A small wind turbine blade was designed, fabricated and tested in this study. The power performance of small horizontal axis wind turbines was simulated in detail using modified blade element momentum methods (BEM). Various factors such as tip loss, drag coefficient, and wake were considered. The simulation was validated by experimental data collected from a small wind turbine Bergey XL 1.0. A new blade was designed for the Bergey XL 1.0 after comparing three types of aerodynamic blade structures and their related performance, and then the detailed blade structure was determined. The performance of the new rotor at different additional pitch angles was simulated and compared with the original Bergey XL 1.0 rotor. To fabricate prototypes of the new blades, a resin transfer moulding (RTM) system was designed and built. Three blades were fabricated successfully and installed on the hub of an existing Bergey XL 1.0. In a vehicle-based test system, the new blades were tested at the original designed pitch angle, plus at additional 5° and 9° pitch angles. The +5° rotor reached maximum power of 1889 W at wind velocity 13.6 m/s. The +9° rotor performed over a wider wind velocity range and output slightly lower power than the original Bergey XL 1.0. The new blades have better aerodynamic performance than original Bergey XL 1.0. / Ontario Ministry of Agriculture and Rural Affairs (OMAFRA) New Directions Research Program and the National Sciences and Engineering Research Council (NSERC) Chair in Environmental Design Engineering at the University of Guelph

Master of Science / Department of Electrical Engineering / William B. Kuhn / During the development of an educational renewable energy production platform, it was found that there were no low-cost, efficient grid-tie interfaces for a 160 W DC wind turbine. Typically, a small DC wind turbine is used in conjunction with a rechargeable battery bank or, if the wind turbine is directly interfaced with a grid-tie inverter, a regulator with a diversion-load. The use of batteries is undesirable due to their high-cost and high-maintenance characteristics. Diversion loads by nature waste power, as any excess energy that cannot be accepted by a battery or inverter is usually converted into heat through a resistive element. Initially, a 24 V DC, 160 W Air Breeze small wind turbine was directly connected to an Enphase Energy M190 grid-tie micro-inverter. The 24 V DC Air Breeze wind turbine is designed to charge a battery or bank of batteries while the M190 micro-inverter is designed to convert the DC output of a 200 W solar panel to grid-tied AC power. As expected, the power-production response time associated with the small wind turbine and the power-accepting, load-matching response time of the micro-inverter were not compatible. The rapidly changing power output of the small wind turbine conflicted with the slow response time of the micro-inverter resulting in little power production. Ultimately, the response time mismatch also produced sufficiently large voltage spikes to damage the turbine electronics. In this thesis, a solution for a low-cost, efficient grid-tie interface using no batteries and no diversion load is presented. A capacitance of eight Farads is placed in parallel with the small wind turbine and the micro inverter. The large capacitance sufficiently smoothes the potential abrupt voltage changes produced by the wind turbine, allowing the micro-inverter adequate time to adjust its load for optimal power conversion. Laboratory experiments and data from an implementation of such a parallel super capacitor wind turbine to grid-tie micro-inverter configuration are provided along with DC and AC power production monitoring circuits interfaced with a micro controller.

Este trabalho apresenta a avaliação experimental em túnel aerodinâmico de características de dois aerogeradores de pequeno porte com cinco pás. Para isso, utilizando-se prototipagem 3D, construíram-se dois modelos em escala reduzida, os quais foram avaliados primeiramente utilizando-se Pás Ótimas de Betz e depois Pás Ótimas de Betz Modificadas. Antes de se avaliar o equipamento determinou-se a distribuição de velocidades na seção transversal do túnel com o auxílio de um tubo de Pitot. Com o perfil de velocidades do túnel conhecido, determina-se o torque estático do protótipo com o uso de um torquímetro digital acoplado ao eixo do equipamento, que registrou todas as leituras para as faixas de velocidade de 1 m/s até 9,88 m/s. Também com o torquímetro avalia-se a influência da posição angular das pás no torque medido. Para tanto, elas são projetadas móveis no hub, o que possibilitou variar sua angulação em relação ao escoamento, mudando assim o ângulo de ataque e, por conseguinte o torque produzido. Empregou-se um foto tacômetro para medir a rotação do modelo em giro livre. Com os dados obtidos, determina-se a curva de torque estático e a curva de RPM em função da velocidade incidente. Através da determinação experimental do perfil de velocidade incidente e do perfil de velocidade na esteira aerodinâmica de cada turbina é avaliada a variação da quantidade de movimento do escoamento e determinada a potência extraída pelos rotores em rotação livre. Este estudo visa contribuir com o projeto de um aerogerador real, prevendo as características aerodinâmicas que o equipamento apresentará se construído com o presente layout. Com os dados analisados se faz uma previsão para as curvas de potência dos protótipos. Os resultados experimentais de torque e potência demonstram boa aproximação com os resultados obtidos por avaliação analítica pelo método do elemento de pá. A prototipagem 3D administrada se mostrou eficaz traduzindo realismo e excelente custo-benefício. A turbina construída com Pás Ótimas de Betz apresentou torque estático 17,8% superior à construída com as Pás Modificadas e extraiu 22% a mais de potência do escoamento de ar. / This paper presents the experimental evaluation in wind tunnel of two small wind turbines features five blades. Therefore, using 3D prototyping, two models were built on a reduced scale, which were first evaluated using Optimal Blade Betz and Optimal Blade Betz Modified. Prior to evaluating the distribution machine at speeds determined in the tunnel cross-section with the aid of a Pitot tube. With the known tunnel velocity profile, determines the static torque of the prototype with the use of a digital torquimeter coupled to the machine axis, which recorded all the readings for the speed range of 1 m/s to 9,88 m/s. Also with the torquimeter evaluates the influence of the angular position of the blades in the measured torque. Therefore, it is mobile designed in the hub, allowing vary their angle in the outflow, thereby changing the angle of attack and therefore the torque produced. Employed a photo tachometer for measuring the rotation of the model in free spin. With the data, determines the static torque curve and RPM curve as a function of incident speed. Through experimental determination of the incident velocity profile and the velocity profile in the aerodynamic wake of each turbine is evaluated the variation of the amount of movement of the flow and determined the power extracted by the rotor in free rotation. This study aims to contribute to the design of a real wind turbine informing the aerodynamic characteristics of the equipment shall be constructed with this layout. With the data analyzed to make a prediction for the prototype power curves. The experimental results demonstrate torque and power good approximation to the results obtained by evaluation by analytical element of the paddle method. The turbine constructed with Optimal Betz Blades presented static torque 17,8% higher than constructed with the Modified Blades and extracted 22% more power air outflow.

Este trabalho apresenta a avaliação experimental em túnel aerodinâmico de características de dois aerogeradores de pequeno porte com cinco pás. Para isso, utilizando-se prototipagem 3D, construíram-se dois modelos em escala reduzida, os quais foram avaliados primeiramente utilizando-se Pás Ótimas de Betz e depois Pás Ótimas de Betz Modificadas. Antes de se avaliar o equipamento determinou-se a distribuição de velocidades na seção transversal do túnel com o auxílio de um tubo de Pitot. Com o perfil de velocidades do túnel conhecido, determina-se o torque estático do protótipo com o uso de um torquímetro digital acoplado ao eixo do equipamento, que registrou todas as leituras para as faixas de velocidade de 1 m/s até 9,88 m/s. Também com o torquímetro avalia-se a influência da posição angular das pás no torque medido. Para tanto, elas são projetadas móveis no hub, o que possibilitou variar sua angulação em relação ao escoamento, mudando assim o ângulo de ataque e, por conseguinte o torque produzido. Empregou-se um foto tacômetro para medir a rotação do modelo em giro livre. Com os dados obtidos, determina-se a curva de torque estático e a curva de RPM em função da velocidade incidente. Através da determinação experimental do perfil de velocidade incidente e do perfil de velocidade na esteira aerodinâmica de cada turbina é avaliada a variação da quantidade de movimento do escoamento e determinada a potência extraída pelos rotores em rotação livre. Este estudo visa contribuir com o projeto de um aerogerador real, prevendo as características aerodinâmicas que o equipamento apresentará se construído com o presente layout. Com os dados analisados se faz uma previsão para as curvas de potência dos protótipos. Os resultados experimentais de torque e potência demonstram boa aproximação com os resultados obtidos por avaliação analítica pelo método do elemento de pá. A prototipagem 3D administrada se mostrou eficaz traduzindo realismo e excelente custo-benefício. A turbina construída com Pás Ótimas de Betz apresentou torque estático 17,8% superior à construída com as Pás Modificadas e extraiu 22% a mais de potência do escoamento de ar. / This paper presents the experimental evaluation in wind tunnel of two small wind turbines features five blades. Therefore, using 3D prototyping, two models were built on a reduced scale, which were first evaluated using Optimal Blade Betz and Optimal Blade Betz Modified. Prior to evaluating the distribution machine at speeds determined in the tunnel cross-section with the aid of a Pitot tube. With the known tunnel velocity profile, determines the static torque of the prototype with the use of a digital torquimeter coupled to the machine axis, which recorded all the readings for the speed range of 1 m/s to 9,88 m/s. Also with the torquimeter evaluates the influence of the angular position of the blades in the measured torque. Therefore, it is mobile designed in the hub, allowing vary their angle in the outflow, thereby changing the angle of attack and therefore the torque produced. Employed a photo tachometer for measuring the rotation of the model in free spin. With the data, determines the static torque curve and RPM curve as a function of incident speed. Through experimental determination of the incident velocity profile and the velocity profile in the aerodynamic wake of each turbine is evaluated the variation of the amount of movement of the flow and determined the power extracted by the rotor in free rotation. This study aims to contribute to the design of a real wind turbine informing the aerodynamic characteristics of the equipment shall be constructed with this layout. With the data analyzed to make a prediction for the prototype power curves. The experimental results demonstrate torque and power good approximation to the results obtained by evaluation by analytical element of the paddle method. The turbine constructed with Optimal Betz Blades presented static torque 17,8% higher than constructed with the Modified Blades and extracted 22% more power air outflow.

Este trabalho apresenta a avaliação experimental em túnel aerodinâmico de características de dois aerogeradores de pequeno porte com cinco pás. Para isso, utilizando-se prototipagem 3D, construíram-se dois modelos em escala reduzida, os quais foram avaliados primeiramente utilizando-se Pás Ótimas de Betz e depois Pás Ótimas de Betz Modificadas. Antes de se avaliar o equipamento determinou-se a distribuição de velocidades na seção transversal do túnel com o auxílio de um tubo de Pitot. Com o perfil de velocidades do túnel conhecido, determina-se o torque estático do protótipo com o uso de um torquímetro digital acoplado ao eixo do equipamento, que registrou todas as leituras para as faixas de velocidade de 1 m/s até 9,88 m/s. Também com o torquímetro avalia-se a influência da posição angular das pás no torque medido. Para tanto, elas são projetadas móveis no hub, o que possibilitou variar sua angulação em relação ao escoamento, mudando assim o ângulo de ataque e, por conseguinte o torque produzido. Empregou-se um foto tacômetro para medir a rotação do modelo em giro livre. Com os dados obtidos, determina-se a curva de torque estático e a curva de RPM em função da velocidade incidente. Através da determinação experimental do perfil de velocidade incidente e do perfil de velocidade na esteira aerodinâmica de cada turbina é avaliada a variação da quantidade de movimento do escoamento e determinada a potência extraída pelos rotores em rotação livre. Este estudo visa contribuir com o projeto de um aerogerador real, prevendo as características aerodinâmicas que o equipamento apresentará se construído com o presente layout. Com os dados analisados se faz uma previsão para as curvas de potência dos protótipos. Os resultados experimentais de torque e potência demonstram boa aproximação com os resultados obtidos por avaliação analítica pelo método do elemento de pá. A prototipagem 3D administrada se mostrou eficaz traduzindo realismo e excelente custo-benefício. A turbina construída com Pás Ótimas de Betz apresentou torque estático 17,8% superior à construída com as Pás Modificadas e extraiu 22% a mais de potência do escoamento de ar. / This paper presents the experimental evaluation in wind tunnel of two small wind turbines features five blades. Therefore, using 3D prototyping, two models were built on a reduced scale, which were first evaluated using Optimal Blade Betz and Optimal Blade Betz Modified. Prior to evaluating the distribution machine at speeds determined in the tunnel cross-section with the aid of a Pitot tube. With the known tunnel velocity profile, determines the static torque of the prototype with the use of a digital torquimeter coupled to the machine axis, which recorded all the readings for the speed range of 1 m/s to 9,88 m/s. Also with the torquimeter evaluates the influence of the angular position of the blades in the measured torque. Therefore, it is mobile designed in the hub, allowing vary their angle in the outflow, thereby changing the angle of attack and therefore the torque produced. Employed a photo tachometer for measuring the rotation of the model in free spin. With the data, determines the static torque curve and RPM curve as a function of incident speed. Through experimental determination of the incident velocity profile and the velocity profile in the aerodynamic wake of each turbine is evaluated the variation of the amount of movement of the flow and determined the power extracted by the rotor in free rotation. This study aims to contribute to the design of a real wind turbine informing the aerodynamic characteristics of the equipment shall be constructed with this layout. With the data analyzed to make a prediction for the prototype power curves. The experimental results demonstrate torque and power good approximation to the results obtained by evaluation by analytical element of the paddle method. The turbine constructed with Optimal Betz Blades presented static torque 17,8% higher than constructed with the Modified Blades and extracted 22% more power air outflow.

Universidade Federal do Cearà / Power generation wind-power in cities of Cearà donât represent a significant percentage of the power generation in the state. Although Cearà has favorable winds to use a small commercial windâs turbines, this isnât a practice that belongs to these cities. Possible causes of the low rate might be: few researches for development of compatible equipment with low winds and low cost, the fact that Brazilian companies doesnât offer wind generators appropriate for the area, most of the equipment used in the country is imported and often apllied for type of winds and climate conditions different of the CearÃâs - which puts the equipments in its low perform- , repair difficulties and problems with the security operations (guide). For development of this work was used machines, tools and software such as SolidEdge version ST6, Computer-aided design (CAD) NX4 in the design and communication with vertical machining center, general tools, equipment for painting and application of resins, vacuum pump, measuring instruments volume (beaker, measuring cylinder etc.), analytical balance and pipettes. The technique used for the manufacture of the blades was vacuum infusion, relatively simple procedure and has the advantage to reduce volatile emissions with the use of closed molds. The selection of the profile e-61 was obtained by data from the software FoilSimIII and JavaFoil, which indicates the good chosen for lift aerodynamic coefficient. The carnauba fiber was used as reinforcement in composite to produce the blades with different resins, which makes it possible the use of manpower and local level raw materials to the construction of wind blades, being reinforced with vegetable carnauba fibers and polyester resins / A geraÃÃo de energia eÃlica-elÃtrica no interior do Cearà nÃo representa um percentual significativo na geraÃÃo de energia do Estado. Apesar de possuir ventos favorÃveis durante o ano inteiro, a utilizaÃÃo de aerogeradores comerciais de pequeno porte nÃo à uma prÃtica local. As possÃveis causas do baixo Ãndice sÃo: as poucas pesquisas voltadas para desenvolvimento de equipamentos compatÃvel com baixos ventos e de baixo custo, a ausÃncia de empresas brasileiras que ofereÃam geradores eÃlicos, o uso de equipamentos importados e com aplicaÃÃes para ventos e condiÃÃes climÃticas diferenciadas do interior cearense â acarretando baixo rendimento -, os problemas de manutenÃÃo, os erros nas operaÃÃes de seguranÃa e as dificuldades de reparo. Para desenvolver esse trabalho foram utilizados mÃquinas, ferramentas e softwares como SolidEdge versÃo ST6, Computer-aided design (CAD) NX4 no desenho e comunicaÃÃo com centro de usinagem vertical, ferramentas em geral, equipamentos para pinturas e aplicaÃÃo de resinas, bomba de vÃcuo, instrumentos de mediÃÃo de volume (bÃquer, proveta etc.), balanÃa de precisÃo e pipetas. A tÃcnica utilizada na fabricaÃÃo das pÃs foi à infusÃo a vÃcuo, processo relativamente simples e com a vantagem de reduzir a emissÃo volÃtil com uso de moldes fechados. A escolha do perfil e-61 para modelar foi obtido por meio de dados do software JavaFoil e FoilSimIII, indicando o perfil escolhido com um bom coeficiente de sustentaÃÃo aerodinÃmico. A fibra de carnaÃba foi utilizada como reforÃo no compÃsito para produÃÃo das pÃs com diferentes resinas, o que possibilita o uso de mÃo de obra e matÃria prima local na construÃÃo de pÃs eÃlicas reforÃada com fibras vegetais de carnaÃba e resinas poliÃster

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The work aims to build , using the BEM (Blade Element Moment) theory , and test three wind rotors , each one consisting of three blades, which were constructed and used for assembling three SWT (Small Wind Turbine) with TSR (Tip Speed Ratio) equal to seven. The three rotors with blades of 2 meters length, distinguished themselves in their geometries as follows: 1) blades without any correction, 2) blades with only tip correction, 3) blades with only root correction. The NREL S809 airfoil developed by the U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL) was used. This airfoil is characterized by having been specially developed for wind turbines. The airfoil experimental data, such as the lift and drag coefficients as a function of angle of attack, were obtained based on wind tunnel test results for Reynolds number of 3 x 105. Also, field tests were conducted to collect torque in the main shaft of the wind rotor [N ∙ m], angular velocity [rad/s] and wind speed [m/s] data, using proper instrumentation and a data collection system. The data collected in the field for each turbine, were analyzed by statistical inference. The power coefficient data were grouped by TSR ranges, and was observed that the data of the last two ranges were the only intervals that showed a normal distribution of data of the Cp . These data were subjected to a one-way ANOVA. And the results showed no significant difference between the average of the rotors SC and CP. Already the data did not exhibit a normal distribution were analyzed by Exponentially Weighted Moving Average (MMEP). It was also observed that the three rotors showed no difference between the power coefficients, of the statistical point of view. An important finding of the experiments was that the CR blades had higher average values of power coefficients for each band TSR. / O trabalho visou construir, atravÃs da Teoria do BEM (Blade Element Moment), e testar trÃs rotores eÃlicos, cada um destes constituÃdos de trÃs pÃs, as quais foram construÃdas e aplicadas na montagem de trÃs TEPP (Turbinas EÃlicas de Pequeno Porte) com TSR (Tip Speed Ratio de projeto igual a sete. Os trÃs rotores, com pÃs de 2 metros de comprimento, distinguiram-se, em suas geometrias, do seguinte modo: 1) pÃs sem correÃÃo alguma, 2) pÃs com correÃÃo somente na ponta e 3) pÃs com correÃÃo somente na raiz. O aerofÃlio aplicado foi o NREL S809, desenvolvido pelo laboratÃrio norte americano de energias renovÃveis (NREL). Este aerofÃlio à caracterizado por ter sido projetado para uso especÃfico em turbinas eÃlicas. Os dados experimentais do aerofÃlio, como os coeficientes de sustentaÃÃo e arrasto em funÃÃo do Ãngulo de ataque, foram obtidos com base nos resultados de testes em tÃnel de vento para um nÃmero de Reynolds de 3 x 105. Realizou-se, tambÃm, testes em campo, utilizando-se de uma instrumentaÃÃo necessÃria para a coleta de dados de torque no eixo principal do rotor eÃlico [N.m], velocidade angular do rotor [rad/s], e velocidade do vento, por meio de um sistema de coleta de dados. Os dados colhidos em campo, de cada turbina, foram analisados por inferÃncia estatÃstica. Os dados de Cp foram agrupados por faixas de TSR, e observou-se que os dados das duas Ãltimas faixas foram os Ãnicos intervalos que apresentaram uma distribuiÃÃo normal de probabilidade dos dados de Cp . Estes dados foram submetidos a uma ANOVA com um fator. E os resultados mostraram que nÃo hà uma diferenÃa significativa entre as mÃdias dos rotores SC e CP. Jà os dados que nÃo apresentaram uma distribuiÃÃo normal foram analisados pela MÃdia MÃvel Exponencialmente Ponderada (MMEP). Verificou-se tambÃm que os trÃs rotores nÃo apresentaram diferenÃa entre os coeficientes de potÃncia, do ponto de vista estatÃstico. Uma importante constataÃÃo dos experimentos realizados foi a de que as pÃs CR apresentaram valores mÃdios de Cp superiores para cada faixa de TSR.

This Master’s thesis focuses on the wind turbines. It describes the basic attributes of the wind energy and the wind potential of Slovak Republic, as well as the environmental impact of this sector. Meteorological data for the selected location are processed according to the Weibull distribution and they are used for the aerodynamic design of the wind turbine blades. Aerodynamic design is processed by using two methods. The first is the blade cascade theory, which is used to design prismatic and twist blades. The second method is called the blade element momentum, which is used to design wind turbine but only twist blades are designed by using this theory. Calculated aerodynamic shapes are compared and the best economic solution for the selected location is chosen.

Bei eigengekühlten Elektromaschinen in Außenläuferbauweise resultiert aus der schwierigeren Abführung der Statorverluste üblicherweise eine Reduktion der elektromagnetischen Ausnutzung. Im Beitrag wird am Beispiel eines permanentmagnetisch erregten Synchrongenerators für eine Kleinwindenergieanlage das Verfahren der intensivierten Statorrohrinnenkühlung unter Nutzung der Windströmung durch einen im Statorrohr angeordneten Kühlkörper diskutiert. Neben der elektromagnetischen und strömungsmechanischen bzw. thermischen Modellierung wird die experimentelle Trennung der Einzelverluste vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Ausnutzung der Maschine durch die intensivierten Statorrohrinnenkühlung um ca. 40 % gesteigert werden kann. / For self-ventilated electrical machines in outer rotor design, the difficult dissipation of stator losses usually results in a reduction of the electromagnetic utilization. Based on an example of a permanent magnet synchronous generator for a small wind turbine, the method of intensified inner stator tube cooling using the wind flow through a heat sink arranged in the stator tube is discussed in the article. In addition to the electromagnetic and fluid mechanical as well as thermal modeling, the experimental separation of the losses is presented. It is shown that the utilization of the machine can be increased by approx. 40 % by means of the intensified internal cooling of the stator tube.