Implementation of vertical wind turbines on street light poles

Development of wind power has a high importance for the work of the EU Commission in the field of sustainable energy usage. This paper aims to investigate the possibility of implementing wind energy in new areas of application in Sweden. Horisontal axis wind turbines are dominating the wind turbine market today because of their high efficiency, but vertical axis wind turbines have been proven advantageous when implemented in urban areas. This work investigates the possibility of implementing small vertical axis wind turbines on lamp posts by highways in Sweden. This paper specifically focuses on the highway between Stockholm and Södertälje to examine the financial and physical limitations of the system to conclude how the wind turbine should be combined with complementing technique or further developed technically. The selection of models consists of the three wind power turbines Savonius, Darrieus and Giromill. A model for calculating the effect and profitability of the system is presented in the paper. The model transforms technical, surrounding and financial parameters to outcomes that reflects real scenarios. The model treats five different scenarios in this paper where the wind turbine is combined with batteries, solar panels and the possibility of selling energy surplus to the energy market. It therefore aims to create a foundation for the analysis of deciding which combination of techniques that can optimise the system. Based on the analysis of the scenarios, the system is optimised for two different purposes; to increase the amount of renewable energy production and to maximise the profitability of the project. To increase the usage of renewable energy, a system consisting of a Giromill turbine with a swept area of 2 m2 , a minimun effect coefficient of 30 % and a maximum cut in wind speed of 2,9 m/s. This system should be placed at a height of 2 m with the possibility of selling surplus energy to the energy market. It generates 900 MWh per year for the entire highway between Stockholm and Södertälje but is implemented without a yearly profit. If the purpuse is to maximise the profitability, the same Giromill turbine but with a swept area of 0,4 m2 placed at a height of 1,2 m is suggested. When combined with a solar panel, a battery and the possibility of selling surplus energy it can generate 450 MWh per year with a yearly profit of 5 %. If the costs are minimised this system can improve the profit to 10 % per year. In addition to a recommendation for the design of the system this paper also includes a suggested framework for implementing wind turbines in urban areas. It consists of the most vital guidelines the project has concluded. The factors of highest importance to investigate before implementing the system is: wind conditions at the highway, energy market conditions and costs of the system’s components, installation and maintenanceMed bakgrund i EUs miljöarbete som syftar till att öka andelen förnyelsebar energi är utveckling av vindkraftverk och dess användningsområden av stor vikt. I dagsläget är horisontella vindkraftverk dominerande på marknaden på grund av dess höga effektivitet men vid tillämpning i urbana miljöer har vertikala vindkraftverk visat sig fördelaktiga på många plan. Denna rapport undersöker därför möjligheten att implementera vertikala vindkraftverk på lyktstolpar i Sverige. Rapporten behandlar främst motorvägen E4 mellan Stockholm och Södertälje och syftar till att undersöka implementeringens finansiella och fysiska begränsningar för att utreda hur befintlig teknik bör kombineras alternativt utvecklas. De tre modellerna av vertikala vindkraftverk som utreds är Savonius, Darrieus och Giromill. Med en framtagen modell för beräkningar av effekt och lönsamhet omvandlas indata för teknik, omgivning och finansiering till verklighetstrogna utfall som speglar givna förutsättningar. I modellen undersöks fem scenarier med olika kombinationer av de kompletterande teknikerna batterier, solpaneler och uppkoppling mot elnätet för att undersöka hur lönsamhet och produktion påverkas av olika konfigurationer. Utifrån scenarioanalysen optimeras systemets konfiguration med avseende på två identifierade syften; att öka andelen förnyelsebar energianvändning och att maximera lönsamheten med projektet. För att öka andelen förnyelsebar energi rekommenderas ett system bestående av en Hrotor med en effektkoefficient på minst 30 %, en startvind på maximalt 2,9 m/s och en sveparea på 2 m2 . Detta kombineras med ett batteri på 1200 Wh lagringskapacitet och en solpanel på 1 m2 . Turbinen placeras på en höjd av 2 meter med möjligheten att sälja överskottsel till elnätet och systemet genererar då årligen 900 MWh för hela sträckan mellan Stockholm och Södertälje. I detta fall genererar projektet ingen årlig avkastning. Då syftet istället är att maximera lönsamheten rekommenderas en H-rotor med en effektkoefficient på minst 30 %, en startvind på maximalt 2,9 m/s och en placering på en höjd av 1,2 meter med en sveparea på 0,4 m2 . Detta kombineras med ett batteri med 1200 Wh lagringskapacitet, försäljning till elnätet och en solpanel på 1 m2 . Systemet genererar då årligen 450 MWh för hela sträckan och kan generera en årlig avkastning på 5 %. Om kostnaderna minimeras har denna avkastning beräknats kunna öka till 10 %. Utöver en rekommendation om utformningen för ett optimalt system presenteras även ett ramverk med de viktigaste riktlinjerna arbetet har utmynnat i. De faktorer som visats påverka projektet mest och därmed är viktigast att utreda noggrant vid implementering är vindförhållanden vi motorvägen, elpriser och förutsättningar på elmarknaden samt kostnader för systemets komponenter, installation och underhåll