Analysis and simulation for the usage of an automotive alternator in a small wind turbine

Certain locations, due to factors related to the layout of the land, are not directly connected to electricity system and are therefore isolated. The need to use electricity in these locations as well results in the use of locally implemented generation systems that often, due to the increasing concern for the environment, produce energy from renewable sources. However, such systems are often expensive, especially because of high costs associated with the generator, and therefore not easily accessible to everyone. From this premise comes the attempt to use an automotive alternator as a generator for a small wind turbine, as well to optimize its efficiency as much economically as possible. This choice is determined by the fact that this alternator is cheaper than generators specifically built for wind turbines. The coupling between the various elements has been simulated using the Matlab Simulink program by reconstructing the models of the turbine, alternator, load, and Maximum Power Point Tracking (MPPT) controller that allows optimizing their efficiency. The main feature of the system proposed is the use of several batteries connected in parallel to the load and via thyristors to the alternator. The MPPT controller controls the thyristors and thus the insertion of the batteries according to the input power given by the wind; this is to ensure that the value of mechanical power input to the alternator is equaled by the electrical power of the load and thus to achieve maximum efficiency. Two different models were simulated: one with the MPPT controller and the other without, so that they could be compared. From the results of the simulations, it can be seen that the implemented MPPT controller makes a big difference in terms of efficiency and generated power while containing costs compared to solutions previously found in the literature. Therefore, this solution proves to be an excellent choice to build an economical yet efficient system to generate power in isolated and off-grid settings such as developing countries.

Determinate località, per via di fattori legati alla conformazione del territorio, non sono direttamente collegate al sistema elettrico e risultano quindi isolate. L’esigenza di utilizzare energia elettrica anche in questi luoghi fa sì che si utilizzino dei sistemi di generazione implementati in loco che spesso, per via della sempre maggiore attenzione verso l’ambiente, producono energia da fonti rinnovabili. Tuttavia, tali sistemi sono spesso dispendiosi, soprattutto per via degli alti costi legati al generatore, e quindi non facilmente accessibili a chiunque. Da questa premessa nasce il tentativo di utilizzare un alternatore automobilistico come generatore per una piccola turbina eolica e ottimizzarne l’efficienza nel modo più economico possibile. Tale scelta è determinata dal fatto che questo alternatore è più economico dei generatori appositamente costruiti per le turbine eoliche. L’accoppiamento tra i vari elementi è stato simulato utilizzando il programma Matlab Simulink ricostruendo i modelli della turbina, dell’alternatore, del carico e del controllore MPPT (Maximum Point Power Tracking) che permette di ottimizzarne l’efficienza. La caratteristica principale del sistema che viene proposto è l’utilizzo di diverse batterie collegate in parallelo al carico e tramite tiristori all’alternatore. Il controllore MPPT comanda i tiristori e quindi l’inserimento delle batterie in funzione della potenza in ingresso data dal vento; questo per far sì che il valore di potenza meccanica in ingresso all’alternatore sia eguagliata dalla potenza elettrica del carico e quindi raggiungere la massima efficienza. Sono stati simulati due differenti modelli: uno con il controllore MPPT e l’altro senza, in modo tale da poterli confrontare. Dai risultati delle simulazioni si nota come il controllore MPPT implementato fa una grande differenza in termini di efficienza e di potenza generata contenendo i costi rispetto a soluzioni già precedentemente presenti in letteratura. Questa soluzione si dimostra quindi un’ottima scelta per costruire un sistema economico, ma allo stesso tempo efficiente, per produrre energia elettrica in contesti isolati e non connessi alla rete elettrica, quali i paesi in via di sviluppo.