Neste trabalho, são inicialmente discutidas as dificuldades referentes à obtenção de resultados numéricos para a operação de uma turbina Savonius independentes do grau de discretização, tamanho de domínio de cálculo e de máximo tempo físico simulado. Também são relatadas as divergências entre as metodologias numéricas e experimentais adotadas por diversos autores, que dificultam análises e comparações dos resultados obtidos por meio dessas metodologias com os resultados próprios obtidos. Devido a esses fatos, no presente trabalho, uma série de procedimentos experimentais e numéricos são realizados para efetuar análises do escoamento sobre uma turbina eólica Savonius. Nos experimentos em canal aerodinâmico, perfis de velocidade e parâmetros da turbulência são obtidos pela técnica de anemometria de fio quente. Medições com o uso de tubos de Pitot e manômetros eletrônicos são efetuadas para avaliar a variação da pressão e os perfis de velocidade média em posições selecionadas. Além de dados para análise, informações úteis para uso como condições de contorno nas simulações numéricas também são obtidas. Os fenômenos são reproduzidos através de simulações numéricas pelo Método de Volumes Finitos, que solucionam as equações da continuidade, de Navier-Stokes com médias de Reynolds e do modelo de turbulência k-ω SST. Análises experimentais e numéricas considerando o escoamento sobre um cilindro, que mantém semelhanças com o escoamento sobre o rotor, também são realizadas. Simulações numéricas do escoamento sobre o cilindro são efetuadas, fornecendo resultados representativos do escoamento real, quando geometrias tridimensionais são aplicadas na modelagem numérica. Nas simulações do escoamento sobre o rotor Savonius em condição estática, resultados representativos do escoamento real são obtidos com o uso de uma modelagem que leva em consideração a rugosidade das pás do rotor, estacionado na posição angular de 90°. Para posições angulares menores, não se obteve uma boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos. A realização deste trabalho fornece informações úteis para a análise do fenômeno e tem potencial para contribuir com futuros trabalhos desse tema. / This research work initially presents a discussion about the difficulties related to obtaining numerical results for the operation of a turbine Savonius independent of the degree of discretization, calculation domain size and maximum physical time of the simulation. The differences between the numerical and experimental methodologies adopted by various authors difficult the analysis and comparisons of the results obtained through these methods with the results obtained by the methodology. Due to these facts, in this research work, a series of experimental and numerical procedures are performed to conduct analyzes of flow over a Savonius wind turbine. In the experiments on aerodynamic channel, velocity and turbulence profiles parameters are obtained by the technique of hot wire anemometry. Measurements using Pitot tubes and electronic manometers are made to evaluate the variation of pressure and mean velocity profiles at selected positions. In addition to data analysis, useful information for use as boundary conditions in the numerical simulations are also obtained. The phenomena are reproduced through numerical simulations by Finite Volume Method, that solve the equations of continuity, Reynolds-averaged Navier–Stokes equations and the equation of the turbulence model k-ω SST. Experimental and numerical analyzes considering the flow over a cylinder, which holds similarities with the flow over the rotor, are also performed. Numerical simulations of the flow over the cylinder are made, providing results representative of the actual flow when three-dimensional geometries are applied in numerical modeling. In flow simulations over the Savonius rotor in static condition, at 90°, representative results of the actual flow are obtained using a model that takes into account the roughness of the rotor blades. For smaller angular positions a good agreement between experimental and numerical results was not obtained. This work provides useful information for the analysis of the phenomenon and has the potential to contribute to future work on this theme.

At the Division of Electricity at Uppsala university a project isconducted to develop a smaller wind turbine for conditions in theAntarctica. This is a part of a larger, international researchproject in the field of particle physics known as the Ariannaexperiment. The project consists of developing and installing avertical axle wind turbine of screwed Savonius type. A prototypeof this has been manufactured and installed 2016 in Antarctica forinitial testing and measurement.Wind turbines are subjected to complex and varied loads from windand rotation which gives rise to cyclical strain. The rotor bladesare particularly vulnerable, which imposes high material andconstruction requirements to avoid fatigue and failure, whichoften is caused by vibrations and oscillations. Vibrations can becharacterized in terms of the natural frequencies witch in shortmeans that the system, at specific frequencies, tend to oscillatewith increasing amplitude and at worst, resonate if these areexcited. How a complex design will behave by external periodicinterference is complicated to calculate analytically. Naturalfrequencies are therefore most often calculated using FEM-methodsand computer simulations.The aim of this thesis is to study how oscillating forces interactwith the natural frequencies and rotational loads for a specificSavonius wind turbine. How these are influenced by engineering,design and material selection. The goal is to draw conclusionsabout design and possible materials selection to avoid unnecessaryvibrations. Without this analysis, there is a risk of increasedwear and damage to the structure.The project includes such analysis of two different sizes of theSavonius turbine. A small 200x400 mm and a larger 1000x2000 mm.To understand the problem, a preliminary study of basic harmonicoscillation, strength of materials and of the existing prototypewas made. Following a requirement specification, somedelimitations were made so that the simulations would not be tooextensive. Subsequently, a minor design work was done to obtain 13different configurations of the turbine for simulation using FEM-methods.The result showed that none of the turbines rotational frequenciesis close to the turbine’s natural frequencies. However, accountmust be taken of cogging frequencies in the generator. These arewithin the range of the design's natural frequencies.All simulations of centrifugal force found that there isrelatively little tension at the selected maximum speed of 660 and132 revolutions per minute. However, as the results showed thatthe plates which are mounted between the rotor blades to providestability, creates greater stresses in the structure than thosewithout. Two proposals for the configuration of turbines have beenpresented in the report.

Neste trabalho, são inicialmente discutidas as dificuldades referentes à obtenção de resultados numéricos para a operação de uma turbina Savonius independentes do grau de discretização, tamanho de domínio de cálculo e de máximo tempo físico simulado. Também são relatadas as divergências entre as metodologias numéricas e experimentais adotadas por diversos autores, que dificultam análises e comparações dos resultados obtidos por meio dessas metodologias com os resultados próprios obtidos. Devido a esses fatos, no presente trabalho, uma série de procedimentos experimentais e numéricos são realizados para efetuar análises do escoamento sobre uma turbina eólica Savonius. Nos experimentos em canal aerodinâmico, perfis de velocidade e parâmetros da turbulência são obtidos pela técnica de anemometria de fio quente. Medições com o uso de tubos de Pitot e manômetros eletrônicos são efetuadas para avaliar a variação da pressão e os perfis de velocidade média em posições selecionadas. Além de dados para análise, informações úteis para uso como condições de contorno nas simulações numéricas também são obtidas. Os fenômenos são reproduzidos através de simulações numéricas pelo Método de Volumes Finitos, que solucionam as equações da continuidade, de Navier-Stokes com médias de Reynolds e do modelo de turbulência k-ω SST. Análises experimentais e numéricas considerando o escoamento sobre um cilindro, que mantém semelhanças com o escoamento sobre o rotor, também são realizadas. Simulações numéricas do escoamento sobre o cilindro são efetuadas, fornecendo resultados representativos do escoamento real, quando geometrias tridimensionais são aplicadas na modelagem numérica. Nas simulações do escoamento sobre o rotor Savonius em condição estática, resultados representativos do escoamento real são obtidos com o uso de uma modelagem que leva em consideração a rugosidade das pás do rotor, estacionado na posição angular de 90°. Para posições angulares menores, não se obteve uma boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos. A realização deste trabalho fornece informações úteis para a análise do fenômeno e tem potencial para contribuir com futuros trabalhos desse tema. / This research work initially presents a discussion about the difficulties related to obtaining numerical results for the operation of a turbine Savonius independent of the degree of discretization, calculation domain size and maximum physical time of the simulation. The differences between the numerical and experimental methodologies adopted by various authors difficult the analysis and comparisons of the results obtained through these methods with the results obtained by the methodology. Due to these facts, in this research work, a series of experimental and numerical procedures are performed to conduct analyzes of flow over a Savonius wind turbine. In the experiments on aerodynamic channel, velocity and turbulence profiles parameters are obtained by the technique of hot wire anemometry. Measurements using Pitot tubes and electronic manometers are made to evaluate the variation of pressure and mean velocity profiles at selected positions. In addition to data analysis, useful information for use as boundary conditions in the numerical simulations are also obtained. The phenomena are reproduced through numerical simulations by Finite Volume Method, that solve the equations of continuity, Reynolds-averaged Navier–Stokes equations and the equation of the turbulence model k-ω SST. Experimental and numerical analyzes considering the flow over a cylinder, which holds similarities with the flow over the rotor, are also performed. Numerical simulations of the flow over the cylinder are made, providing results representative of the actual flow when three-dimensional geometries are applied in numerical modeling. In flow simulations over the Savonius rotor in static condition, at 90°, representative results of the actual flow are obtained using a model that takes into account the roughness of the rotor blades. For smaller angular positions a good agreement between experimental and numerical results was not obtained. This work provides useful information for the analysis of the phenomenon and has the potential to contribute to future work on this theme.

This master‘s thesis deals with the simulation of small wind power plant with Savonius-Darrieus rotor. On the base of the actuator disk theory the performance of modeled power plant is predicted in theoretical part and the power coefficient as well. The process of designing the wind model is also described in this theoretical part. The practical part of this thesis is dedicated to the creating a model of DS300 vertical axis hybrid wind turbine in Matlab/Simulink. This model was used to generating of the power curve of modeled wind power plant and for the computing of power and total produced energy during an average and above-average day as well. The whole thesis is enclosed by evaluating of obtained results.

Beräkningar visar att det med nuvarande befolkning och en västerländsk levnadsstandard behövs upp till sju jordklot för vår försörjning. Tillsammans förbrukar USA och Europa 2/3 av jordens resurser varav flera därtill redan är överutnyttjade. Jordens nuvarande befolkning förbrukar i dagsläget 120 % mer av jordens resurser än vad som är hållbart. Med den västerländska människans nuvarande genomsnittliga livsstil förmår jorden bara försörja en miljard innevånare på ett hållbart sätt. Ofta är energieffektiviseringar och energibesparingar de lösningar som föreslås för att lösa de problem som det medför. Naturligtvis är det viktigt att spara energi men de tekniska lösningar som finns för att energieffektivisera kan inte ensamma utgöra en lösning. Det visar sig ofta vara så att investeringar i energieffektivisering och energieffektiv teknik leder till högre istället för till lägre energianvändning. Detta kallas för Jevons paradox. Ett sätt att komma runt denna paradox är att göra konsumenter medvetna. Konsumenternas medvetenhet ökar genom att minska avståndet till produktionen. Utnyttjandet av naturresurser blir då inte något abstrakt långt borta utan en konkret verklighet som de kan förhålla sig till. Det bästa skulle därför vara att i byggsammanhang skapa små i stort sett självförsörjande enheter. Permakultur, en metod och ett sätt att tänka som ursprungligen mest handlar om odling, erbjuder verktyg för att göra denna idé till verklighet. Permakultur fokuserar på att skapa småskaliga lösningar nära den enskilda människan för just självförsörjning. Detta går att implementera i olika grad beroende på varje enskilt falls förutsättningar. Den metod som tagits fram i detta arbete går ut på att undersöka platsens och projektets aktuella förutsättningar och sedan matcha detta mot de tekniska lösningar som finns. Syftet med detta är inte enbart att skapa en fungerande teknisk lösning utan också att skapa en lösning som gör brukarna medvetna om sin egen energianvändning. Detta arbete kretsar därför i hög grad kring ett konkret exempel, Freinetskolan Tallbacken i Ljusdal. Där kommer en byggnad uppföras som arbetar med dessa principer och detta arbete visar hur de principerna också kan överföras på byggnadens energiförsörjning. Arbetet visar vilka avvägningar som gjorts i detta enskilda fall och ger därför en hjälp för den som själv vill kunna göra liknande avvägningar i ett byggprojekt. / Calculations show that the current population on earth and with a western life-style takes up to seven earth-like planets to sustain a sustainable lifestyle. Today Europe and the U.S. consume 2/3 of the resources on earth of which many are already over-used. The current population is overconsuming the resources on earth with 120% above the sustainable level. With the standard that the western citizen demands, the earth would only be able to house only one billion citizens in a sustainable way. The suggestion to solve this problem is mostly to invest in energy saving technologies and to invest in energy saving solutions. Of course, energy savings indeed are important but technical solutions can not alone provide a solution. It is often shown that investments in energy efficiency and in energy saving technology leads to higher instead of lower energy consumption. This is known as Jevons paradox. A way to solve this paradox is to create awareness among the energy consumers. By decreasing the distance between energy use and energy production, the awareness among the consumers is likely to increase. Thus, the use of natural resources will no longer remain difficult to grasp and feel remote but will be something everyone can relate to. When it comes to the built environment, the best solution would therefore be to utilse relatively small units with a high grade of self supply. Permaculture, which is a concept captured from the world of farming, provides tools to investigate and to make this idea real. What permaculture and the planning tools of permaculture do is that it focuses on small scale solutions close to the end users. Permaculture is also a concept that allows implementation on levels that can be adapted to every single case. This means that there can be different levels of self sufficiency in every unique project. The method that is presented in this paper focuses in investigating the conditions of the site and the project, and to find the technical solutions that fulfill the prerequisites of the actual case. The purpose is not necessarily just to create a working technical solution but to create a solution that makes the inhabitants aware of their energy use. Therefore this paper focuses a lot on a real example: The Freinet School Tallbacken in the Swedish municipality of Ljusdal. The school is about to build a sports hall and a canteen using these principles. This paper shows the considerations made in that actual case and provides therefore a model for anyone who is interested in the implementation of these principles in any other project.

Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

Using of wind energy belongs to one of the fastest developing segments in the power production from renewable resources, which also relates to new studies and development of different types of power stations and brings new ideas to small wind sources spheres too. Savonius rotor is included in these spheres as well. This thesis deals with a complete design, realization and trial measurement of single-step Savonius rotor model. Introduction part treats of basic division and rotor utilization. Design part includes the design as well rotor graphical documentation. In the following part there is data evaluation, which leads to comparison with theoretical calculations. The final part includes an examination of possible utilization of Savonius rotor for generation of electricity.

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