Analysis of Counter Rotating Vertical Turbines Using Blade Element Momentum Theory

Abstract

Denne avhandlingen utforsker og analyserer de aerodynamiske kreftene og effektiviteten til en kontraroerende vertikal turbin (CRVT) ved bruk av blade element momentum teori (BEMT). Den ble utført av studenter ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, og forskningen fokuserer på å lage et MATLAB-program for å analysere denne unike turbinen utviklet av World Wide Wind. Studien inkluderer modifikasjoner av BEMT-modellen for å tilpasse seg geometrien til CRVT-er med vekt på å gi en grunnleggende kode som gir innsikt som kan bidra til videre forbedring av aerodynamisk effektivitet, kraftproduksjon og strukturell stabilitet.

Avhandlingen begynner med en oversikt over prinsipper og nylige fremskritt innen vindturbinteteknologi, samt de spesifikke designkarakteristikkene til CRVT-er, før den går inn i utviklingen av en beregningsmetode for BEMT-bruk i denne ukonvensjonelle vindturbinen. Metodedelen skisserer hvordan MATLAB-skriptet ble utviklet med vekt på bruk av kvaternioner for å håndtere bladorienteringer og integrering av vingedata for å beregne krefter som løft, motstand, normal-, tangentiell-, vertikal- og skyvekrefter, samt dreiemoment sett fra forskjellige perspektiver.

Samlet sett fremhever denne avhandlingen potensialet til CRVT-er i å fremme vindenergiløsninger ved å tilby forbedringer i effektivitet, holdbarhet og miljøpåvirkning.

Dette prosjektets forskning legger grunnarbeided med en god grunnleggende kode som kan være svært nyttig hvis den forbedres ytterligere, og gir kraftige innsikter i CRVT-ens aerodynamiske interaksjoner. Dette kan spille en rolle i videre utvikling og forbedring av CRVT-teknologi, og bidra til målet om å forbedre fornybare energisystemer.

This thesis explores and analyzes the aerodynamic forces and the efficiency of a counter rotating vertical turbine (CRVT) using blade element momentum theory (BEMT). It was conducted by students at the Norwegian University of Science and Technology, and the research focuses on creating a MATLAB program for analyzing this unique turbine developed by World Wide Wind. The study includes modifications to the BEMT model to adapt to the geometry of CRVTs with an emphasis on providing a foundational code that provides insight which can contribute to further improvement in aerodynamic efficiency, power generation and structural stability.

The thesis begins with an overview of principles and recent advancements in wind turbine technology, as well as the specific design characteristics of CRVTs, before diving in to the development of a calculation method for BEMT usage in this unconventional wind turbine. The methodology section outlines how the MATLAB script was developed emphasizing the use of quaternions for managing blade orientations and integrating airfoil data to compute forces such as lift, drag, normal, tangential, vertical and thrust forces, as well as the torque seen from different perspectives.

Overall this dissertation highlights the potential of CRVTs in advancing wind energy solutions by offering enhancements in efficiency, durability and environmental impact.

This project's research lays the groundwork with a good foundational code which could be very beneficial if improved upon further, providing powerful insights into the CRVT's aerodynamic interactions. This could play a part in the further development and improvement in CRVT technology, contributing to the objective of enhancing renewable energy systems.