Optimization of a hydraulic Savonius turbine

Abstract

Ever-growing energy demand and unacceptable emissions from fossil fuel combustion are major driving forces for expanding alternative, green energy sources. Hydro-power is one promising ecological alternative to meet these energy requirements. Hydro-kinetic turbines produce energy from streaming fluids such as water. This work con-centrates only on water flows, because such systems do not require any weir or dam and thus, can be employed with minimal ecological impact with low power output. However, available designs are not yet suitable as efficient water energy converters, in particular for conditions corresponding to low water speeds, as are mostly found in practice. Savonius turbines are particularly robust and cost-efficient but show only poor efficiency. This research aims at maximizing the power output of a hydraulic Savonius turbine using different novel ideas. These ideas were optimized using a nu-merical model. First, an experimental work was carried out by using PIV ( particle image velocimetry) in order to validate the flow structure as well as the power coeffi-cient for a standard Savonius turbine. After the validation of the CFD model, many transient computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed using the industrial flow simulation code Star-CCM+, driven by the in-house optimization li-brary OPAL++, and relying on evolutionary algorithms for different cases to obtain the optimal configuration for the hydraulic turbine. The optimization was divided into three steps. First, the blade shape of the concave and convex sides evolved indepen-dently from each other (no constant blade thickness), then the shape and position of an obstacle plate in front of the hydraulic Savonius turbine were optimized for the stan-dard Savonius turbine, and finally, three important geometry parameters, the overlap ratio, the gap ratio, and the arc angle were simultaneously optimized. The second step is to check that this improvement could be found in reality, thus experimental work for the thick blade was conducted to check the improvement of the turbine. In parallel to this experimental work, the combination of these parameters was tested and checked for the optimal cases. Finally, an aggressive optimization process was conducted to get the final improvement in the hydraulic Savonius turbine, which produced a substantial increase of 28% in comparison to the standard Savonius turbine.

Der ständig wachsende Energiebedarf und die inakzeptablen Emissionen aus der Ver-brennung fossiler Brennstoffe sind die Hauptantriebskräfte für den Ausbau alterna-tiver, grüner Energiequellen. Die Wasserkraft ist eine vielversprechende ökologische Alternative zur Deckung dieses Energiebedarfs. Hydrokinetische Turbinen erzeugen Energie aus strömenden Fluiden wie Wasser. Diese Arbeit konzentriert sich nur auf Wasserströmungen, da solche Systeme keine Wehre oder Dämme benötigen und da-her mit minimalen ökologischen Auswirkungen aber bei geringer Leistung eingesetzt werden können. Allerdings sind die vorhandenen Konstruktionen noch nicht als effiziente Wasserenergiewandler geeignet, insbesondere nicht für Bedingungen, die niedri-gen Wassergeschwindigkeiten entsprechen, wie sie in der Praxis meist anzutreffen sind. Savonius-Turbinen sind besonders robust und kostengünstig, weisen aber nur einen geringen Wirkungsgrad auf. Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, die Ausgangsleis-tung einer hydraulischen Savonius-Turbine durch verschiedene neuartige Ideen zu max-imieren. Diese Ideen wurden mit Hilfe des numerischen Modells optimiert. Zu diesem Zweck wurden zuerst experimentelle Untersuchungen mit Hilfe von PIV (Particle Im-age Velocimetry) durchgeführt, um die Strömungsstruktur sowie den Leistungskoeffizienten für die Standard-Savonius-Turbine zu validieren. Nach der Validierung des CFD-Modells wurden zahlreiche instationäre CFD-Simulationen mit dem industriellen Strömungssimulationsprogramm Star-CCM+ durchgeführt, die durch die hauseigene Optimierungsbibliothek OPAL++ unter Verwendung von Evolutionsalgorithmen für verschiedene Fälle gesteuert wurden, um die optimale Konfiguration der Wasserturbine zu ermitteln. Die Optimierung wurde in drei Schritte unterteilt. Zunächst entwick-elt sich die Schaufelform der konkaven und der konvexen Seite unabhängig voneinan-der (keine konstante Schaufeldicke), dann wurden die Form und die Position einer Leitplatte vor der hydraulischen Savonius-Turbine für die Standard-Savonius-Turbine optimiert, am Ende werden, drei wichtige Geometrieparameter, d.h. 1) das Überlap-pungsverhältnis, 2) das Spaltverhältnis und 3) der Bogenwinkel gleichzeitig optimiert. Der zweite Schritt besteht darin, zu überprüfen, ob diese Verbesserung in der Realität nachweisbar sind, weshalb experimentelle Arbeiten für die dicke Schaufel durchgeführt wurden, um die Verbesserung der Turbine zu überprüfen. Parallel zu diesen exper-imentellen Arbeiten wurde die Kombination dieser Parameter getestet und auf die optimalen Fälle hin überprüft. Schließlich wurde ein aggressiver Optimierungsprozess durchgeführt, um die endgültige Verbesserung der hydraulischen Savonius-Turbine zu erreichen, die eine enorme Verbesserung von 28 % im Vergleich zur Standard-Savonius-Turbine erreicht.