Pelepasan gas berbahaya akibat pembakaran sumber bahan api fosil telah meningkatkan ancaman perubahan iklim. Ancaman perubahan iklim telah memaksa perubahan paradigma antara kalangan pemimpin-pemimpin dunia yang kini menghadapi cabaran untuk mengurangkan pergantungan besar kepada sumber tenaga tidak boleh diperbaharui untuk memenuhi keperluan tenaga global. Sumber tenaga boleh diperbaharui membolehkan bekalan tenaga yang mampan dan bersih untuk memenuhi keperluan tenaga yang semakin meningkat di seluruh dunia. Tenaga hidro adalah salah satu sumber tenaga boleh diperbaharui yang berpotensi besar untuk menggantikan sumber bahan api fosil sebagai sumber tenaga utama. Sistem penukaran tenaga hidrostatik konvensional memerlukan pengosongan tanah secara besar-besaran untuk pembinaan empangan dan takungan air untuk mengaut tenaga hidro. Walau bagaimanapun, sistem penukaran tenaga hidrokinetik menyediakan alternatif yang lebih murah dan selamat untuk persekitaran bagi menjana tenaga hidro. Turbin hidrokinetik menyerap tenaga kinetik dari aliran air untuk menjadi tenaga hidro. Turbin hidrokinetik paksi menegak mempunyai keupayaan kepelbagaian arah dan memerlukan kos pemasangan yang rendah. Turbin hidrokinetik paksi menegak dapat membantu menyediakan bekalan tenaga bersih kepada komuniti yang menetap di kawasan luar bandar. Walau bagaimanapun, teknologi turbin hidrokinetik paksi menegak mengalami beberapa kekurangan. Turbin paksi menegak mempunyai kecekapan prestasi yang lebih rendah berbanding turbin hidrokinetik paksi mendatar dan mengalami kesukaran untuk beroperasi sendiri. Penyelidikan ini bertujuan untuk mengkaji prestasi aerodinamik turbin hidrokinetik paksi menegak dan pengaruhnya terhadap beban bilah pada pelbagai nisbah kelajuan hujung. Penyelidikan ini juga bertujuan untuk mengenal pasti kawasan yang berprestasi rendah untuk turbin hidrokinetik paksi menegak ketika melakukan revolusi lengkap. Kesan nisbah kelajuan hujung pada prestasi aerodinamik dan beban bilah untuk turbin paksi menegak dikaji secara terperinci melalui analisis hasil simulasi. Kaedah “nonlinear lifting line free vortex wake” yang dilaksanakan dalam perisian QBlade telah digunakan sebagai model matematik untuk menyelidik turbin paksi menegak H-Darrieus yang mempunyai konfigurasi satu bilah. Kajian pengesahan dilakukan dengan membandingkan lengkung pekali daya purata yang diperoleh untuk reka bentuk rotor rujukan menggunakan simulasi “ramp-up” dan pengiraan dinamik bendalir dengan simulasi bukan “ramp up”. Simulasi dilakukan dengan menganggap turbin berputar pada kelajuan putaran yang tetap dan tidak termasuk kesan pegun dinamik. Daripada kajian pengesahan yang dilaksanakan, didapati bahawa ramalan pekali daya purata bagi simulasi bukan ramp pada nisbah kelajuan hujung rendah adalah lebih rendah dan ramalan pada nisbah kelajuan hujung tinggi adalah lebih tinggi. Dengan hasil simulasi yang diperoleh daripada perisian QBlade, kesan nisbah kelajuan hujung pada sudut serangan, pekali daya angkat dan seret, dan pekali daya normal dan tangen pada posisi azimuth yang berbeza dianalisis. Berdasarkan graf bagi pekali daya tangen menentang posisi azimuth bilah, didapati bahawa turbin mengalami daya tangensial yang lebih besar pada putaran depan untuk julat nisbah kelajuan hujung. Kekuatan tangensial mendorong daya kilas yang membolehkan turbin berputar; oleh itu, kawasan yang berprestasi rendah untuk model turbin telah dikenal pasti sebagai putaran terakhir.
_______________________________________________________________________________________________________
Emission of harmful gases due to the burning of fossil fuels has escalated the threat of climate change. The threat of climate change has forced a paradigm shift among world leaders. Renewable energy sources are continually replenished over time, therefore enabling sustainable and clean energy supply to meet the ever-growing demand for energy across the globe. Hydro energy is one of the renewable energy sources that has significant potential to replace fossil fuels as the primary source of energy. Hydrokinetic energy conversion system provides a cheap and environmentally safe alternative to hydrostatic energy conversion system in extracting hydropower. Hydrokinetic turbines extract kinetic energy from flowing water and converts it to hydropower. Vertical axis hydrokinetic turbines possess the omnidirectional capability and require low installation costs. The turbine, therefore, can help to provide clean energy supply to off-grid communities. However, the vertical axis hydrokinetic turbine technology suffers from several drawbacks. Vertical axis turbines have lower performance efficiency compared to horizontal axis turbines where unless a turbine reaches high tip speed ratio, the blades may stall. Vertical axis turbines also experience difficulties to self-start under load because of the variation of angle of attack with azimuth angle. The research aims to investigate the aerodynamic performance of the vertical axis hydrokinetic turbine and its effect on blade loadings at various tip speed ratio. The research also aims to identify the regions of poor performance for the vertical axis hydrokinetic turbine when performing a complete revolution. The impact of tip speed ratio on the aerodynamic performance and blade loadings for the vertical axis turbine were investigated through the analysis of simulation results. Non-linear lifting line free vortex wake method implemented in QBlade software has been used as the mathematical model to investigate an H-Darrieus vertical axis turbine with one-bladed configuration. Validation studies were conducted by comparing the average power coefficient curves obtained for the reference rotor design from the literature with a non-ramp up simulation. The simulation was conducted by assuming the turbine is rotating at a constant rotational velocity and does not include dynamic stall effects. It was found that the non-ramp up simulation under predicts the average power coefficient at lower tip speed ratio and over predicts at higher tip speed ratio. With the simulation results obtained from QBlade software, the impact of tip speed ratio on the angle of attack, lift and drag coefficients, and normal and tangential force coefficients at different azimuthal positions were analysed. Based on the tangential force coefficient against the azimuthal position of blade plot, it is found that the turbine experiences a greater tangential force in the fore half of the rotation for the range of tip speed ratio. Tangential force promotes torque that allows a turbine to rotate; therefore, the region of poor performance for the turbine model has been identified to be the aft half of the rotation.
Numerical investigation on aerodynamics and blade loadings of vertical-axis darrieus turbines / Janaggen Balasubramaniam