垂直球状タービンとヘリカルサボニウスローターを組み合わせたハイブリッド潮流タービンの設計、開発、および流体力学解析

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Hybrid lift-drag turbine concept and its validation provide a foundation for further optimization of small-scale tidal turbines.

🏢実務担当者:Low self-starting speed and stable operation in low flows suggest potential for niche applications, but current efficiency is very low.

🏛政策担当者:Decentralized hydrokinetic energy can complement other renewables; this study supports technology development for low-velocity sites.

持続可能で再生可能なエネルギーへの需要の高まりにより、潮流や沿岸流から動力を取り出すことが可能な水力動エネルギーシステムに関する研究が活発化している。従来の垂直軸タービンは、一般に、揚力型設計では自己起動性に劣り、抗力型構成では流体力学的効率が低いという制約がある。これらの限界に対処するため、本研究では、2枚羽根のらせん状サボニウスローターを外接する3枚羽根の垂直球状タービンからなるハイブリッド垂直軸潮流タービンの設計、開発、数値評価、および実験的検証を提示する。提案する構成は、NACA 0012 水力翼型プロファイルを利用した揚力型球状ローターと、抗力型らせん状サボニウスローターを組み合わせることで、起動特性を向上させ、低流速条件下で安定した回転性能を維持する。三次元数値流体力学（CFD）シミュレーションは、ANSYS Mechanical 2023 R2 を用いて、自由流速度 1.8 m/s で実施された。メッシュ非依存性、時間ステップ非依存性、および領域サイズ非依存性の解析が、数値的信頼性と解の精度を確保するために実施された。シミュレーション結果は、タービンが平均角速度 14.34 rad/s（約 137 rpm）、初期角加速度 1.55 rad/s²、平均周速比 1.99、トルク係数 0.001137、出力係数 0.002265、および平均機械出力 1.33 W を達成し、揚力と抗力の複合メカニズムを通じて安定した回転挙動を示すことを明らかにした。その後、物理的なプロトタイプが製作され、フィリピン、ソルソゴン州、グバトのグバト海岸ビーチで実験的に試験された。現地試験により、推定流速 0.24～0.58 m/s の範囲において、対応する回転速度 48～116 rpm で、タービンの自己起動能力と連続回転動作が確認された。プロトタイプはまた、永久磁石直流発電機を用いて、測定可能な電気出力 0.01～0.02 V を生成した。数値結果と実験結果の一致は、提案されたハイブリッドタービンの概念を検証し、低流速での水力動エネルギー採取に対する技術的実現可能性を示しており、ハイブリッド潮流タービン技術の将来の最適化と開発のための基盤を提供する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

The increasing demand for sustainable and renewable energy has intensified research on hydrokinetic energy systems capable of harnessing power from tidal and coastal currents. Conventional vertical-axis turbines are generally constrained by poor self-starting capability in lift-based designs or low hydrodynamic efficiency in drag-based configurations. To address these limitations, this study presents the design, development, numerical evaluation, and experimental validation of a hybrid vertical-axis tidal turbine consisting of a three-bladed vertical spherical turbine circumscribing a two-bladed helical Savonius rotor. The proposed configuration combines a lift-based spherical rotor utilizing the NACA 0012 hydrofoil profile with a drag-based helical Savonius rotor to enhance startup characteristics and maintain stable rotational performance under low-flow conditions. Three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed using ANSYS Mechanical 2023 R2 at a free-stream velocity of 1.8 m/s. Mesh independence, time-step independence, and domain-size independence analyses were conducted to ensure numerical reliability and solution accuracy. Simulation results showed that the turbine achieved an average angular velocity of 14.34 rad/s (approximately 137 rpm), an initial angular acceleration of 1.55 rad/s², a mean tip speed ratio of 1.99, a torque coefficient of 0.001137, a power coefficient of 0.002265, and an average mechanical power output of 1.33 W, demonstrating stable rotational behavior through the combined lift and drag mechanisms. A physical prototype was subsequently fabricated and experimentally tested at Gubat Coastal Beach, Gubat, Sorsogon, Philippines. Field testing confirmed the turbine’s self-starting capability and continuous rotational operation under estimated current velocities ranging from 0.24 to 0.58 m/s, with corresponding rotational speeds of 48–116 rpm. The prototype also generated measurable electrical output of 0.01–0.02 V using a permanent magnet DC generator. The agreement between the numerical and experimental results validates the proposed hybrid turbine concept and demonstrates its technical feasibility for low-velocity hydrokinetic energy harvesting, providing a foundation for future optimization and development of hybrid tidal turbine technologies.

• Research Square https://doi.org/10.20944/preprints202607.1703.v1first seen 2026-07-25 04:39:58 · last seen 2026-08-06 04:34:46