Researchers from Uppsala University have carried out a project with a vertical axis wind turbine (VAWT). This was designed for 12 kW. An extension to this project is to be carried out where a counter-clockwise rotating turbine is to be added. This means that two rotations are created and that a solution for the generator needs to be implemented so that the different rotations can be turned into electrical power. The new project is intended to function as a Counter Rotational Wind Turbine and result in a generator with a rated output of 30 kW. The idea with the addition of a counterclockwise rotating part is to double the electrical power extracted by the alternator without an increase in RPM. The objective of this project will be to investigate the design of a generator whose stator and rotor both rotate in opposite directions. The aim is to theoretically design such a generator and find out suitable parameters for it. During this process, the aim is also to gain a broad and clear understanding of generators in general and test whether Aluminum can be used in the construction. To test and explore the theory around CRWT, two generators of 10 kW and 30 kW respectively will be created based on the Rutger generator. The Rutger generator is the one used in the project for a 12 kW VAWT. Two generators are created to explore how a generator can be scaled up/down in power. The 10 kW generator will then be drawn in the program Solidworks to evaluate the mechanical design.The generators were first simulated in the program KALK, which is a program created by researchers at Uppsala University. This software performs calculations by invoking the program ACE and using FEM to calculate various parameters of generators. The 10 kW generator was first created from a file containing the Rutgers parameters. After optimizations, the 30 kW generator was created based on the 10 kW file. After simulations in Solidworks and KALK, it was found that a generator that theoretically works as a CRWT has been created and is stable. It was also determined that a more comprehensive feasibility study is required to succeed with a mechanical design for a CRWT and not theoretical. Aluminum was a sustainable material for the stator frame based on the results from FEMbut may need further testing.

At the Division of Electricity at Uppsala university a project isconducted to develop a smaller wind turbine for conditions in theAntarctica. This is a part of a larger, international researchproject in the field of particle physics known as the Ariannaexperiment. The project consists of developing and installing avertical axle wind turbine of screwed Savonius type. A prototypeof this has been manufactured and installed 2016 in Antarctica forinitial testing and measurement.Wind turbines are subjected to complex and varied loads from windand rotation which gives rise to cyclical strain. The rotor bladesare particularly vulnerable, which imposes high material andconstruction requirements to avoid fatigue and failure, whichoften is caused by vibrations and oscillations. Vibrations can becharacterized in terms of the natural frequencies witch in shortmeans that the system, at specific frequencies, tend to oscillatewith increasing amplitude and at worst, resonate if these areexcited. How a complex design will behave by external periodicinterference is complicated to calculate analytically. Naturalfrequencies are therefore most often calculated using FEM-methodsand computer simulations.The aim of this thesis is to study how oscillating forces interactwith the natural frequencies and rotational loads for a specificSavonius wind turbine. How these are influenced by engineering,design and material selection. The goal is to draw conclusionsabout design and possible materials selection to avoid unnecessaryvibrations. Without this analysis, there is a risk of increasedwear and damage to the structure.The project includes such analysis of two different sizes of theSavonius turbine. A small 200x400 mm and a larger 1000x2000 mm.To understand the problem, a preliminary study of basic harmonicoscillation, strength of materials and of the existing prototypewas made. Following a requirement specification, somedelimitations were made so that the simulations would not be tooextensive. Subsequently, a minor design work was done to obtain 13different configurations of the turbine for simulation using FEM-methods.The result showed that none of the turbines rotational frequenciesis close to the turbine’s natural frequencies. However, accountmust be taken of cogging frequencies in the generator. These arewithin the range of the design's natural frequencies.All simulations of centrifugal force found that there isrelatively little tension at the selected maximum speed of 660 and132 revolutions per minute. However, as the results showed thatthe plates which are mounted between the rotor blades to providestability, creates greater stresses in the structure than thosewithout. Two proposals for the configuration of turbines have beenpresented in the report.

Wind turbines are becoming a more common sight and a more important part in the power grid. The benefits are mainly that wind energy is a renewable energy source and a single wind turbine can produce enough electricity to cover several households’ annual electricity need and not producing carbon dioxide as a rest product. Drawbacks are fluctuation in wind speed, which makes it difficult to regulate. The turbines need to be placed far from cities which cause losses in transmission in the national power grid.  In cold areas with long winters there is a risk of high energy losses due to iced blades. If there is ice accretion on the wind turbine blades it can cause a production loss and in extension economical losses by not selling the electricity. Finding those events is of high interest and there are methods to prevent and remove ice. However, there are occasions when there is ice on the blades, but no sensors signal this, and the production loss is a fact. There is a presumed production loss of 5-25 % annually due to icing on wind turbines in Sweden, depending on where the site is located. There is no general method for detecting ice in the industry but there are several methods available developed by different parties.  In this master’s thesis, a software has been developed in cooperation with Siemens Gamesa Renewable Energy to identify production losses on wind turbines due to icing using historical SCADA data. The software filters the raw data to construct a reference curve, to which data during cold weather is compared. It was found that low temperature causes ice losses, and the risk of an ice loss increases as temperature decreases. The annual losses at investigated wind farms were 4-10 % of the expected annual production. / Vindkraftverk blir en allt vanligare syn och en viktigare del i kraftnätet. Fördelarna är framförallt att det är en förnybar energykälla, det blir inga koldioxidutsläpp när vindkraftverken har installerats och ett vindkraftverk kan täcka flera hushålls årliga elbehov. Nackdelar är att vinden inte går att kontrollera och elproduktionen inte är garanterad eller konstant. Vindkraftverk placeras långt ifrån tätorter, vilket leder till förluster under distribution.  I kalla regioner med långa vintrar uppstår en risk för energiförluster på grund av nedisade turbinblad. Om det finns ispåbyggnad på turbinbladen kan det orsaka produktionsförluster och följaktligen en ekonomisk förlust. Det är av stort intresse i att upptäcka dessa och det finns flera metoder för att förbygga is och även avisning. Det antas vara produktionsförluster på 5-25 % årligen på grund av is i Sverige, beroende på vindparkens placering. Det finns ingen generell metod för att upptäcka is inom industrin, men det finns flera metoder utvecklade av olika parter.  I det här examensarbetet har en mjukvara utvecklats i samarbete med Siemens Gamesa Renewable Energy för att upptäcka produktionsförluster hos vindkraftverk orsakade av nedisade turbinblad genom att använda SCADA-data. Mjukvaran filtrerar rådata för att beräkna en referenskurva, mot vilken data för kallt väder kan jämföras. Den visar att det finns korrelation mellan låg temperatur och produktionsförluster samt att risken för produktionsförlust ökar då temperaturen sjunker. De årliga produktionsförlusterna hos de undersökta vindparkerna var 4-10 % av den förväntade årliga produktionen.

En undersökning av vindturbiners hydraulolja med avseende på partikelinnehåll har genomförts. Med syftet att öka tillgängligheten på Statkrafts vindturbiner genom ändrade underhållsrutiner. Målsättningen har varit att minska mängden partiklar och hitta en lösning för förbättrat underhåll rörande hydrauloljan. För att lösa detta har en litteraturstudie, intervjuer och oljeprovtagning genomförts. Vidare installerades ett offlinefilter för att undersöka en potentiell lösning för partikelavskiljning och förändring av underhållsrutiner. Resultaten från oljeprovtagningen visade på höga halter av partiklar för de små och medelstora partiklarna, en låg viskositet och höga värden av föroreningar och vatteninnehåll. Samtliga parametrar förbättrades efter 24 timmar filtrering där partikelinnehållet hade minskat till godtyckliga värden tillsammans med vatteninnehållet samt att viskositeten hade en liten ökning. Efter filtrering i en vecka hade vissa av värdena gått upp ytterligare och partikelhalterna för små och medelstora partiklar hade ökat. Detta tros bero på provtagning i samband med återföring av smutsig olja från pitchcylindrarna. Lösningar på reningen av oljan undersöktes potentiellt att vara filtrering, partikelräknare, IR termografi och oljebyte. Där filtrering i kombination med partikelräknare i dagsläget ger det mest ekonomiska och lämpliga lösningen för företagets underhållsstrategi och målsättning. Slutsatsen från arbetet är att offlinefiltreringen fungerar och att underhållsrutinerna skulle kunna optimeras ytterligare om partikelräknare installerades i anslutning till detta. Ekonomiskt är denna lösning realistisk men för att göra större ändringar i underhållsrutinerna behövs vidare studier av filtreringstid och eventuellt manuell hantering / An investigation has been done of the particles in hydraulic oil in wind turbines. The purpose of this has been to increase the availability for Statkraft´s wind turbines through changing their maintenance routines. The goal has been to lower the particle count and finding a solution for bettering their maintenance with the hydraulic oil. A literature study, interviews and testing of the hydraulic oil has been done to solve this. Furthermore, an offline filtration unit has been mounted to investigate whether that may be a potential solution for clearing the oil from particles and if it can be useful for changing the maintenance routines within the oil service. The results from the oil analysis showed upon high particle counts for the smaller and middle-sized particles, low viscosity and high values for contamination and water content. All parameters were improved after 24 hours of filtration where the particle count had lowered to arbitrary values together with the water count and the viscosity had a slight increase. After filtration for a week some of the parameters had gone up slightly and the values for small and middle-sized particles hade increased. This is believed to be due to oil testing at the same time as the returning of the unclean oil from the pitch cylinders. Different solutions for clearing the oil were investigated, such as filtration, a particle counter and an oil change. The result from the investigation showed that filtration together with a particle counter is the best solution. This fits both economically and the goal for the business as of today. The conclusion of this work is that the offline filtration works and that the availability routines could be optimized further if a particle counter was to be installed together with the filtration unit. Economically this solution is most realistic but to be able to do any improvements on the availability routines further investigation of the filtration intervals has to be done with potential manual labour

Beräkningar visar att det med nuvarande befolkning och en västerländsk levnadsstandard behövs upp till sju jordklot för vår försörjning. Tillsammans förbrukar USA och Europa 2/3 av jordens resurser varav flera därtill redan är överutnyttjade. Jordens nuvarande befolkning förbrukar i dagsläget 120 % mer av jordens resurser än vad som är hållbart. Med den västerländska människans nuvarande genomsnittliga livsstil förmår jorden bara försörja en miljard innevånare på ett hållbart sätt. Ofta är energieffektiviseringar och energibesparingar de lösningar som föreslås för att lösa de problem som det medför. Naturligtvis är det viktigt att spara energi men de tekniska lösningar som finns för att energieffektivisera kan inte ensamma utgöra en lösning. Det visar sig ofta vara så att investeringar i energieffektivisering och energieffektiv teknik leder till högre istället för till lägre energianvändning. Detta kallas för Jevons paradox. Ett sätt att komma runt denna paradox är att göra konsumenter medvetna. Konsumenternas medvetenhet ökar genom att minska avståndet till produktionen. Utnyttjandet av naturresurser blir då inte något abstrakt långt borta utan en konkret verklighet som de kan förhålla sig till. Det bästa skulle därför vara att i byggsammanhang skapa små i stort sett självförsörjande enheter. Permakultur, en metod och ett sätt att tänka som ursprungligen mest handlar om odling, erbjuder verktyg för att göra denna idé till verklighet. Permakultur fokuserar på att skapa småskaliga lösningar nära den enskilda människan för just självförsörjning. Detta går att implementera i olika grad beroende på varje enskilt falls förutsättningar. Den metod som tagits fram i detta arbete går ut på att undersöka platsens och projektets aktuella förutsättningar och sedan matcha detta mot de tekniska lösningar som finns. Syftet med detta är inte enbart att skapa en fungerande teknisk lösning utan också att skapa en lösning som gör brukarna medvetna om sin egen energianvändning. Detta arbete kretsar därför i hög grad kring ett konkret exempel, Freinetskolan Tallbacken i Ljusdal. Där kommer en byggnad uppföras som arbetar med dessa principer och detta arbete visar hur de principerna också kan överföras på byggnadens energiförsörjning. Arbetet visar vilka avvägningar som gjorts i detta enskilda fall och ger därför en hjälp för den som själv vill kunna göra liknande avvägningar i ett byggprojekt. / Calculations show that the current population on earth and with a western life-style takes up to seven earth-like planets to sustain a sustainable lifestyle. Today Europe and the U.S. consume 2/3 of the resources on earth of which many are already over-used. The current population is overconsuming the resources on earth with 120% above the sustainable level. With the standard that the western citizen demands, the earth would only be able to house only one billion citizens in a sustainable way. The suggestion to solve this problem is mostly to invest in energy saving technologies and to invest in energy saving solutions. Of course, energy savings indeed are important but technical solutions can not alone provide a solution. It is often shown that investments in energy efficiency and in energy saving technology leads to higher instead of lower energy consumption. This is known as Jevons paradox. A way to solve this paradox is to create awareness among the energy consumers. By decreasing the distance between energy use and energy production, the awareness among the consumers is likely to increase. Thus, the use of natural resources will no longer remain difficult to grasp and feel remote but will be something everyone can relate to. When it comes to the built environment, the best solution would therefore be to utilse relatively small units with a high grade of self supply. Permaculture, which is a concept captured from the world of farming, provides tools to investigate and to make this idea real. What permaculture and the planning tools of permaculture do is that it focuses on small scale solutions close to the end users. Permaculture is also a concept that allows implementation on levels that can be adapted to every single case. This means that there can be different levels of self sufficiency in every unique project. The method that is presented in this paper focuses in investigating the conditions of the site and the project, and to find the technical solutions that fulfill the prerequisites of the actual case. The purpose is not necessarily just to create a working technical solution but to create a solution that makes the inhabitants aware of their energy use. Therefore this paper focuses a lot on a real example: The Freinet School Tallbacken in the Swedish municipality of Ljusdal. The school is about to build a sports hall and a canteen using these principles. This paper shows the considerations made in that actual case and provides therefore a model for anyone who is interested in the implementation of these principles in any other project.

This thesis validates SIMLOX as a simulation tool for wind energy operation and maintenance (O&M). SIMLOX have been used for modeling O&M in other sectors since 2002 but have recently begun to be used for simulating wind energy. This study validates SIMLOX for the newly introduced sector by creating a model of an existing offshore wind farm. The model used real historical data as input and the output was compared to real system response quantities (SRQs). Example of SRQs which were compared was time based availability, energy based availability, energy production, weather days, and item replacements. The study showed that SIMLOX is very well suited for this type of studies. It also showed that the major difficulty lies in obtaining proper input data. All models simulated the exact right number of major item replacements. The time based availability was considered to be the most important SRQ. The time based availability turned out to be between 0.11 - 0.66 percentage points too high compared to reference data. This most certainly depended on an overestimated work schedule for the technicians. Validation is the process of determining the degree to which a model is an accurate representation of the real world from the perspective of the intended uses of the model. This report presents all necessary knowledge to validate SIMLOX as a tool for wind energy simulations but it is thus up to the user to decide whether or not the output is accurate enough for their intended use.

The use of alternative fuels, particularly renewable energy sources, has been an important strategy to achieve greenhouse gas emission reductions. In Bolivia, many rural areas struggle with an unreliable power supply. The most common electricity solution in such isolated areas is to have off-grid systems, where hybrid systems have become a feasible solution. In this study, a hybrid system in the rural village El Espino is optimized using a linear programming tool called MicroGridsPy. Currently, the village is powered by a hybrid system consisting of solar photovoltaics, a diesel generator and lead-acid batteries as a storing system. To optimize the system in a sustainable way, considering economic, environmental and social aspects, two wind turbines of the nominal capacities 5 and 10 kW are studied and introduced to the hybrid system. To find synergies between the wind and solar energy, the irradiance and wind speed of the study area are simulated using a Weather Research and Forecasting (WRF) model. The power output from the wind turbines can then be obtained by modelling the power curves and then be added to the optimization model. The optimization is performed both with and without the wind turbines to evaluate the impact of them. In the optimization model, characteristics of the components, techno-economic parameters, including investment costs, and constraints such as renewable penetration, and cost of the curtailment are set. The obtained results include that the wind speed is higher during the winter season, and that the wind power output, regardless of turbine size, is proportional to the wind speed. Furthermore, the 10 kW wind turbine is proven to be the most suitable for the system of the two compared. The economical values of the system, such as NPC and LCOE are higher, the higher the renewable penetration, but lower for the system with wind turbines. This implicates that adding wind energy to the hybrid system could be beneficial from both an environmental and economical point of view. One conclusion that can be drawn is that wind turbines are a feasible technology for rural electrification, and that the optimization tool is sensitive to cost. Furthermore, it is found that the wind and solar energy are suitable complements to each other both season wise and daily. / Användningen av alternativa bränslen, särskilt förnybara energikällor, har varit en viktig strategi för att minska utsläppen av växthusgaser. I Bolivia kämpar många landsbygdsområden med en opålitlig strömförsörjning. Den vanligaste lösningen för elektricitet i sådana områden är off-grid system, där hybridsystem har blivit en lämplig lösning. I denna studie, optimeras ett hybridsystem beläget i byn El Espino, med ett linjärt programmeringsverktyg; MicroGridsPy. För närvarande drivs byn av ett hybridsystem bestående av solceller, en dieselgenerator och blybatterier för att lagra energin. För att optimera systemet på ett hållbart sätt, utifrån ett ekonomiskt, miljömässigt och socialt perspektiv, studeras två vindturbiner med de nominella kapaciteterna 5 och 10 kW, för att sedan introduceras till hybridsystemet. För att göra detta simuleras områdets solstrålning och vindhastighet med hjälp av en WRF-modell (Weather Research and Forecast). Effekten från vindturbinerna kan då erhållas genom att modellera effektkurvorna, och kan därefter läggas till i optimeringsmodellen. Optimeringen utförs både med och utan vindturbiner för att på så sätt utvärdera deras inverkan på systemet. I optimeringsmodellen fastställs egenskaper hos komponenterna, techno-ekonomiska parametrar, inklusive investeringskostnader och begränsningar såsom förnybar penetration och kostnad för energispill. De erhållna resultaten visade bland annat att vindhastigheten är högre under vintersäsongen, och att effekten är proportionell mot vindhastigheten, oavsett storlek på vindturbin. Vidare har vindturbinen med kapacitet 10 kW visat sig vara den mest lämpade för systemet av de två jämförda. Systemets ekonomiska värden, såsom NPC och LCOE, är högre, ju högre förnybar penetration, men lägre för systemet med vindturbiner. Detta implicerar att vindenergi kan vara till nytta för hybridsystemet, både ur miljösynpunkt och ur en ekonomisk synvinkel. En slutsats som kan dras är att vindturbiner är en passande teknik för landsbygdselektrifiering, och att optimeringsverktyget som användes är känslig mot kostnader. Vidare konstateras att vind- och solenergi kompletterar varandra både säsongsvis och på daglig basis.