Investigation and Improvement of Vertical Axis Wind Turbine Prototype Manufactured by "Wind El Norway As"

Abstract

Energietterspørselen øker med tiden, så nye bærekraftige og fornybare metoder må brukes for å dekke etterspørselen, og reduserer dermed utslippene av fareelementer fra gamle drivstoffbaserte teknologier. Fornybare energiteknologier er dagens og morgendagens teknologier som forventes å slå på fra drivstoffbaserte teknologier. Vindturbinteknologier som brukes til å høste kraft fra vinden er klassifisert som bærekraftige og fornybare teknologier. Siden den gang har fokus vært på høsting av høye vindhastigheter med store vindturbinkonstruksjoner. Denne studien består av undersøkelse og forbedring av prototypen av en mikro vertikal akse vindturbin, produsert av "Wind El Norway As", for å høste kraft fra lave vindhastigheter.

VAWT-prototypen er en direktedrevet turbin, drevet av dragkrefter, som består av en rekke av tre rotorer; to av dem roterer mot klokken (CCW) og den andre med klokken (CW). Hver rotor har en diameter på 1 m og 12 blader og veier 27 kg, hvor både blader og rotorplater er laget av platealuminiumslegering Al-6063 med en tykkelse på henholdsvis 2 mm og 4 mm. Akselen er plassert i midten av rotoren og har en diameter på 20 mm og er laget av rustfritt stål. Bladet er laget av en seksjon av en sirkel med en radius på 177 mm, og lengden mellom de to ytre ytterkantene av seksjonen er 271,5 mm. Alle rotorene er plassert mellom strukturen laget av to topp- og bunngalvaniserte stålplater for å støtte rotorene. Avstanden mellom rotorene til eksisterende vindturbiner er 500 mm, og er satt opp i en likesidet trekantform.

Den eksisterende rotoren er simulert i Ansys-programvare, ved å bruke Spalart– Allmaras turbulensmodell og 6-DOF-modellen, er i stand til å simulere akselerasjonen til rotoren i vindstrømmen. Alle simuleringene kjøres i 50 s med et tidstrinn på 0,5 s ved en vindhastighet på 3 m/s. I følge simuleringsresultatene har den eksisterende rotoren en Cp(r)=0,057. Intervensjoner i rotordesign er gjort for å forbedre effektiviteten, for eksempel: bladkrumning, antall blader, rotorforhold og avstand mellom rotorene. Basert på resultatene av simuleringer av den eksisterende rotoren og andre nye rotordesigner, oppnådde en rotor med et mer buet blad og samme antall blader en høyere nominell effektkoeffisient på Cp(r)=0,071. Mens med endring av sideforholdet fra 0,5 til 1, er Cp(r) de samme, men spisshastigheten økes til 1,5m/s. Når det gjelder arrays av rotorer, må forskjellige vindvinkelangrep simuleres, men fra resultatene kan det konkluderes med at et lavt antall blader vil øke den nominelle kraftkoeffisienten.

The energy demand is increasing with time, so new sustainable and renewable methods have to be used to cover the demand, hence reducing the hazard elements emissions from old fuel-based technologies. Renewable energy technologies are today's and tomorrow's technologies that are expected to switch on from fueled-based technologies. Wind turbine technologies used to harvest power from the wind are classified as sustainable and renewable technologies. Since then, the focus has been on harvesting high wind speeds with big wind turbine structures. This study consists of the investigation and improvement of the micro vertical axis wind turbine prototype, manufactured by "Wind El Norway As", for harvesting power from low wind speeds.

The VAWT prototype is a direct drive turbine, driven by drag forces, which consists of an array of three rotors; two of them rotate counterclockwise (CCW) and the other one clockwise (CW). Each rotor has a diameter of 1 m and 12 blades and weighs 27 kg, where both blades and rotor plates are made from sheet aluminum alloy Al-6063 with a thickness of 2 mm and 4 mm, respectively. The shaft is placed in the middle of the rotor and has a diameter of 20 mm and is made from stainless steel. The blade is made from a section of a circle with a radius of 177 mm, and the length between the two external extremities of the section is 271.5 mm. All the rotors are placed between the structure made from two top and bottom galvanized steel plates to support the rotors. The distance between the rotors of existing wind turbine is 500mm, and are arrayed in an equilateral triangle shape.

The existing rotor is simulated in Ansys software, using the Spalart–Allmaras turbulence model and 6-DOF model, is able to simulate the acceleration of the rotor in the wind flow. All the simulations are run for 50 s with a time step of 0.5 s at a 3 m/s wind speed. According to the simulation results, the existing rotor has a Cp(r) =0.057. Interventions in rotor design are made to improve efficiency, such as: blade curvature, number of blades, rotor aspect ratio, and distance between rotors. Based on the results of simulations of the existing rotor and other new rotor designs, a rotor with a more curved blade and the same number of blades achieved a higher rated power coefficient of Cp(r)=0.071. While with change of the aspect ratio from 0.5 to 1, the Cp(r)'s are the same, but the tip speed is increased to 1.5m/s. While regarding the Arrays of rotors, different wind angle attacks have to be simulated, but from the results it may be concluded that a low number of blades will increase the rated power coefficient.