Darrieus vertical axis wind turbine for power generation I: Assessment of Darrieus vawt configurations

particular

fi

sh; and

2c

is the distance between two adjacent

fi

shes

Fig. 24.

An illustration of the 1.5 kW prototype by Blackhawk, LLC

[82]

.

Fig. 25.

Biomimicry of a Darrieus VAWT wind farm to vortices pattern formed by a school of swimming

fi

shes, where: (a) Wake vortices of schooling

fi

sh and (b) proposed Darrieus

VAWT wind farm con

fi

guration

[75]

.

W. Tjiu et al. / Renewable Energy 75 (2015) 50

e

67

65

---

[75]

. However, it was found that adjacent turbines with the same

rotational direction tend to reduce the performance of the pair. On

the other hand, the performance is generally unaffected by counter-

rotating turbines.

Investigation into a single pair of H-rotors is shown in

Fig. 26

a.

The H-rotors (indicated by two counter-rotating circles) are spaced

at 1.65 rotor diameter. The red/bold line is the normalized CP at all

angle, except for some angle range which have been omitted due to

inconsistent wind

fl

ow below 15 min. The three circles surrounding

the H-rotors are normalized power indicators at 0.5, 1.0 and 1.5,

respectively from the smallest circle. The investigation showed that

at certain angle, the average power generated by both turbines is

less than that of an isolated turbine. However, at other angles the

average power of the pair is higher than that of an isolated. Overall,

the average power generated by the pair at all angles is slightly

better than an isolated turbine as shown in

Fig. 26

b. The

fi

gure

indicates that slower turbine rotation bene

fi

ts the pair in a trade-off

with more critical speed regulation. The vertical dashed-line is the

designed operating TSR of the H-rotors

[76]

.

12. Conclusion

Darrieus VAWT had experienced ups and downs since the in-

vention in 1920s. Several variations on both curved- and straight-

blades con

fi

gurations have been investigated. Current develop-

ment shows that guy-wired rotor is getting less popular due to

many disadvantages, while cantilevered-rotor using tubular or

truss structure is becoming more dominant for both curved- and

straight-blades con

fi

gurations. The reliability of cantilevered-rotor

has ignited new interest in Darrieus VAWT both in small and large

scale. Novel variations have emerged to provide better performance

and lower COE. Darrieus VAWT has produced several variations,

most notably Helical H-rotor. In addition, investigations into clus-

tered Darrieus VAWT have been currently taking place, which show

promising results over an HAWT wind farm.

Acknowledgment

The authors would like to acknowledge the Ministry of Science,

Technology and Innovation (MOSTI)

e

Malaysia, for sponsoring this

project under the PRGS/1/11/TK/UKM/03/2 grant.

References

[1]

Hau E. Wind turbines: fundamental, technologies, application, economics. 2

nd

ed. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg; 2006

.

[2]

Brulle RV. Feasibility investigation of the giromill for generation of electrical

power. Technical discussion, vol. II. Energy Research and Development

Administration; 1977. COO/2617

e

76/1/2

.

[3]

Brulle R. McDonnell 40 kW Giromill wind system

e

phase II: fabrication and

test. McDonnell Aircraft Company; 1980. RFP-3304

.

[4]

Templin RJ. Design characteristics of the 224 kW Magdalen Islands VAWT. SEE

N80

e

16453 07-44. NASA Lewis Research Center; 1979

.

[5]

Johnson GL. Wind energy systems. Prentice-Hall; 1985

.

[6]

Price TJ. UK large-scale wind power programme from 1970 to 1990: the

carmarthen Bay experiments and the Musgrove vertical-axis turbines. Wind

Eng 2006;30:225

e

42

.

[7] Darrieus GJM. Turbine having its rotating shaft traverse to the

fl

ow of the

current, US Patent No. 1,835,018; 1931.

[8]

Sutherland HJ, Berg DE, Ashwill TD. A retrospective of VAWT technology.

SAND2012

e

0304. Sandia National Laboratories; 2012

.

[9]

Manwell J, McGowan J, Rogers A. Wind energy explained: theory, design and

application. 2nd ed. Great Britain, U.K: John Wiley

&

Sons Ltd.; 2009

.

[10] Vertical Axis Wind Turbine, Johnson System, Inc., 2013. Available from:

http://

www.johnsonsysteminc.com/green-energy/verticle-axis-wind-turbine/

[accessed 01.03.13].

[11] ISHPEMING, MICHIGAN PROTOTYPE, McKenzie Bay International, Ltd., Avail-

able

from:

http://www.mckenziebay.com/#!Ishpeming%20Turbine/c1oat

[accessed 01.03.13].

[12] Mackenzie J. Clines corners wind energy demonstration project. VAWTPower

Management, Inc.; 2005. Available from:

http://www.vawtpower.blogspot.

com/2005_05_01_archive.html

[accessed 24.02.13].

[13] Nigam DK, El-Sayed MEM. Vertical axis wind system, US Patent No. 7,948,111;

2011.

[14] Mackenzie J. Operational testing nears completion. VAWTPower Manage-

ment, Inc.; 2007. Available from:

http://www.vawtpower.blogspot.com/

2007_07_01_archive.html

[accessed 03.12.13].

[15]

Holdsworth B. Options for micro-wind generation: part two. Renew Energy

Focus 2009;10:42

e

5

.

[16] 6 kW vertical axis wind-power turbine (VAWT), Shanghai Muce wind power

equipment Co., Ltd., Available from:

http://www.vawtmuce.com/picture.asp?

ClassName

¼

Wind-Power%20Type

[accessed 30.06.14].

[17] UGE-9M,

Urban

Green

Energy,

Inc.,

Available

from:

http://www.

urbangreenenergy.com/products/UGE-9M

[accessed 30.06.14].

[18]

Deglaire P, Engblom S, Agren O, Bernhoff H. Analytical solutions for a single

blade in vertical axis turbine motion in two-dimensions. Eur J Mech B Fluids

2009;28:506

e

20

.

[19]

Blackwell BF, Sheldahl RE, Feltz LV. Geometrical aspects of the troposkien as

applied to the darrieus vertical-axis wind turbine. In: ASME des. eng. tech.

conf., Washington, D.C.; 1975

.

[20]

Berg DE. Customized airfoils and their impact on VAWT cost of energy. In:

Windpower '90, Washington, D.C; September 1990. p. 24

e

8

.

[21]

Klimas PC. Tailored airfoils for vertical axis wind turbines. SAND84

e

1062.

Sandia National Laboratories; 1984

.

[22]

Mohamed MH. Performance investigation of H-rotor Darrieus turbine with

new airfoil shapes. Energy 2012;47:522

e

30

.

[23]

Paraschivoiu I. Wind turbine design

e

with emphasis on darrieus concept.

Quebec: Presses Internationales Polytechnique; 2002

.

[24]

Steward H. Eggs that stay

fi

rm, fences that bounce and a new look in wind-

mills. The Gazette Saturday Edition 07 October 1972. Montreal

.

[25]

Biswas S, Sreedhard BN, Singh YP. Dynamic analysis of a vertical axis wind

turbine using a new windload estimation technique. Comput Struct 1997;65:

903

e

16

.

[26]

Wilson RE, Lissaman PBS. Applied aerodynamics of wind power machines.

Oregon State University; 1974

.

Fig. 26.

Performance of two-closely spaced H-rotors. Normalized

C

P

is showed in respect to: (a) incoming angle of the wind and (b) TSR

[76]

.

W. Tjiu et al. / Renewable Energy 75 (2015) 50

e

67

66

---

[27]

Strickland JH. The darrieus turbine: a performance prediction model using

multiple streamtubes. SAND75

e

0431. Sandia Laboratories; 1975

.

[28]

Templin RJ. Aerodynamic performance theory for the NRC vertical-axis wind

turbine. LTR-LA-160. National Research Council; 1974

.

[29]

Loth JL, McCoy H. Optimization of darrieus turbines with an upwind and

downwind momentum model. J Energy 1983;7:313

e

8

.

[30]

Wilson RE, Walker SN. Fixed wake analysis of a Darrieus rotor. SAND81

e

7026.

Sandia Laboratories; 1981

.

[31]

Shankar PN. Development of vertical axis wind turbines. Proc Indian Acad Sci

1979;C2:49

e

66

.

[32]

Rajagopalan RG, Fanucci JB. Finite difference model for vertical axis wind

turbines. J Propuls 1985;1:432

e

6

.

[33]

Paraschivoiu I. Double-multiple streamtube model for studying vertical-axis

wind turbines. J Propuls 1988;4:370

e

7

.

[34]

Holme O. A contribution to the aerodynamic theory of the vertical-axis wind

turbine. In: Int. Symp. Wind energy syst; 1976. C4

.

[35]

Strickland JH, Webster BT, Nguyen T. A vortex model of the darrieus turbine:

an analytical and experimental study. J Fluids Eng 1979;101:500

e

5

.

[36]

Swamy NVC, Fritzsche AA. Aerodynamic studies on vertical-axis wind turbine.

In: Int. symp. wind energy syst., Cambridge, England; 1976. p. 73

e

80

.

[37]

Worstell MH. Aerodynamic performance of the DOE/Sandia 17-m-diameter

vertical-axis wind turbine. J Energy 1981;5:39

e

42

.

[38]

Castelli MR, Englaro A, Benini E. The Darrieus wind turbine: proposal for a

new performance prediction model based on CFD. Energy 2011;36:4919

e

34

.

[39]

Ashwill TD. Measured data for the Sandia 34-meter vertical axis wind turbine.

SAND91

e

2228. Sandia National Laboratories; 1992

.

[40]

Spera DA. Wind turbine technology: fundamental concepts of wind turbine

engineering. 2nd ed. New York: ASME Press; 2009

.

[41]

Cooper P. Development and analysis of vertical-axis wind turbines. In:

Tong W, editor. Wind power generation and wind turbine design. South-

ampton: WIT Press; 2010

.

[42]

Reuter RC, Worstell MH. Torque ripple in a vertical axis wind turbine.

SAND78

e

0577. Sandia National Laboratories; 1978

.

[43]

Polinder H, Pijl FFAvd, Vilder GJd, Tavner P. Comparison of direct-drive and

geared generator concepts for wind turbines. IEEE Trans Energy Convers

2006;21:725

e

33

.

[44] WIND-e20: Overview. 2013. Available from:

http://winde20turbine.com/

component/allvideoshare/video/latest/wind-e20-overview.html

[accessed

03.12.13].

[45]

Blackwell BF, Reis GE. Blade shape for a troposkien type of vertical-axis wind

turbine. SLA-74

e

154. Sandia National Laboratories; 1974

.

[46]

Owens BC, Hurtado JE, Paquette JA, Grif

fi

th DT, Barone M. Aeroelastic

modeling of large offshore Vertical-axis wind turbines: development of the

offshore wind Energy simulation toolkit. SAND2013-2203. Texas A

&

M Uni-

versity in collaboration with Sandia National Laboratories; 2013

.

[47]

Ashwill TD. Initial structural response measurements and model validation for

the Sandia 34-meter VAWT test bed. SAND88

e

0633. Sandia National Labo-

ratories; 1990

.

[48]

Popelka D. Aeroelastic stability analysis of a darrieus wind turbine.

SAND82

e

0672. Sandia National Laboratories; 1982

.

[49]

Musgrove PJ. The variable geometry vertical axis windmill. In: Int. symp. wind

energy syst., Cambridge, England; 1976. p. 87

e

100

.

[50]

Vaahedi E, Barnes R. Dynamic behaviour of a 25m variable-geometry vertical-

axis wind-turbine generator, generation, transmission and distribution. IEE

Proc C 1982;129:249

e

59

.

[51]

Anderson MB, Groechel KM, Powles SJ. Analysis of data from the 25 m variable

geometry vertical axis wind turbine. In: Proc. ninth British wind energy assoc.

wind energy conf., Edinburgh; 1987. p. 333

e

9

.

[52]

McConnell RD. Giromill overview. In: The wind energy innovative syst. conf.,

Colorado Springs, 23

e

25 May; 1979

.

[53]

Moran WA. Giromill wind tunnel test and analysis. COO/2617

e

4/2. Technical

discussion, vol. 2. McDonnell Aircraft Company; 1977

.

[54]

Anderson JW, Brulle RV, Birch

fi

eld EB, Duwe WD. McDonnell 40 kW Giromill

wind system

e

phase I: design and analysis. RFP-3032/1. McDonnell Aircraft

Company; 1979

.

[55]

Meir R, Page LD, Bedford LA. The UK department of energy wind energy

programme. In: Proc. tenth British wind energy assoc. wind energy conf.,

London; 1988. p. 5

e

8

.

[56]

Prestage M. Dream of power has gone with the wind. London: The Inde-

pendent; 1991. p. 3

.

[57]

Eriksson S, Solum A, Leijon M, Bernhoff H. Simulations and experiments on a

12 kW direct driven PM synchronous generator for wind power. Renew En-

ergy 2008;33:674

e

81

.

[58]

Sjokvist S, Eriksson S. Study of demagnetization risk for a 12 kW direct driven

permanent magnet synchronous generator for wind power. Energy Sci Eng

2013;1:128

e

34

.

[59]

Eriksson S, Semberg T, Bernhoff H, Leijon M. A 225 kW Direct driven PM

generator for a vertical axis wind turbine. In: European wind energy conf.

&

exhib. 2010, Warsaw, Poland, 20

e

23 april; 2010

.

[60] Ottermo F, Bernhoff H. An upper size of vertical axis wind turbines. Wind

Energy 2013.

http://dx.doi.org/10.1002/we.1655

.

[61] Ny vindkraftteknik f

€

or framtiden, E.ON Sweden AB, 2012. Available from:

http://www.eon.se/om-eon/Om-foretaget-old/old-aktuellt/Nyheter-Privat

kund/Unikt-samarbete-skapar-framtidsutsikter-for-ny-vindkraftteknik/

[accessed 09.12.13].

[62] Gorlov AM. Unidirectional helical reaction turbine operable under reversible

fl

uid

fl

ow for power systems, US Patent No. 5,451,137; 1995.

[63] Gorlov AM. Unidirectional reaction turbine operable under reversible

fl

uid

from

fl

ow, US Patent No. 5,451,138; 1995.

[64] QuietRevolution

e

QR5, Quiet Revolution Ltd., Available from:

http://www.

quietrevolution.com/qr5/qr5-turbine.htm

[accessed 16 January 2013].

[65]

Bussel GJWv, Mertens S, Polinder H, Sidler HFA. The development of Turby, a

small VAWT for the built environment. In: Global wind energy conf. 2004,

Chicago, USA, 30 march; 2004

.

[66]

Bussel GJWv, Mertens S, Polinder H, Sidler HFA. TURBY: concept and real-

isation of a small VAWT for the built environment. In: EAWE/EWEA Special

topic Conf.

“

The science of making torque from wind

”

, Delft, The Netherlands;

2004. p. 509

e

16

.

[67]

Scheurich F, Fletcher TM, Brown RE. The in

fl

uence of blade curvature and

helical blade twist on the performance of a vertical-axis wind turbine. In: 29th

ASME wind energy symp., Orlando, Florida, 4

e

7 January; 2010

.

[68]

Scheurich F, Brown RE. Modelling the aerodynamics of vertical-axis wind

turbines in unsteady wind conditions. Wind Energy 2013;16:91

e

107

.

[69] Boatner B. Vertical Axis wind turbine with articulating rotor, US Patent No.

7,667,862; 2010.

[70]

Tescione G, Ragni D, He C, Ferreira CJS, Bussel GJWv. Near wake

fl

ow analysis

of a vertical axis wind turbine by stereoscopic particle image velocimetry.

Renew Energy 2014;70:47

e

61

.

[71]

Thomsen K, Sorensen P. Fatigue loads for wind turbines operating in wakes.

J Wind Eng Ind Aerodyn 1999;80:121

e

36

.

[72]

Grady SA, Hussaini MY, Abdullah MM. Placement of wind turbines using ge-

netic algorithms. Renew Energy 2005;30:259

e

70

.

[73]

Gonzalez JS, Rodriguez AGG, Mora JC, Santos JR, Payan MB. Optimization of

wind farm turbines layout using an evolutive algorithm. Renew Energy

2010;35:1671

e

81

.

[74]

Ammara I, Leclerc C, Masson C. A viscous three-dimensional differential/

actuator-disk method for the aerodynamic analysis of wind farms. J Sol En-

ergy Eng 2002;124:345

e

56

.

[75]

Whittlesey RW, Liska S, Dabiri JO. Fish schooling as a basis for vertical axis

wind turbine farm design. Bioinspir Biometics 2010;5:1

e

6

.

[76]

Dabiri JO. Potential order-of-magnitude enhancement of wind farm power

density via counter-rotating vertical-axis wind turbine arrays. J Renew Sust

Energy 2011;3:1

e

12

.

[77] Golecha K, Eldho TI, Prabhu SV. Study on the interaction between two hy-

drokinetic savonius turbines. Int J Rotating Mach 2011.

http://dx.doi.org/

10.1155/2012/581658

.

[78]

Shigetomi A, Murai Y, Tasaka Y, Takeda Y. Interactive

fl

ow

fi

eld around two

Savonius turbines. Renew Energy 2011;36:536

e

45

.

[79]

Worstell MH. Measured aerodynamic and system performance of the 17-m

research machine. In: Proc. vertical axis wind turbine (VAWT) des. tech.

semin. ind., Albuquerque, New Mexico; 1980. p. 233

e

58

.

[80] Mackenzie J. Turbine before the squall. VAWTPower Management, Inc.; 2010.

Available from:

http://www.vawtpower.blogspot.com/2010_07_01_archive.

html

[accessed 24.02.13].

[81]

Rourke FO, Boyle F, Reynolds A. Tidal energy update 2009. Appl Energy

2010;87:398

e

409

.

[82] Boatner B. A summary overview of the blackhawk wind turbine. 2010.

Available from:

http://coen.boisestate.edu/windenergy/

fi

les/2011/10/Black

hawkOverview-BruceBoatner1.pdf

[accessed 23.02.13].

W. Tjiu et al. / Renewable Energy 75 (2015) 50

e

67

67

View publication stats

View publication stats

---