efficiency, lower capacity factors, and therefore a higher cost of energy. In an effort to reduce this gap, research programs are developing worldwide. With this background, the scope of the present study is 2-fold. In the first part of this paper, an overview of the current status of the technology is presented in terms of technical maturity, diffusion, and cost. The second part of the study proposes five grand challenges that are thought to be key to fostering the development of small wind turbine technology in the near future, i.e. (1) improving energy conversion of modern SWTs through better design and control, especially in the case of turbulent wind; (2) better predicting long-term turbine performance with limited resource measurements and proving reliability; (3) improving the economic viability of small wind energy; (4) facilitating the contribution of SWTs to the energy demand and electrical system integration; (5) fostering engagement, social acceptance, and deployment for global distributed wind markets. To tackle these challenges, a series of unknowns and gaps are first identified and discussed. Based on them, improvement areas are suggested, for which 10 key enabling actions are finally proposed.
LINK
This paper assesses wind resource characteristics and energy yield for micro wind turbines integrated on noise barriers. An experimental set-up with sonic anemometers placed on top of the barrier in reference positions is realized. The effect on wind speed magnitude, inflow angle and turbulence intensity is analysed. The annual energy yield of a micro wind turbine is estimated and compared using data from a micro-wind turbine wind tunnel experiment and field data. Electrical energy costs are discussed as well as structural integration cost reduction and the potential energy yield could decrease costs. It was found that instantaneous wind direction towards the barrier and the height of observation play an influential role for the results. Wind speed increases in perpendicular flows while decreases in parallel flow, by +35% down to −20% from the reference. The azimuth of the noise barrier expressed in wind field rotation angles was found to be influential resulted in 50%–130% changes with respect to annual energy yield. A micro wind turbine (0.375 kW) would produce between 100 and 600 kWh annually. Finally, cost analysis with cost reductions due to integration and the energy yield changes due to the barrier, show a LCOE reduction at 60%–90% of the reference value. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104206
This article discusses results from an international contest, open for university student teams (bachelor and master), involving the design, construction, and testing of small wind turbines in a large wind tunnel. The wind tunnel has an outlet of 2.85 x 2.85 m allowing a maximum rotor swept area of 2 m2 without significant tunnel effects. Both horizontal and vertical axis wind turbines are part of the competition. The turbines are evaluated by an external jury of industry experts based on criteria such as Annual Energy Production, cut-in wind speed, innovations, design, and sustainability. Although the contest has been initiated in 2013 with an educational focus, it has also evolved into a valuable database for scientific purposes by providing a decade worth of performance measurements for roughly 9-10 various turbine concepts each year. The collected data may serve as a unique validation resource for assessing the accuracy of design codes in modelling diverse turbine concepts thanks to detailed design reports with model descriptions accompanying each turbine (such turbine descriptions are often considered confidential for field measurements). The paper aims to explore the scientific value of this database by comparing calculations with measurements, offering explanations where possible, and reporting intriguing findings on unconventional concepts' performance. Even though not all observations could be explained fully they provide food for thought. Recommendations are provided for both students to enhance their designs and for contest organizers to elevate the scientific value of the measurements in future contests.
In de doelstellingen ten aanzien van CO2-reductie staat de verduurzaming van de energievoorziening centraal. Elektriciteit wordt daarbij gezien als de hoeksteen van de duurzame energievoorziening. Voor de opwekking van deze elektriciteit dient het aandeel uit variabele hernieuwbare bronnen sterk toe te nemen (zie bijvoorbeeld het recent afgesloten Energieakkoord tussen 40 nationale stakeholders, http://www.energieakkoordser.nl/energieakkoord.aspx). In grote lijnen zien we twee dominante ontwikkelingen: grootschalige windenergie (op land en op zee) en zonnepanelen, maar algemeen wordt onderkend dat de problematiek met betrekking tot de energietransitie dermate urgent is dat alle duurzame energiebronnen (dus ook die van kleine windturbines) moeten worden aangesproken. Kleine windturbines maken het mogelijk om windenergie te benutten voor de elektriciteitsopwekking op locaties waar dat met grote windturbines niet mogelijk is. Het gaat om locaties in gebouwde omgeving, industriegebieden en landelijke omgeving. De opgewekte elektriciteit wordt ter plekke verbruikt of terug geleverd in het net. In die zin zijn kleine windturbines vergelijkbaar met de zonnepanelen. Sterker nog, ze zijn heel wel aanvullend op zonnepanelen, omdat kleine windturbines elektrische energie opwekken wanneer zonnepanelen dat niet doen. Echter hebben kleine windturbines op dit moment geen eigen plek in de duurzame energieopwekking in Nederland, waardoor de Nederlandse industrie in deze sector nog kleinschalig is. De onderzoeksvraag luidt: Hoe kunnen we de prestaties van kleine windturbines substantieel verbeteren op het technische vlak en qua marktpositie, zodat kleine windturbines een bijdrage gaan leveren aan de duurzame-energiemix. In dit project wordt onderzocht hoe de bijdrage van kleine windturbines kan worden vergroot door te leren van: - enerzijds de technische ontwikkelingen van grote windturbines, en - anderzijds de marktontwikkeling van zonnepanelen. Daartoe is er samenwerkingsverband opgezet tussen: - mkb bedrijven: fabrikanten en importeurs van kleine windturbines en bedrijven die een toegevoegde waarde hebben voor de fabrikanten, zoals leveranciers van onderdelen en adviseurs - hogescholen: NHL Hogeschool en Hanze Hogeschool Groningen - branchevereniging Nederlandse Wind Energie Associatie (NWEA) - vereniging Noordenwind, een vereniging van particulieren die zich inzet voor de bevordering van duurzame energie in het algemeen en realisatie van burgerparticipatie in nieuwe projecten voor windenergie in het bijzonder. De inzichten op het gebied van marktontwikkeling en de productverbeteringen zijn noodzakelijke componenten voor het volwassen maken van de sector van kleine windturbines waarbij een volwassen industrie en markt weer een essentiële voorwaarde is voor een verdere ontwikkeling van de sector met meer en grotere partijen. Derhalve zal het project dienen als katalysator. Ook dient te worden opgemerkt dat de verbeterde producten ook de exportmogelijkheden van de Nederlandse industrie vergroten. Naast genoemde meerwaarde voor het bedrijfsleven beoogt dit project een verdere verankering van kennis en kunde in onderwijs en onderzoek van de hogescholen.
Kleine windturbines maken het mogelijk om windenergie te benutten voor de elektriciteitsopwekking op locaties waar dat met grote windturbines niet mogelijk is. Kleine windturbines hebben op dit moment nog geen echte plek in de duurzame energieopwekking in Nederland. Terwijl recente ontwikkelingen laten zien dat hier zeker een markt voor is, mits een aantal vraagstukken wordt opgelost. Het huidige project richt zich op het oplossen van die vraagstukken waarbij de hoofdvraag voor dit project als volgt luidt: Hoe kunnen kleine en miniwindturbines meer betrouwbaar en efficiënter worden en beter geïntegreerd worden met andere vormen van duurzame energie en wat moet er gedaan worden, en door wie, opdat ook deze windturbines een plek krijgen in de toekomstige duurzame energiemix in Nederland en daarbuiten. Project PUMSWindT2 bestaat uit: MKB/ZZP: - EAZ - Tandem Windenergy - Erjah holding - Right Connection - Green Trust - Tarucca - Omniwind - Vdesign Kennisinstellingen: - Hochschule Emden/Leer - TUDelft - Hanzehogeschool Branche: - Noordenwind - NWEA Testlocaties: - EnTranCe Groningen - Energiecampus Leeuwarden Recent is door de European Academy of Wind Energy een paper opgesteld “Current Status and Grand Challenges of Small Wind Energy Technology” [25] met bijdragen van vele vooraanstaande experts op dit gebied (inclusief 2 PUMSWindT projectpartners). Er is vastgesteld dat verschillende uitdagingen opgelost moeten worden om de kleine windturbinemarkt de plek te geven die het verdient: • Verbeteren energieconversie kleine windturbines • Beter voorspellen prestaties op lange termijn • Verbeteren van de economische levensvatbaarheid • Bijdrage aan energievraag en integratie van elektrische systemen • Stimuleren van betrokkenheid en sociale acceptatie Project PUMSWindT2 heeft vragen van de MKB-partners daarbij geïnventariseerd en stelt voor om deze uitdagingen in de volgende werkpakketten aan te pakken: 1. Technologie: Meting & Data verwerking 2. Technologie: LCOE reductie 3. Technologie: Wind- integratie 4. Marktontwikkeling 5. Ontwikkeling demonstratie en testsite
