Flow field around vertical axis cross-flow hydrokinetic turbines

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynaklarından özellikle, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi ve küçük ölçekli hidroelektrik projeler son zamanlarda büyük gelişme gösterdiler. Ancak güneş ve rüzgar enerjilerinin süreksizliği ve hava şartlarına bağımlılıkları sorun oluşturmaktadır. Son zamanlarda büyük ilgi gören yenilenebilir enerji çeşitlerinden biride hidrokinetik enerjidir. Hidrokinetik enerji nehir akımları, gel-git akımları ya da okyanus akımlarından elde edilebilir. Bu enerji kaynağı tahminedilebilirliliği ve büyük ölçekte bulunuyor olması nedeniyle yararlanılması gereken bir potansiyele sahiptir. Bu kaynağın, 21.yüzyıl için yeni ve temiz enerji alternatiflerinden biri olması muhtemeldir. Bu çalışmada, dikey eksenli çapraz-akışlı bir hidrokinetik türbin olan Lucid Enerji Teknolojisi (LET) Gorlov Sarmal Türbinin (GHT) değiştirilmiş (modified) bir formu incelenmiştir. Dikey eksenli çapraz-akışlı hidrokinetik türbinlerinin çalışma prensipleri yaygın olarak kullanılan yatay eksenli türbinlerinkinden farklıdır. Ters-dönme dahil olmak üzere akım yönden bağımsızlık ve karmaşık mekanizmalar olmadan otomatik olarak kendi-kendine başlama bu tür türbinlerin avantajlarındandır. Türbin üç boyutlu dikdörtgen açık kanal akım ortamında simüle edilmiştir. Hidrokinetik türbinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyon hesaplamaları Reynolds- Averaged Navier-Stokes denklemleri (RANS) çözerek yapıldı. Sayısal çalışmalar, ticari bir yazılım olan ANSYS FLUENT programı kullanılarak yapılmıştır. Akım alanı, açık kanal akımının hızı ve derinliği sabit tutularak, türbinin iki farklı derinlikte olması durumu incelenmiştir. Sonuçlar, türbinin kanal tabanına yakın bir şekilde yerleştirilmesi durumunda serbest su yüzeyine yakın olan bölgelerde akımın hızında bir artış olduğunu göstermiştir. Kanal tabanına yakın yerlerde akımın hızı azalıyor olsa da, türbinin hemen mansabında meydana gelen türbülanslı akım alanı ve türbinin altından oluşan akımdan dolayı kanal tabanında oyulma meydana gelecek ve dolayısı ile suda bulanıklılık seviyesinde artış olması beklenir.Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Hidrokinetik Türbinler, Kinetik enerji, Yenilenebilir Enerji, ANSYS FLUENTACKNOWLEDGMENT

Renewable energy sources, most notably, wind energy, solar energy and small scale hydropower schemes have undergone major development lately. However the intermittency and weather dependency of solar and wind energies pose a challenge. Another form of renewable energy which has attracted great interest in recent times is hydrokinetic energy. Hydrokinetic energy is harnessed from flow waters of river streams, tidal flows or ocean currents. This energy resource has a great potential to be exploited on a large scale because of its predictability and intensity. It is most likely to be one of the new and clean energy alternatives for the 21st century. In this study, a vertical axis cross-flow hydrokinetic turbine, namely a modified form of Lucid Energy Technology (LET) Gorlov Helical Turbine (GHT) was investigated. The working principles of vertical axis cross-flow hydrokinetic turbines are different from those of commonly used horizontal axis ones. The advantages of this type of turbines are; independency from the current direction including reversibility, stacking and self-starting without complex pitching mechanisms. The turbine has been simulated in a three dimensional and fully developed rectangular open channel flow. Computational fluid dynamics (CFD) simulation of the hydrokinetic turbine was performed by computationally solving the Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations (RANS). In computational studies ANSYS FLUENT, commercially available software was employed. The flow field was studied with the turbine being positioned at two different depths, while the depth and the velocity of the open channel flow were kept constant. The results have shown that placing the turbine closer to the bed of channel causes an increase in water velocity near the free surface. Although the water velocity near the channel bed seems to be decreasing, the turbulence flow takes place just behind the turbine and the burst of the flow directlybelow the turbine are expected to cause scouring and increase turbidity levels. Keywords: Computational Fluid Dynamics, Hydrokinetic Turbines, Kinetic Energy, Renewable Energy, ANSYS FLUENT