Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The world is increasingly being faced with the challenge of effectively exploiting available renewable energy resources, not only to meet an ever growing energy demand, but also to preserve the available amount of fossil fuels and to reduce the amount of carbon dioxide emissions released into the atmosphere by fossil fuelled power stations. Hence, every available renewable energy resource, even small rivers has a contribution to make in the attempt to reduce the amount of fossil fuel generated electricity. The focus of this study is the design and installation of a low cost grid-connected 10 kW micro hydro power system (MHPS). The process to determine the potential of the available water resource is first to be presented. The environmental aspects of these systems, based on the study that is undertaken for the implementation of the landmark example, are discussed. The complete design of a micro hydro power system for a specific site is presented. This design is based on using commercially available components and equipment in an attempt to minimise the total cost of a micro hydro power system. The designed micro hydro power system is installed in-field and the predicted performance of the designed system is verified with measured results of the implemented system. Based on the results of the micro hydro power system landmark example, it is shown through a complete economic study, that this investment is very worthwhile. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die wêreld word daagliks meer en meer uitgedaag om beskikbare alternatiewe energiebronne effektief te benut, nie net om in die groeiende elektrisiteits aanvraag te voorsien nie, maar ook om die beskikbare fossiel brandstowwe te beskerm en ook om die hoeveelheid koolstofdioksied gasse wat deur fossiel brandstof kragstasies vrygestel word, te verminder. Dus het elke beskikbare alternatiewe energiebron, selfs klein riviertjies, ‘n bydrae om te lewer tot die poging om die hoeveelheid elektrisiteit wat deur fossiel brandstowwe opgewek word, te verminder. Die fokus van hierdie studie is op die ontwerp en implementering van ‘n lae koste netwerk gekoppelde 10 kW mikro hidro kragstelsel. Eerstens word die proses om die potensiaal van die beskikbare waterbron te bepaal, bespreek. Al die omgewings aspekte van hierdie mikro hidro kragstelsels word dan bespreek. Dit is ten volle gebaseer op die studies wat gedoen is vir die implementering van hierdie landmerk voorbeeld. Die volledige ontwerp van ‘n mikro hidro kragstelsel, vir ‘n spesifieke terrein, word bespreek. Hierdie ontwerp is hoofsaaklik gebasseer op die gebruik van kommersieel beskikbare komponente met die doel om die totale koste van die stelsel te minimeer. Die stelsel wat ontwerp is, is geïnstalleer op die terrein en die verwagte prestasie van die stelsel is toe geverifieer met gemete resultate van die geïnstalleerde stelsel. ‘n Volledige ekonomiese studie wat gebaseer is op die resultate van die geïnstalleerde stelsel, word dan bespreek en daar is gevind dat hierdie stelsel werklik finansieel die moeite werd is. / Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies

Worldwide interest in renewable energy systems has increased dramatically, due to environmental concerns like climate change and other factors. Wind power is a major source of sustainable energy, and can be harvested using both horizontal and vertical axis wind turbines. This thesis presents studies of a vertical axis wind turbine performance for applications in urban areas. Numerical simulations with FLUENT software are presented to predict the fluid flow through a novel Zephyr vertical axis wind turbine(VAWT). Simulations of air flow through the turbine rotor were performed to analyze the performance characteristics of the device. Major blade geometries were examined. A multiple reference frame (MRF) model capability of FLUENT was used to express the dimensionless form of power output of the wind turbine as a function of the wind freestream velocity and the rotor's rotational speed. The simulation results exhibit close agreement with a stream-tube momentum model. / UOIT

This study focuses on small scale hydropower in Sweden. This means plants with a capacity of up to 10 MW. The study has a special focus on plants with a capacity up to 2 MW. The study has three aims. It strives to describe the small-scale hydroelectric industry in Sweden. It lists some of the challenges of positive and negative character that owners of small hydro are facing today. The last is to find out the owners' plans for their business for the future.The basis for the analysis is a literature review, visits to hydropower plants and interviews with owners and a questionnaire. The questionnaire was answered in the spring of 2011. 128 hydropower owners with together 165 plants participated. This represents about 9 % of the total amount of small scale hydropower plants. The owners rank economy, new environmental ruling, requirements for fish ways and lack of time as the biggest challenges. The owners' concern about the new environmental ruling ispreceded by a debate on the subject in which some County Boards (Länsstyrelser) raised theissue. 38 % of plants in the survey have fish ways and another 7 % plan to get it in within a period of 10 years.Small hydropower produces about 4.3 TWh per year. Calculations made on the respondents' answers show that 80% of plants have the potential to increase its effect. 55% plan to do so within 10 years. If the plants in the survey are representative for the industry as a whole, small scale hydropower in the range of 0 - 2 MW, has a potential to increase its production by 6.1 TWh per year. / I detta arbete studeras den småskaliga vattenkraften i Sverige med ett fokus på de mindre verkenmed en effekt upp till 2 MW. Studien har tre syften. Den skall beskriva den småskaliga vattenkraftverksbranschen i Sverige. Den skall redogöra för några av de utmaningar av positiv och negativ karaktär som ägare av småskalig vattenkraft står inför idag. Det tredje är att ta reda på ägarnas planer för framtiden. Som underlag för analysen ligger en litteraturstudie, besök i kraftverk och intervjuer med ägare samt en enkät. Enkäten besvarades under våren 2011 av 128 vattenkraftsägare med tillsammans 165 verk. Detta utgör ungefär 9 % av det totala antalet småskaliga vattenkraftverk. Ägarna rankar ekonomi, krav på nytt miljötillstånd, krav på fiskväg och brist på tid som de största utmaningarna. Ägarnas oro för krav på nya miljötilltsånd har föregåtts av en debatt i ämnet där ett antal länsstyrelser krävt detta. 38 % av verken i undersökningen har fiskväg och ytterligare 7 % planerar att skaffa det inom 10 år. Det finns en stor spridning i ägarnas bakgrund, utbildning och hur man kom in i branschen. Generellt har ägarna ett stort teknikintresse. De vanligaste utbildningarna är inom teknik, lantbruk eller elektriker. En tredjedel av ägarna är i pensionsåldern. Den småskaliga vattenkraften producerar ungefär 4,3 TWh per år. Beräkningar som har gjorts på respondenternas svar visar att 80 % av verken har en potential att öka sin effekt. 55 % planerar att göra det inom 10 år. Om de verk som deltog i enkäten är representativa för branschen i sin helhet skulle den småskaliga vattenkraften i spannet 0-2 MW kunna öka sin produktion med 6,1 TWh.

As the energy consumption is constantly increasing, the demand of renewable energy is increasing too. Thirtythree percent of the renewable energy production in Europe constitutes of hydropower. Hydropower is animportant energy source as it has stabilizing and storing functions, but it heavily affects biodiversity. This is mainlyby the dam constructions creating migration barriers for migrating species. This has severe impacts on the wholepopulations of fish, which are decreasing in number of individuals as the reproduction and growth is affected. Onesolution to enable downstream migration is fish friendly turbines. To assess the fish friendliness of these turbines,mathematical models can be used. They estimate the mortality of a fish during turbine passage, by calculating theprobability of a fish getting struck by a runner blade. The aim of this study is to investigate if passage through fishfriendly turbines could be an alternative for downstream migration of fish in hydropower plants, and examine theapplicability, especially for small-scale hydropower. To fulfill the aim, a literature review of fish friendly turbinesand two case studies were conducted. The fish friendly turbines included in the literature review were the MinimumGap Runner, Alden Turbine, Restoration Hydro Turbine (RHT), Archimedes’ Screw, Low Pressure Turbine andVery-low Head Turbine. The case studies were conducted on two small-scale hydropower plants owned byVattenfall Hydropower in the river Upperudsälven in the southwest of Sweden, using a turbine mortality modelmade by Johanna Stålered. The fish friendly turbines that were modeled in the case studies was the Alden Turbineand the RHT. After modeling and analyzing the results, conclusions regarding the applicability for the two powerplants and small-scale hydropower could be drawn. Modeling showed that for both Taxviken and Källsviken theAlden turbine gave the lowest mortality rate. However, the mortality of the Alden turbine was significantly lowerin Källsviken than in Taxviken, as it reached 58% for the largest fish in Taxviken and not even 3% for the largestfish in Källsviken. In Taxviken, both the RHT and the Alden turbine gave decreased mortality compared to theFrancis turbine. It was concluded that fish friendly turbines might not be the best option for small-scale powerplants, since in these power plants everything is of smaller size (turbine, guiding vanes etc.). That makes it difficultfor larger fish to fit, which increases the mortality, even if the turbine itself have fish friendly characteristics. Inaddition, what parameters should be included in decision-making regarding installation of fish friendly turbinesand areas for further investigation was suggested. / Med en ständigt ökande energiförbrukning ökar även efterfrågan på förnyelsebar energi. I Europa utgörs trettiotreprocent av den förnyelsebara energiproduktionen av vattenkraft. Vattenkraften är även en viktig energikälla avanledningen att den är stabiliserande och att det är möjligt att planera produktionen, men den har också storpåverkan på den biologiska mångfalden. Detta är främst genom att dammkonstruktionerna skaparmigrationsbarriärer för migrerande arter. Detta har allvarliga konsekvenser för fiskpopulationer, som minskar iantal individer. En lösning för att möjliggöra nedströms migration är fiskvänliga turbiner. För att bedöma hurfiskvänliga dessa turbiner är kan matematiska modeller användas. Dessa uppskattar dödligheten för en fisk underturbinpassage, genom att beräkna sannolikheten för att en fisk ska träffas av en löpskovel. Syftet med denna studieär att undersöka om passage genom fiskvänliga turbiner skulle kunna vara ett alternativ för nedströms vandring avfisk i vattenkraftverk, och undersöka tillämpbarheten, särskilt för småskalig vattenkraft. För att uppfylla syftetgenomfördes en litteraturgenomgång av fiskvänliga turbiner samt två fallstudier. De fiskvänliga turbinerna sominkluderades i litteraturgenomgången var Minimum Gap Runner, Alden Turbine, Restoration Hydro Turbine(RHT), Archimedes’ Screw, Low Pressure Turbine och Very-low Head Turbine. Fallstudierna genomfördes på tvåsmåskaliga vattenkraftverk ägda av Vattenfall Vattenkraft i Upperudsälven i sydvästra Sverige, med hjälp av enturbinmortalitetsmodell gjord av Johanna Stålered. De fiskvänliga turbinerna som modellerades i fallstudierna varAlden-turbinen och RHT. Efter modellering och analys av resultaten kunde slutsatser angående tillämpbarhetenför de två kraftverken och småskalig vattenkraft dras. Modellering visade att för både Taxviken och Källsvikengav Alden-turbinen den lägsta dödligheten. Dödligheten i Aldenturbinen var dock betydligt lägre i Källsviken äni Taxviken, då den nådde 58 % för de största storlekarna på fisk i Taxviken och inte ens 3 % för de störstastorlekarna på fisk i Källsviken. I Taxviken gav både RHT och Alden-turbinen minskad dödlighet jämfört medFrancisturbinen. Slutsatsen att fiskvänliga turbiner kanske inte är det mest fördelaktiga alternativet för småskaligakraftverk drogs, eftersom allt i dessa kraftverk är av mindre storlek (turbin, ledskenor, etcetera). Det gör det svårtför större fiskar att få plats, vilket ökar dödligheten, även om själva turbinen har fiskvänliga egenskaper. Dessutomföreslogs vilka parametrar som bör ingå i beslutsfattande om installation av fiskvänliga turbiner, samt områdensom bör undersökas vidare i framtiden.

Småskaliga vattenkraftverk regleras vanligtvis med avseende på vattennivån i magasinet eller vattenflödet, utan hänsyn till efterfrågan på elkraft. Examensarbetet utfördes på uppdrag av Fortum Generation som önskade att undersöka möjligheten att istället automatiskt optimera planeringen och regleringen av de småskaliga vattenkraftverken med hänsyn till prisbild, verkningsgrad, vattensituation, miljödomar, miljöhänsyn samt mekaniskt slitage. En optimeringsalgoritm framtagen i en parallellt pågående studie låg till grund för examensarbetet. En prototyp som skulle autoplanera produktionen och reglera ett enskilt vattenkraftverk skulle utvecklas, där det genom simulering skulle fastställas om en realisering av optimeringsalgoritmen i ett verktyget är möjlig och lönsam. Båthusströmmen, som användes som testobjekt för examensarbetet, ägs av Fortum och är ett småskaligt vattenkraftverk i Österdalälven. En kostnadseffektiv prototyp av ett optimeringsverktyg för automatisk planering och reglering av småskaliga vattenkraftverk utvecklades och testades genom simulering. Prototypen utvecklades i form av en mjukvara vilken utför optimeringen och kommunicerar kontinuerligt med befintliga optimerings-, övervaknings- och styrsystem. Resultaten av utförda kommunikationstester och simulerade optimeringar visade att en realisering av algoritmen i ett optimeringsverktyg är möjlig och förväntas öka effektiviteten för Båthusströmmen och därmed öka intäkterna för kraftverket. / Small-scale hydropower plants are usually controlled considering either the reservoir level or the water flow, regardless of the electricity demand. This thesis was conducted on behalf of Fortum Generation that wanted to investigate the possibility to automatically optimise the production plans and control of small-scale hydropower plants based on electricity price, generator efficiency, water situation, environmental restrictions, environmental concerns, and mechanical wear. The thesis is a continuation of a study where an optimisation algorithm was developed. A prototype that could automatically plan the production and control of an individual hydropower plant would be developed, and then based on simulations it would be determined if an implementation of the algorithm in an optimisation tool is possible and profitable. Båthusströmmen, the test case for this thesis, is owned by Fortum and is a small-scale hydropower plant in Österdalälven. A cost-effective prototype of an optimisation tool for automated planning and control was developed and tested through simulations. The prototype was developed as a software that performs the optimisation and communicates continuously with the existing optimisation, supervisory and control system. The results of the communication tests and optimisation simulations showed that an implementation of the algorithm in an optimisation tool is possible and is expected to increase the efficiency of Båthusströmmen and therefore increase the profit of the power plant.

Småskaliga vattenkraftverk har varit en viktig del för landsbygden på många platser runt om i Värmland under en lång tid. Men vad som en gång var en vital del för landsbygdens utveckling är idag något som hotar de naturliga bestånden av fisk och vattenlevande fauna. Småskaliga kraftverk som inte är miljöanpassade står ofta i vägen för att ett vattendrag ska kunna uppnå god ekologisk status enligt EU:s miljömål. Detta görs för att skapa en hållbar utveckling för en hållbar framtid. Men att miljöanpassa ett kraftverk är en process som är mycket utmanande, tidskrävande och dyr för de enskilda kraftverksägarna. Bara processen kan kosta över hundra tusen kronor och då är inte kostnaderna för miljöanpassningarna inräknade. Miljöanpassningarna som ofta utgörs av konstruerandet av fiskvandringsvägar kan uppnå kostnader på flera miljoner kr. Om inte kraftverksägaren kan, vill eller tillåts tillståndsprövas hotas verksamheten av utrivning vilket även det resulterar i dyra kostnader och eventuellt polisanmälan för verksamhetsägaren. Hur än ägarna gör så är de ovilligt satta i situationer där de på ett och ett annat sätt kommer förlora stora summor och utsättas för psykiskt påfrestande processer. Denna uppsats ämnar att kritiskt granska just hur de ekologiska, ekonomiska och sociala principerna i hållbar utveckling vägs mot varandra i tillsyn och tillståndsprocesserna gällande småskaliga vattenkraftverk i Värmland. / Small scale hydropower stations have been a vital part for the rural areas in Värmland, Sweden for a long time. But what once was a vital part for the rural development in the areas is today threatening the natural habitats and species in the rivers. Small scale hydropower stations that are not environmentally adapted often hinder the streams they are in to achieve good ecological status according to the environmental goals set forth by the European Union. This is done so that sustainable development and a sustainable future can be set in motion. But to adapt a small scale hydropower station is no easy feat. It's a highly challenging, expensive and time demanding for the individual owners. The process itself can cost up to several hundreds of thousands in Swedish crowns, and that's without counting the environmental adaptations that might be installed. Fish ladders are often the preferred choice and the cost of constructing one could cost several millions of Swedish crowns. if the owner of the power plant is unable, not willing or not allowed to have his/hers power plant authorized the dam risks being torn down and the owner risk getting charged with criminal activity. Whatever the owners choose to act they are stuck in between a rock and a hard place. They are forced to pay huge sums regardless of the outcome not to speak of the mental strain the processes places upon the owners. This essay aims to critically review how the ecological, economic and social principles of sustainable development are weighed against one another in the oversight process and the permission process regarding small scale hydropower stations.

I Sverige finns cirka 2000 vattenkraftverk men endast 10 procent har någon form av omlöp eller annan lösning (Risinger, 2012). Nya, strängare regler håller nu på att införas. Sedan 2014 finns en gemensam strategi från Energimyndigheten och Havs- och vattenmyndigheten för åtgärder i svensk vattenkraft (Risinger, 2014). En godkänd fiskväg är ett av kraven.Särskilt den småskaliga vattenkraften (energitillförsel under 10 MWh enligt Risinger (2012)) drabbas. Deras intäkter står många gånger i proportion till energiproduktionen och därmed saknas ofta de ekonomiska förutsättningarna för en fiskväg. Vidare kommer en del av vattnet, och därmed potentiella inkomster, att gå förlorade. Den här undersökningen syftar till att utröna vad ett omlöp får för konsekvenser i form av effektförluster. Det är naturligtvis omöjligt att komma fram till ett universellt svar. Istället mäts förlusterna hos ett specifikt mindre verk som redan har ett omlöp: Åby vattenkraftverk som ägs och drivs av Växjö kommun. Metoden som används är traversering i kombination med hydroskopisk flygel. Sedan tidigare finns beräknade värden från kommunen för flödet i omlöpet. Dessa jämförs med undersökningens uppmätta värden. Undersökningen visar att vid normalt vattenstånd (165,13 MÖH) flödar 167 ± 10 l/s vatten genom omlöpet. Detta är ett 70 l/s större flöde i jämförelse med kommunens beräknade värde. Förklaringar till den skillnaden ges av mätfel då djupet mättes och att inloppet hade byggts om mellan kommunens beräkningar och utförda mätningar. Även den formel som användes då de beräknade värdena togs fram föreslås som en tänkbar felkälla. 167 ± 10 l/s innebär ett bortfall om 4,2 ± 0,3 kW potentiell effekt. / There are around 2000 hydropower plants in Sweden, but only 10 percent of them has a bio channel, fishway or equivalent solution (Risinger 2012). New, more strict rules are now about to be introduced. Since 2014 there is a mutual strategy from the two Swedish authorities ”Energimyndigheten” and ”Havs- och vattenmyndigheten”, which demands multiple actions from Swedish hydropower. (Risinger, 2014). An approved fishway is one of these.The small-scale hydropower plants (plants who produce less than 10 MWh according to Risinger (2012)) are especially affected from this. Their income is proportional to their production and therefore they’ll usually lack the economical ability to build a fishway. Furthermore, a part of the streaming water (which otherwise would equal income) will get lost. This study aims to decide the loss of effect a fishway causes. Of course, it is impossible to derive a universal answer. Instead the losses are measured at a specific smaller plant that already has a fishway: Åby hydropower plant that is owned and operated by Växjö municipality. Method being used is traversing in combination with a turbine flow meter. There are already calculated flows made by the municipality. These values will be compared with the measured values. The study shows that at a normal water level (165,13 m.a.sl) 167 ± 10 l/s of water is streaming through the fishway. This is a 70 l/s bigger flow in comparison with the municipality’s calculations. An explanation to this difference is given by measurement errors when the depth was measured, that the intake had been modified between when the calculations was being made and when the study’s measurements took place. Also, the formula being used for the calculated values is proposed as a possible source of error. 167 ± 10 l/s will result in a loss of 4,2 ± 0,3 kW potential effect.

Vattenkraftverk utgör vandringshinder för den akvatiska faunan i vattendrag. Den vandrande fisken hindras från att nå sina lekområden vilket har lett till ett minskat bestånd. Omprövningen som ska ske av vattenkraften i Sverige kommer att ställa högre krav på miljöanpassningar och bevarandet av ekologin. Elbristen i Europa har lett till en paus av omprövningen. Pausen möjliggör för att få ytterligare kunskap kring utförandet av restaureringsarbetet innan implementeringen. Studiens syfte var att identifiera vilka utmaningar och möjligheter som finns med restaureringsarbetet av vattenkraft, både ur ett socialt och ekologiskt perspektiv. Metoden utgjordes av ett flertal intervjuer med personer som för studien hade relevant kunskap. Resultatet visar på att det finns möjligheter och utmaningar inom samarbete, finansiering och restaurering. Slutsatsen av studien var att omprövningen är en grund till förbättrat arbete som bidrar med tydligare riktlinjer för samarbete, en miljöfonden som kan finansiera miljöanpassningarna och att restaureringsåtgärder faktiskt kommer implementeras. Utmaningarna som identifierades var konflikten mellan olika intressen, den varierande effektiviteten av en fiskväg och kostsamma miljöanpassningar. En utrivning ger snabba positiva förändringar och kan också därför anses vara den mest effektiva miljöanpassningen. Slutligen, restaurering av vattendrag är värdefullt för den akvatiska faunan. / Hydroelectric power plants constitute migration barriers for the aquatic fauna in watercourses. The migrating fish are prevented from reaching their spawning areas, which has led to a reduced stock of fish. Omprövningen of hydropower in Sweden will place higher demands on environmental adaptations and the preservation of ecology. The electricity shortage in Europe has led to a pause of omprövningen. The pause makes it possible to gain additional knowledge about the execution of the restoration work before the implementation. The purpose of the study was to identify which challenges and opportunities exist with the restaureation of watercourses with hydropower, both from a social and ecological perspective. The method consisted of several interviews with people who had relevant knowledge for the study. The results showed that there are opportunities and challenges with cooperation, financing and restoration. The conclusion was that the omprövning contributes with possibilities such as clearer guidelines for cooperation, the environmental fund that can finance the environmental adaptations and that restoration measures will actually be implemented. The identified challenges were conflicts between different interests, the varying efficiency of a fish passage and financing the expensive adaptations. A removal produces rapid positive change and can therefore be considered the most effective environmental adaptation. Finally, restoration of watercourses is valuable for the aquatic fauna.