Many kinds of generation systems have been developed to use ocean energy. Among these, with the use of an oscillating water column (OWC) for power generation is attracting attention. The OWC-type wave power generation system converts wave energy into electricity by operating a generator turbine with the oscillating water level in a column of water. There are two ways to convert wave power into electricity using an OWC. One uses a cross-flow turbine using the water level inside the OWC. The other method uses the flow of air in a Wells turbine, which depends on the water level. An experiment was carried out using a 2-D wave tank in order to minimize the number of empirical tests. The design factors were taken from Koo et al. (2012) and the experimental environment assumed by free surface motion. This paper deals with characteristics of two types of wave energy conversion systems combine with a breakwater. One model uses an air-driven Wells turbine and a cross-flow water turbine. The other type uses a cross-flow water turbine. Wave energy converters with OWCs have mostly been studied using air-driven Wells turbines. The efficiency of the cross-flow turbine was about 15% higher than that of the other model, and the water level of the OWC internal chamber for the cross-flow water turbine and air-driven Wells turbine was less than about 40% lower than the one using only the cross-flow water turbine.
As a key component of a Francis turbine facility, the runner performance plays a vital role in the performance of the turbine. It is effective and successful to design a Francis turbine runner blade with good performance by one dimensional hydraulic design method. On the basis of one dimensional hydraulic analysis, there are a lot of parameters of the internal flow passage shapes determined by experience. Among those parameters, the effect of port area of blade on the performance of a Francis turbine is investigated in this study. A given Francis turbine model was selected for investigating the port area of blade on the performance. The result shows that the effect of port area of runner blade on the outflow angle from runner passage on the performance is quite significant. A correct exit flow angle reduces the energy loss at draft tube, which has the best efficiency of the turbine model.
The aim of this paper is to numerically explore the feasibility of designing a Mini-Hydro turbine. The interest for this kind of horizontal axis turbine relies on its versatility. For instance, in the field of renewable energy, this kind of turbine may be considered for different applications, such as: tidal power, run-of-the-river hydroelectricity, wave energy conversion. It is fundamental to improve the turbine performance and to decrease the equipment costs for achievement of "environmental friendly" solutions and maximization of the "cost-advantage". In the present work, the commercial CFD code ANSYS is used to perform 3D simulations, solving the incompressible Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (U-RANS) equations discretized by means of a finite volume approach. The implicit segregated version of the solver is employed. The pressure-velocity coupling is achieved by means of the SIMPLE algorithm. The convective terms are discretized using a second order accurate upwind scheme, and pressure and viscous terms are discretized by a second-order-accurate centered scheme. A second order implicit time formulation is also used. Turbulence closure is provided by the realizable k - turbulence model. In this study, a mini hydro turbine (3kW) has been considered for utilization of horizontal axis impeller. The turbine performance and flow behavior have been evaluated by means of numerical simulations. Moreover, the performance of the impeller varied in the pressure distribution, torque, rotational speed and power generated by the different number of blades and angles. The model has been validated, comparing numerical results with available experimental data.
This paper presents the dimensionless wall distance, y+ effect on SST turbulent model for wind turbine blade. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine was used for the study, which the wind tunnel and structural test data has publicly available. The near wall treatment and turbulent characteristics have important role for proper CFD simulation. Most of the CFD development in this area is focused on advanced turbulence model closures including second moment closure models, and so called Low-Reynolds (low-Re) number and two-layer turbulence models. However, in many cases CFD aerodynamic predictions based on these standard models still show a large degree of uncertainty, which can be attributed to the use of the $\epsilon$-equation as the turbulence scale equation and the associated limitations of the near wall treatment. The present paper demonstrates the y+ definition effect on SST (Shear Stress Transport) turbulent model with advanced automatic near wall treatment model and Gamma theta transitional model for transition from lamina to turbulent flow using commercial ANSYS-CFX. In all cases the SST model shows to be superior, as it gives more accurate predictions and is less sensitive to grid variations.
This paper presents the efficiency of a floating vertical axis wind turbine with variable-pitch. A model was designed to use the lift force and drag force for blades with various pitch angles. The blade's pitch angle is controlled by the stopper. To validate the efficiency of the wind turbine discussed in this paper, a model test was carried out through a single model efficiency experiment and wave tank experiment. The parameters of the single model efficiency experiment were the wind speed, electronic load, and pitch angle. The wave tank experiment was performed using the most efficient pitch angle from the results of the single model efficiency experiment. According to the results of the wave tank experiment, the surge and pitch motion of a structure slightly affect the efficiency of a wind turbine, but the heave motion has a large effect because the heights of the wind turbine and wind generator are almost the same.
Kim, Hyungyu;Kim, Kwansoo;Paek, Insu;Yoo, Neungsoo
Journal of Power Electronics
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제15권4호
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pp.1047-1053
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2015
A time-domain simulation tool to predict the dynamic power output of wind turbines in an offshore wind farm was developed in this study. A wind turbine model consisting of first or second order transfer functions of various wind turbine elements was combined with the Ainslie's eddy viscosity wake model to construct the simulation tool. The wind turbine model also includes an aerodynamic model that is a look up table of power and thrust coefficients with respect to the tip speed ratio and pitch angle of the wind turbine obtained by a commercial multi-body dynamics simulation tool. The wake model includes algorithms of superposition of multiple wakes and propagation based on Taylor's frozen turbulence assumption. Torque and pitch control algorithms were implemented in the simulation tool to perform max-Cp and power regulation control of the wind turbines. The simulation tool calculates wind speeds in the two-dimensional domain of the wind farm at the hub height of the wind turbines and yields power outputs from individual wind turbines. The NREL 5MW reference wind turbine was targeted as a wind turbine to obtain parameters for the simulation. To validate the simulation tool, a Danish offshore wind farm with 80 wind turbines was modelled and used to predict the power from the wind farm. A comparison of the prediction with the measured values available in literature showed that the results from the simulation program were fairly close to the measured results in literature except when the wind turbines are congruent with the wind direction.
In this paper, a possibility of controlling the motion of a floating wind turbine with the tuned liquid damper(TLD) is numerically investigated. First, motion of the scale model of a floating wind turbine without the TLD is predicted and its results are compared to the measured data. There are reasonably good agreements between two results, which confirms validity of the present numerical methods. Then, the effect of TLD is quantitatively assessed by comparing the prediction results for the floating wind turbine with and without the TLD. It is shown that the motion of the scale model derived by external forces can be reduced by using the TLD. On a basis of this result, a multi-layer TLD is proposed to generate larger reaction force of the TLD at the fixed target frequency. The motions of the scale model with the multi-layer TLDs are computed and compared with that of the single-layer TLD. It is shown that the multi-layer TLD generate stronger reaction force and thus more reduce the motion of the floating body than the single-layer TLD.
Turbines have been known to be particularly susceptible to flow-induced self-excited vibration. In such vibrations, direct damping and cross stiffness effects of aerodynamic forces determine rotordynamic stability. In axial turbines with eccentric shrouded rotors, the non-uniform sealing gap causes azimuthal non-uniformities in the seal gland pressure and the turbine torque which destabilize the rotor system. Previously, research efforts focused solely on either the seal flow or the unshrouded turbine passge flow. Recently, a model for flow in a turbine with a statically offset shrouded rotor has been developed and some stiffness predictions have been obtained. The model couples the seal flow to the passage flow and uses a small perturbation approach to determine nonaxiymmetric flow conditions. The model uses basic conservation laws. Input parameters include aerodynamic parameters (e.g. flow coefficient, reaction, and work coefficient); geometric parameters (e.g. sealing gap, depth of seal gland, seal pitch, annulus height); and a prescribed rotor offset. Thus, aerodynamic stiffness predictions have been obtained. However, aerodynamic damping (i.e. unsteady aerodynamic) effects caused by a whirling turbine has not yet been examined. Therefore, this paper presents a new unsteady model to predict the unsteady flow field due to a whirling shrouded rotor in turbines. From unsteady perturbations in velocity and pressure at various whirling frequencies, not only stiffness but also damping effects of aerodynamic forces can be obtained. Furthermore, relative contributions of seal gland pressure asymmetry and turbine torque asymmetry are presented.
A large number of offshore wind turbines with fixed foundations have been installed in water depths up to 30 meters supporting 3-5MW wind turbines. Some floating platform concepts of offshore wind turbines were designed to be suitable for deployment in water depths greater than 60 meters. However the optimal design of this system in water depth 50 meters remains unknown. In this paper, a 5-MW wind turbine located on a TLP type platform was suggested for installation in this water depth. It is moored by a taut mooring line. For controlling the wind turbine always be operated at the upwind direction, one yaw controlling was attached at the tower. To study motion characteristics of this platform, a model was built with a 1/128 scale ratio. The model test was carried out in various conditions, including waves, winds and rotating rotor effect in the Ocean Engineering Wide Tank of the University Of Ulsan (UOU). The characteristic motions of the TLP platform were captured and the effective RAOs were obtained.
In this study, performance analyses have been conducted for a 5MW class wind turbine blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responsed of wind turbine blade. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with K-${\epsilon}$ turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating turbine blade model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D turbine blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Predicted aerodynamic performance considering structural deformation effect of the blade show different results compared to the case of rigid blade model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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