Development of Tidal Energy Extraction Model for the Transverse Horizontal Axis Water Turbine

Abstract

The evaluation of efficiency is important in assessing the economical and engineering feasibility for the deployment of the tidal energy turbines. Since the efficiency is determined by the various factors such as the velocity, density of fluid, and material and geometric properties of turbine, simplified approach need to be introduced for reducing the complexity of those factors. As an example of simplified models, the linear momentum actuator disc theory (LMADT) has been widely adopted to analyze the performance of the axial-flow turbine in a uniform flow since this method provides a set of the analytic solutions by simplify turbine as a disc which is the source of constant thrust acting in the opposite direction to the flow. Among many tidal devices, Oxford university recently introduced the Transverse Horizontal Axis Water Turbine (THAWT), which is a type of the cross-flow turbines suggested by McAdam (2011). THAWT has several advantages. It has a constant efficiency in both flow directions and can be easily extended laterally, and is structurally stable. However, it is not possible to apply LMADT directly to the analysis of THAWT due to the more complex mechanism than the axial-flow turbine. Also, for cross-flow turbine, the presence of the flow velocity distribution affects the power coefficient of a turbine since the blade of a turbine rotates reversely of flow direction during half of a cycle. In this research, the power coefficient of THAWT with the velocity profiles is obtained by the blade element momentum theory (BEMT), which analytically assesses the physical properties acting on the blades differently from the typical LMADT. It has two advantages in analyzing the cross-flow turbine. One is that it overcomes the limitation of LMADT, and another is that it can consider the velocity by determining the total force acting on the blade directly with the lift and drag forces. Constructing a set of simple analytic model based on BEMT, the power coefficient of turbine will be found numerically. After all, the velocity induction factor which is adopted from the LMADT and the friction factor considering the normal force and frictional factors are selected as the adjustment parameters to validate by comparing the results from the small-scale turbine model made from 3D printer. Based on the constructed numerical model and experimental results, the factors which affect the tip speed ratio of turbine are expressed as the combination of the non-dimensional parameters made by the water depth, turbine diameter and upstream time mean velocity of flow. The adjustment parameters (velocity induction and friction factor) can be rearranged into the empirical relation, it shows the R2 = 0.8340 . From this study, it can provide the simple and fast results to evaluate the energy potential of certain estuarine area where the water depth and velocity profile is specified.

터빈의 효율을 평가하는 것은 재생 에너지의 경제성 및 엔지니어링의 적용에 있어 매우 중요하다. 이는 유체의 속도, 밀도, 터빈의 재료 및 기하학적 특성과 같은 다양한 요소에 영향을 받으며, 그동안 터빈을 흐름의 반대방향으로 일정한 추력을 작용하는 단일 디스크로 가정함으로써 단순화 하여 해석하는 LMADT (Linear Momentum Actuator Disc Theory)가 축류 터빈을 분석하기 위해 채택되었다. 한편 많은 조류 터빈들 중에서 옥스포드 대학에서 최근에 개발 된 Transverse Horizontal Axis Water Turbine (THAWT)은 조류 터빈으로 많은 이점을 가진 교차류 터빈이다. 이는 양방향 흐름에서 일정한 효율을 가지며 축 방향으로 쉽게 연장 될 수 있으며 구조적으로 안정하다. 그러나 교차류 터빈은 축류 터빈보다 복잡한 메커니즘을 가지고 있기 때문에 LMADT 를 THAWT 에 직접 적용하는 것은 어렵다. 또한, 교차류 터빈의 경우, 블레이드의 절반이 유동 방향과 반대 방향으로 회전하기 때문에 유속 분포의 존재가 터빈의 동력 계수에 영향을 미칠 것으로 보인다. 본 연구에서는 유속 분포를 갖는 THAWT 의 동력 계수를 얻기 위해 일반적인 LMADT 를 직접 적용하는 대신에 블레이드에 작용하는 물리적 특성을 분석하는 방법 인 블레이드 요소 모멘텀 이론(BEMT)을 적용한다. 이를 이용하는 것은 교차류 터빈을 분석 할 때 두 가지 이점이 있다. 하나는 LMADT 접근법의 한계를 극복하고 다른 하나는 BEMT 를 통해 양력 및 항력을 얻어 터빈에 직접 작용하는 힘을 고려하기 때문에 속도 프로파일을 고려할 수 있다는 것이다. 이를 기반으로 간단한 해석 형식을 통한 모델을 구성한 후 터빈의 출력 계수를 수치 적으로 얻는다. 이후 모델의 조정 계수로 LMADT이론을 기반으로 도입한 속도 감소 계수 및 수직 항력과 마찰 요소를 고려한 마찰 계수를 두어 3D 프린터를 통해 제작한 모형 터빈 실험과 비교해 검증한다. 구축한 수치 모델 및 실험 결과를 통해 터빈의 끝단속도비에 영향을 주는 요소를 수심, 터빈의 지름, 상류의 시간 평균 유속 및 중력가속도를 바탕으로 한 무차원수들의 조합으로 나타내었다. 이 관계를 통해 속도 감소 계수 및 마찰 계수로 표현한 조정 계수를 경험식을 통해 나타낼 수 있고, 실험 결과와 비교하여 R2= 0.8340 의 정확도를 보였다. 본 연구를 통해 수심 및 유속 정보를 얻을 수 있는 연안 지역에 최적 터빈 설치 위치 및 잠재량 등을 평가함에 있어 간단하고 빠른 결과를 제공할 수 있을 것이다.