Untuk memenuhi keperluan global yang semakin meningkat untuk tenaga, sumber tenaga boleh diperbaharui dianggap sebagai penyelesaian untuk krisis tenaga ini. Tenaga hidrokinetik, alternatif mesra alam kepada tenaga hidroelektrik tradisional, mengeluarkan tenaga kinetik daripada aliran air melalui turbin hidrokinetik, berpotensi untuk dijadikan pengganti kepada bahan bakar fosil. Turbin hidrokinetik paksi menegak, dengan sifat skalabilitas dan sifat kepelbagaian arahnya, adalah bekalan tenaga boleh diperbaharui yang sesuai untuk kawasan luar bandar yang tidak bersambung dengan grid elektrik. Walau bagaimanapun, masalah kecekapan prestasi rendah yang sedia ada menghalangi aplikasi turbin paksi menegak berskala besar. Aplikasi sudut laras ke atas bilah turbin telah dicadangkan sebagai pengubahsuaian mudah yang dapat meningkatkan kecekapan prestasi turbin paksi menegak. Penyelidikan ini bertujuan untuk mengkaji kesan sudut laras kepada dinamik dan prestasi kuasa turbin paksi menegak melalui simulasi berangka. Persoalan yang dikaitkan dengan penyelidikan ini adalah kesan sudut laras kepada prestasi turbin dan reka bentuk padang optimum bagi keadaan operasi yang berbeza. Kesan sudut laras akan diselidiki melalui analisis keputusan simulasi dari segi beban aerodinamik seketika dan koefisien kuasa purata. Kemudian, pengoptimuman sudut laras dijalankan pada model turbin yang sama untuk menentukan sudut laras optimum yang memaksimumkan prestasi turbin pada nisbah kelajuan hujung yang berbeza. Untuk menjalankan siasatan ini, model simulasi berangka turbin paksi menegak Darrieus dengan 3 bilah telah dibinakan melalaui penggunaan MATLAB dengan data aerofoil NACA 0021. Teori Unsuran Bilah dan pelbagai anggapan yang mewakili keadaan operasi fisikal yang dialami oleh turbin telah digunakan untuk menwujudkan simulasi turbin yang dapat meramalkan prestasi turbin. Kemudiannya, kajian pengesahan telah dijalankan melalui pembandingan hasil simulasi dengan simulasi pengiraan dinamik bendalir dan data eksperimen, untuk memastikan keputusan simulasi adalah tepat dan boleh dipercayai. Keputusan kajian pengesahan mendapati bahawa model simulasi dapat mensimulasikan keputusan dengan kesilapan yang kurang daripada 10% pada nisbah kelajuan hujung yang rendah. Seterusnya, pengoptimuman sudut laras tetap dan dinamik telah dilakukan dengan mengubah model berangka untuk menentukan sudut laras optimum. Dengan keputusan simulasi, kesan sudut laras kepada sudut serangan, koefisien daya tangen, koefisien daya normal, dan koefisien kuasa dapat dianalisiskan. Keputusan menunjukkan pengoptimuman sudut laras tetap dapat meningkatkan kecekapan prestasi turbin dengan mengurangkan komponen koefisien kekuatan tangen yang disebabkan oleh daya seret. Pengoptimum sudut laras tetap dapat meningkatkan koefisien kuasa turbin sebanyak 5.24% apabila nisbah kelajuan tip adalah 1. Pengoptimuman sudut laras dinamik, dapat meningkatkan koefisien kuasa turbin dengan memaksimumkan komponen daya tangen yang disebabkan oleh daya angkat sementara meminimumkan komponen daya seret. Model turbin dengan aplikasi Pengoptimuman sudut laras dinamik dapat menghasilkan koefisien kuasa yang meningkat sebanyak 626.92% berbanding dengan model turbin yang tidak bersudut laras. Disebabkan oleh batasan dan anggapan yang termasuk dalam model turbin berangka, model simulasi ini adalah sesuai untuk diaplikasikan dalam pemahaman asas dan reka bentuk peraingkat awal untuk turbin paksi menegak.
_______________________________________________________________________________________________________
To meet increasing global demand for energy, renewable energy sources are endorsed as a solution for the energy crisis. Hydrokinetic energy, the eco-friendly alternative for traditional hydropower that extract kinetic energy from water flow through hydrokinetic turbines has potential to be the replacement for the depleting fossil fuels. Vertical-axis hydrokinetic turbine, with its scalability and omnidirectional characteristic, is a fitting renewable energy supply for off-grid rural areas. However, the existing issue of low performance efficiency hinders the large-scale application of vertical-axis turbine. It is suggested that applying pitch angle to turbine blade is a simple modification that can improve the low performance efficiency of the vertical-axis turbine. This research aims to investigate the effects of pitch angle to vertical-axis turbine dynamics and power performance through numerical simulation. The problems associated with this research are the effects of pitch angle on turbine performance and the optimum pitch design for different operating conditions. Pitch angle effects would be investigated through analyses of simulation results in terms of instantaneous aerodynamic loadings and average power coefficient. Pitch angle optimizations are then performed on the same turbine model to determine optimum pitch angles that maximize turbine performance at different tip speed ratio. To conduct the investigation, a numerical simulation model of a Darrieus type straight-bladed vertical-axis turbine with 3 blades is completed using MATLAB with incorporation of NACA 0021 airfoil data. Blade Element Theory and various assumptions that represent physical turbine operating conditions are applied to create turbine simulation that can adequately predict turbine performance. Validation studies are then conducted by comparing the simulated results with computational fluid dynamics simulation and experimental data, to ensure that the simulation results are accurate and reliable. It is found that, the simulation model is able to simulate results with less than 10% of error at low tip speed ratio. Fixed-pitch angle and dynamic-pitch angle optimizations are then carried out by modifying the numerical model to determine optimum pitch angles. With the simulation results, the effects of pitch angle on the instantaneous angle of attack, tangential force coefficient, normal force coefficient, and power coefficient are analyzed. It is found that fixed-pitch optimization improves on turbine performance efficiency by reducing drag-induced tangential force component in the downstream region. Fixed pitch optimization is able to increase turbine power coefficient by 5.24% at the tip speed ratio of 1. Dynamic-pitch optimization, however, increases turbine power coefficients by maximizing the lift-induced tangential force component while minimizing drag-induced component. Dynamic-pitch optimized turbine model produces power coefficient that improves for 626.92 % compared to zero-pitch turbine model. Due to the limitations and assumptions made, the simulation model is suitable to be applied in fundamental understanding and preliminary design of vertical-axis turbine.
Investigation on dynamics, performance and pitch angle optimization of vertical-axis turbines / Lim Yew Hao