Household water heating using small scale wind turbines | Produção de águas quentes sanitárias (AQS) usando micro aerogeradores

Mestrado em Sistemas Energéticos Sustentáveis

O consumo energético global está em constante crescimento, e com este aumento as tecnologias renováveis têm sido desenvolvidas a um ritmo sem precedentes para mitigar os efeitos negativos que este consumo tem no ambiente. Nesta dissertação é investigada a viabilidade de usar micro aerogeradores com o propósito de produzir Águas Quentes Sanitárias (AQS). O objetivo é eventualmente substituir os coletores solares térmicos em zonas urbanas onde o recurso solar é menos favorável, ou complementá-los de modo a aumentar a cobertura das necessidades por fontes renováveis. Para obter estes resultados, foram avaliados dados climáticos de várias regiões de Portugal, e devido ao seu perfil de vento e sol, Aveiro, Nazaré e Angra do Heroísmo foram as escolhidas para neste estudo representar 3 perfis de referência no que respeita a potencial renovável (perfil A, B e C, respetivamente). Foi simulada a energia gerada por micro aerogeradores e coletores solares durante o período de um ano, em dois programas de modelação diferentes. Conclui-se que a implementação de um sistema micro eólico numa região com um perfil de vento como o perfil A não é recomendada, sendo que a potência gerada não seria considerada satisfatória. Para os perfis B e C, estes mostram resultados mais otimistas correspondendo a perfis de vento suficientemente interessantes para justificar a implementação de tecnologia eólica no seu estado de desenvolvimento presente (no caso do perfil C) e eventualmente no futuro (no caso do perfil B). Os melhores resultados mostram uma fração renovável de 40-70%, em perfis de vento tipo C. Foram calculados os custos de operação e manutenção, incluindo compras à rede elétrica, e os custos da energia eólica e solar. Em locais com perfis de vento comparáveis a Aveiro ou a Nazaré (perfis tipo A e B), a energia solar térmica é atualmente a opção economicamente mais viável. No estado atual de desenvolvimento da tecnologia, as soluções baseadas em micro turbinas eólicas devem apenas ser consideradas para locais com perfis de vento idênticos ou superiores aos encontrados em Angra do Heroísmo, tendo um período de retorno do investimento de 5 a 7 anos. A combinação de eólica e solar foi também estudada. Concluiu-se que para um sistema híbrido não se comprova uma combinação favorável entre os recursos eólicos e solares ao longo do dia. No entanto, o perfil anual dos recursos é complementar para situações onde se encontra um perfil de vento tipo C e um perfil solar tipo B. Resumindo, implementação desta tecnologia para o perfil C é possível, mas não o é para o perfil A. No caso do perfil B, com alguns melhoramentos das turbinas eólicas, como a diminuição da velocidade de cut-in para valores entre 1 e 2 m s-1 e a diminuição do custo em 30-40%, localidades com este perfil podem ser viáveis no futuro.

Power consumption is increasing at a global scale and, with it, renewable technologies have been developed at an unprecedented rate to attempt to mitigate the negative effects this has on the environment. In this dissertation the effectiveness of a small wind turbine for the purpose of household water heating is investigated. The aim is to eventually complement or replace the market leading solar collectors in urban areas where solar resources are less than favorable. To achieve these results, climate data for various regions in Portugal were reviewed and, based on their wind and solar resource behavior, Aveiro, Nazaré and Angra do Heroísmo (profiles A, B and C, respectively) were chosen for this study as representative locations. Daily power output of wind turbines and solar collectors in the three reference conditions was simulated for an entire year using two different modeling approaches (software). Profile A is not recommended for wind applications as the wind power is too low to be considered satisfactory. The other profiles, B and C, show optimistic results and are good locations for the implementation of small wind turbine future technology and currently commercialized systems, respectively. The results show that wind power can achieve a renewable fraction of 40-70% in wind profiles similar to that found in profile C. Operational and maintenance costs, including grid purchases and levelized costs of energy were calculated for wind and solar power. In profiles A and B, solar power proves to be the most financially viable option. Considering currently available technology and market costs, wind applications should be considered only in profile C, with a payback period of 5 to 7 years. Type B wind profiles may become financially attractive depending on the improvement of wind turbines performance. A combination of wind and solar power was also analyzed. The available wind and solar radiation prove not to be compatible throughout the hours of the day. However, the yearly profile of these resources in terms of seasonal behavior can make a hybrid system a viable option when combining the wind profile C and solar profile B. In summary, a cost-effective deployment is possible in profile C and not possible in profile A. As for profile B, the cost of the turbine would have to be lower than what is available under current technology. Nonetheless, with some improvements to the wind turbines, such as cut-in speeds of 1 to 2 m s-1 and a decrease in cost of 30-40% locations with this profile can be considered as viable options in the future.