Flexible profile vertical axis turbine concept

Installasjon og videreutvikling av tidevannsturbiner for utnyttelse av de betydelige energiressurser som finnes i tidevann og havstrøm representerer en viktig mulighet for å øke bruken fornybar energi i verden. Påliteligheten av hele system spiller en sentral rolle i design, bygging og installasjon av tidevannsturbiner som kan brukes til kommersielle formål. Konsepter, piloter og teknologi som er i bruk i dag innenfor tidevannsturbiner er fortsatt utilstrekkelig for fullskala kommersielle programmer. For å oppsummere design, testing og verifisering av forventet atferd og dynamikken hos en nyutviklede tidevannsturbin med fleksible vinger, vil dette PHD programmet ta for seg funksjonelle prinsipper, design, tester og vil utvikle matematiske modeller for å forutsi og studere funksjonalitets aspekter og optimalising av den hydrodynamiske ytelse og etablere et grunnlag for fremtidige design, test og optimalisering for kommersielt bruk. Fokus for dette doktorgradsprogrammet er videre å utvikle en ny metode for å analysere utmatting og levetid på tidevannsturbiner slik at system og konstruksjonsfeil kan forebygges. Tidligere tester av en fristrøms fullskala pilot med dette turbinkonseptet med fleksible profiler i en kontrollert elv, viste opptil 37% turbin effektivitet ved en nær konstant rpm uavhengig av innkommende strømhastigheter.

To date, full-scale vertical axis turbine concepts have not been used for hydrodynamic applications, and all test concepts have fixed static wing profiles. A novel vertical axis turbine has been designed, with flexible double cambered profiles and pivot a nd spring arrangements that enable a passive pitching action and profile flopping motions, similar to movements in aquatic creatures. A full-scale pilot turbine has been tested in a controlled river environment in Norway, demonstrating self-starting capac ity at low water speeds, high efficiency (up to 37%), and reduced torque vibration resulting in good mechanical fatigue characteristics. The most critical R&D challenges for the development of this type of turbine include design and profile and turbine te sting that can be based on in-silico analytical tools to assess accurately turbine performance and dynamic forces. This is important in particular with respect to addressing rotational rippling effects and mechanical fatigue in all constructional elements . The study will therefor evaluate several theoretical analytical models and concluded and developed an accurate model to be used for calculating hydrodynamic performance and instant forces as a function of the azimuth angel. Hydrodynamic performance of Darrieus type vertical axis turbines depends on their solidity, tip speed ratio, and profile. For the tested flexible profile vertical axis pilot turbine, increasing incoming water flow (0.79, 1.18, 1.55 m/s) was correlated with a slight increase in th e turbine RPM (3.7, 4.2, 4.7) and a decrease in the TSR (2.21, 1.68, 1.4) and efficiency (37, 25, 20%). These aspect versus the spring loaded pivoting flexible profile feature should be described and analysed. Concept field developments for river and ti dal application will be described and cost estimated in the study The results of this project are expected to facilitate commercialization of this turbine for river, tidal, and ocean current applications.