In this study, operational vibration experiment and analysis have been conducted for the 4-blade small vertical-axis wind turbine (VAWT) including the effect of tower elastic behavior. Computational structural dynamics analysis method is applied to obtain Campbell diagram for the VAWT with elastic tower. An open type wind-tunnel is used to change and keep the wind velocity during the ground test. Equivalent elastic tower is used to support the VAWT so that the effect of elastic stiffness of the tower can be considered in the present vibration experiment. Various excitation conditions with wind loads are considered and the dominant operating vibration phenomena are physically investigated in detail.
Kim, Namhun;Kim, Kyenogsoo;Yoon, Yangil;Oh, Jinseok
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2011.05a
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pp.64.2-64.2
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2011
해상용(offshore) 부이(bouy)는 선박의 항로를 지시하거나 암초, 침몰선 등 항해상의 위험물을 알리기 위해 사용 되며, 야간을 위해 등화장치를 설치한 것을 등부표라 한다. 등부표는 야간 점등을 위해 자체 전력 생산시스템을 갖추고 있으나, 기존의 태양광을 이용한 전력 시스템은 해상 환경에 따른 제약이 많아 안정적인 운영이 어려우므로 풍력 발전기(wind turbine)를 이용한 하이브리드 전력 생산시스템으로의 전환이 필요한 실정이다. 선행 연구는 수직축(vertical axis) 양력(lift) 및 항력(drag) 조합형 해상용 풍력발전기 개발에 대하여 수행하였으나, 본 논문에서는 풍력발전기의 효율 증대를 위해 날개 길이 및 후면부 절개 비율에 따른 수직축 풍력발전기 특성에 대하여 연구하였다. 풍력발전기의 설치조건은 선행연구와 동일하게 등명구 교체 작업을 원활하게 하기 위하여 설치 공간을 $1m{\times}1m$로 제한하였으며, 등부표의 구조를 고려하여 최상단에 지지 프레임을 별도로 구성 하였다. 풍력발전기의 블레이드는 0.6mm의 알루미늄 박판을 절곡하여 NACA 4418의 외형을 가지도록 제작하였고, 블레이드 설계 시 에어포일의 후면부를 절개하여 양력과 항력을 효과적으로 이용하며 저속과 고속에서 높은 효율을 가지도록 설계하였다. 또한 블레이드 날개 길이와 후면부 절개 비율에 따른 풍력발전기 특성을 실험을 통해 비교하여 기준 해상 풍속에서 블레이드 설계 최적화를 수행하였으며 비교 모델 대비 약32% 발전량이 증가한 설계변수 조합을 구하였다.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.7
no.1
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pp.16-27
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2014
Double-blade vertical axis wind turbines (DB-VAWTs) can improve the self-starting performance of lift-driven VAWTs. We here propose the quadruple-multiple streamtube model (QMS), based on the blade element momentum (BEM) theory, for simulating DB-VAWT performance. Model validity is investigated by comparison to computational fluid dynamics (CFD) prediction for two kinds of two-dimensional DB-VAWT rotors for two rotor scales with three inner-outer radius ratios: 0.25, 0.5, and 0.75. The BEM-QMS model does not consider the effects of an inner rotor on the flow speed in the upwind half of the rotor, so we introduce a correction factor for this flow speed. The maximum power coefficient predicted by the modified BEM-QMS model for a DB-VAWT is thus closer to the CFD prediction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.8
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pp.693-702
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2015
This paper presents the performance characteristics of a Darrieus-type vertical-axis wind turbine (VAWT) with National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) airfoil blades. To estimate the optimum shape of the Darrieus-type wind turbine in accordance with various design parameters, we examine the aerodynamic characteristics and separated flow occurring in the vicinity of the blade, the interaction between the flow and blade, and the torque and power characteristics that are derived from it. We consider several parameters (chord length, rotor diameter, pitch angle, and helical angle) to determine the optimum shape design and characteristics of the interaction with the ambient flow. From our results, rotors with high solidity have a high power coefficient in the low tip-speed ratio (TSR) range. On the contrary, in the low TSR range, rotors with low solidity have a high power coefficient. When the pitch angle at which the airfoil is directed inward equals $-2^{\circ}$ and the helical angle equals $0^{\circ}$, the Darrieus-type VAWT generates maximum power.
Kim, Yo-Han;Kim, Dong-Hyun;Hwang, Mi-Hyun;Kim, Kyung-Hee;Hwang, Byung-Sun;Hong, Un-Sung
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.14
no.3
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pp.39-44
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2011
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.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.23
no.8
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pp.543-548
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2011
New concept of wind energy conversion system is proposed to increase the energy density at a given working space. The quality of wind for wind power generation is depend on its direction and speed. However, the quality is not good on land because wind direction is changeable all the time and the speed as well. The most popularly operated wind turbine system is an axial-flow free turbine. But its conversion efficiency is less than 30% and even less than 20% considering the operating time. In this research, a cross-flow type wind turbine system is proposed with a convergent-divergent duct system to accelerate the low speed wind at the inlet of the wind turbine. Inlet guide vane is also introduced to the wind turbine system to have continuous power generation under the change of wind direction. In here, the availability of wind energy generation is evaluated with the change of the size of the inlet guide vane and the optimum geometry of the turbine impeller blade was found for the innovative wind power generation system.
Kim, Jae-Heui;Jo, Hyo-Jae;Hwang, Jae-Hyuk;Jang, Min-Suk;Lee, Byeong-Seong
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.32
no.3
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pp.202-207
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2018
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.
The Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology
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v.15
no.3
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pp.198-204
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2022
In this paper, the 5kW and 50kW vertical axis wind turbines were studied using the ANSYS flow analysis simulation program. The 5 kW vertical shaft wind turbine has 30 units of the number of main blades and sub-blades and the electrical characteristics were analyzed by changing the tip speed ratio (TSR) from 0.2 to 06. A 50kW vertical axis wind turbine was designed based on the electrical characteristics of a 5kW vertical axis wind turbine. When the tip speed ratio was 0.5, the 5 kW wind power generation showed the maximum output of 9.5 kW and the efficiency of 0.28. The calculation of the power current(Ip) and the power voltage(Ep) show that, as the tip speed ratio increases, the power current(Ip) decreases and the power voltage(Ep) increases. And even if the tip speed ratio was changed, 5kW wind power generation was measured for output of 5 kW or higher. When the tip speed ratio was changed from 0.3 to 0.6, 50 kW wind power generation was output more than 50 kW. When the tip speed ratio of 50kW wind power generation was 0.4, the output was 58.37 [kW] and the efficiency was 0.318, and it was confirmed that the proposed 50kW wind power generation satisfies the design conditions.
Kim, Dong-Keon;Kim, Moon-Kyung;Cha, Duk-Keun;Yoon, Soon-Hyun
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.9
no.2
s.35
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pp.7-12
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2006
This study is to develop a system of electric power generation utilizing the wind resources available in the domestic wind environment. We tested drag-type vortical wind turbine models, which have two different types of blades: a flat plate and circular arc shape. Through a performance test, conditions of maximum rotational speed were found by measuring the rpm of wind turbine. The rotational speed was measured by a tachometer in a wind tunnel and the tunnel wind speed was by using a pilot-static tube and a micro manometer. The performance test for a prototype was accomplished by calculating power, power coefficient, torque coefficient from the measurement of torque and rpm by a dynamometer controller From the measurements for miniature turbine models with two different blades, the circular arc shape was found to Produce a maximum rotational speed for the same wind velocity condition. Based on this result, the prototype with the circular arc blade was made and tested. We found that it produces 500W at the wind velocity of 10.8 m/s and the power coefficient was 20%.
Rehman, Shafiqur;Rafique, Muhammad M.;Alam, Md. Mahbub;Alhems, Luai M.
Wind and Structures
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v.29
no.1
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pp.15-32
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2019
Much advancement has been made in wind power due to modern technological developments. The wind energy technology is the world's fastest-growing energy option. More power can be generated from wind energy by the use of new design and techniques of wind energy machines. The geographical areas with suitable wind speed are more favorable and preferred for wind power deployment over other sources of energy generation. Today's wind turbines are mainly the horizontal axis wind turbines (HAWTs) and vertical axis wind turbines (VAWTs). HAWTs are commercially available in various sizes starting from a few kilowatts to multi-megawatts and are suitable for almost all applications, including both onshore and offshore deployment. On the other hand, VAWTs finds their places in small and residential wind applications. The objective of the present work is to review the technological development, available sizes, efficiencies, structural types, and structural stability of VAWTs. Structural stability and efficiencies of the VAWTS are found to be dependent on the structural shape and size.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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