Published July 1, 2023
| Version v1
Publication
Open
Modelling the Energy Extraction from Low-Velocity Stream Water by Small Scale Archimedes Screw Turbine
Description
In recent years, there has been a growth of interest in the development of micro-hydropower power generation, especially in the low head turbine. Low head turbine gained popularity due to its high efficiency, relatively low cost, ability to operate in low flow rate, and low environmental impact. In this aspect, the Archimedes Screw Turbine (AST) could be the primary key to electrifying the rural area in Sarawak, Malaysia, which is surrounded by rivers. This study starts with a conceptual design based on literature review findings. Eventually, the small-scale prototype is then being built and tested in the laboratory. The experiment is set up to simulate the actual Sarawak river velocity to determine the relationship between key performance variables such as the inclination angle of AST and water flow velocity. The findings revealed that the 45° angle of inclination was the optimum angle of AST within the water velocity of 1.0 m/s until 1.5 m/s. At this angle, the highest revolution per minute (RPM) generated by AST shaft was 179.8, and the highest torque recorded was 0.9Nm. The results were validated through statistical means. It was found that both angle of inclination and river water velocity are significant to RPM and torque generation (p < 0.05). Two statistical models were generated based on linear regression to explain the contribution of water velocity and angle of inclination as inputs to torque and RPM as outputs, with Pearson R2 value of more than 60%. The maximum mechanical power generated is about 1.54 kW, with the maximum efficiency of 94.6%. The outcome of this study would be useful for designing a small-scale AST power generation system by utilising a low flow river (velocity < 1.5 m/s) as a power source. This study would contribute to the existing knowledge stock of small-scale AST, primarily to operate in low flow velocity rivers. For the future study, it is recommended for conducting a pilot study to test the actual performance of AST in the Sarawak river or rivers with similar flow characteristics.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
في السنوات الأخيرة، كان هناك نمو في الاهتمام بتطوير توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة، وخاصة في التوربينات منخفضة الرأس. اكتسبت التوربينات منخفضة الرأس شعبية بسبب كفاءتها العالية وتكلفتها المنخفضة نسبيًا وقدرتها على العمل بمعدل تدفق منخفض وتأثيرها البيئي المنخفض. في هذا الجانب، يمكن أن تكون توربينات أرخميدس اللولبية (AST) هي المفتاح الأساسي لكهربة المنطقة الريفية في ساراواك، ماليزيا، المحاطة بالأنهار. تبدأ هذه الدراسة بتصميم مفاهيمي يعتمد على نتائج مراجعة الأدبيات. في نهاية المطاف، يتم بناء النموذج الأولي على نطاق صغير واختباره في المختبر. تم إعداد التجربة لمحاكاة سرعة نهر ساراواك الفعلية لتحديد العلاقة بين متغيرات الأداء الرئيسية مثل زاوية ميل AST وسرعة تدفق المياه. كشفت النتائج أن زاوية الميل 45درجة كانت الزاوية المثلى لـ AST داخل سرعة الماء من 1.0 م/ث حتى 1.5 م/ث. عند هذه الزاوية، كانت أعلى دورة في الدقيقة (RPM) ناتجة عن عمود AST هي 179.8، وكان أعلى عزم دوران مسجل هو 0.9 نيوتن متر. تم التحقق من صحة النتائج من خلال الوسائل الإحصائية. وجد أن كل من زاوية الميل وسرعة مياه النهر مهمة لتوليد عدد الدورات في الدقيقة وعزم الدوران (p < 0.05). تم إنشاء نموذجين إحصائيين بناءً على الانحدار الخطي لشرح مساهمة سرعة الماء وزاوية الميل كمدخلات لعزم الدوران و RPM كمخرجات، مع قيمة Pearson R2 أكثر من 60 ٪. يبلغ الحد الأقصى للطاقة الميكانيكية المتولدة حوالي 1.54 كيلو واط، مع كفاءة قصوى تبلغ 94.6 ٪. ستكون نتائج هذه الدراسة مفيدة لتصميم نظام صغير لتوليد الطاقة من خلال استخدام نهر منخفض التدفق (سرعة < 1.5 م/ث) كمصدر للطاقة. ستساهم هذه الدراسة في المخزون المعرفي الحالي لـ AST على نطاق صغير، في المقام الأول للعمل في الأنهار ذات سرعة التدفق المنخفضة. بالنسبة للدراسة المستقبلية، يوصى بإجراء دراسة تجريبية لاختبار الأداء الفعلي لـ AST في نهر ساراواك أو الأنهار ذات خصائص التدفق المماثلة.Translated Description (French)
Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour le développement de la production de micro-hydroélectricité, en particulier dans la turbine à basse tête. La turbine à basse pression a gagné en popularité en raison de son rendement élevé, de son coût relativement faible, de sa capacité à fonctionner à faible débit et de son faible impact sur l'environnement. À cet égard, la turbine à vis d'Archimède (AST) pourrait être la clé principale de l'électrification de la zone rurale du Sarawak, en Malaisie, qui est entourée de rivières. Cette étude commence par un plan conceptuel basé sur les résultats de la revue de la littérature. Finalement, le prototype à petite échelle est ensuite construit et testé en laboratoire. L'expérience est configurée pour simuler la vitesse réelle de la rivière Sarawak afin de déterminer la relation entre les variables de performance clés telles que l'angle d'inclinaison de l'AST et la vitesse d'écoulement de l'eau. Les résultats ont révélé que l'angle d'inclinaison de 45° était l'angle optimal de l'AST dans la vitesse de l'eau de 1,0 m/s jusqu'à 1,5 m/s. À cet angle, le tour par minute (TR/MIN) le plus élevé généré par l'arbre AST était de 179,8, et le couple le plus élevé enregistré était de 0,9 Nm. Les résultats ont été validés par des moyens statistiques. Il a été constaté que l'angle d'inclinaison et la vitesse de l'eau de la rivière sont significatifs pour le RÉGIME et la génération de couple (p < 0,05). Deux modèles statistiques ont été générés sur la base d'une régression linéaire pour expliquer la contribution de la vitesse de l'eau et de l'angle d'inclinaison en tant qu'entrées au couple et du RÉGIME en tant que sorties, avec une valeur de Pearson R2 supérieure à 60%. La puissance mécanique maximale générée est d'environ 1,54 kW, avec une efficacité maximale de 94,6 %. Le résultat de cette étude serait utile pour concevoir un système de production d'énergie AST à petite échelle en utilisant une rivière à faible débit (vitesse < 1,5 m/s) comme source d'énergie. Cette étude contribuerait au stock de connaissances existant sur les TSA à petite échelle, principalement pour fonctionner dans les rivières à faible vitesse d'écoulement. Pour la future étude, il est recommandé de mener une étude pilote pour tester la performance réelle de l'AST dans la rivière Sarawak ou des rivières ayant des caractéristiques d'écoulement similaires.Translated Description (Spanish)
En los últimos años, ha habido un crecimiento del interés en el desarrollo de la generación de energía microhidráulica, especialmente en la turbina de bajo cabezal. La turbina de bajo cabezal ganó popularidad debido a su alta eficiencia, coste relativamente bajo, capacidad para operar con bajo caudal y bajo impacto ambiental. En este aspecto, la turbina de tornillo de Arquímedes (AST) podría ser la clave principal para electrificar el área rural en Sarawak, Malasia, que está rodeada de ríos. Este estudio comienza con un diseño conceptual basado en los hallazgos de la revisión de la literatura. Finalmente, el prototipo a pequeña escala se está construyendo y probando en el laboratorio. El experimento está configurado para simular la velocidad real del río Sarawak para determinar la relación entre las variables clave de rendimiento, como el ángulo de inclinación de AST y la velocidad del flujo de agua. Los hallazgos revelaron que el ángulo de inclinación de 45° era el ángulo óptimo de AST dentro de la velocidad del agua de 1.0 m/s hasta 1.5 m/s. En este ángulo, la mayor revolución por minuto (RPM) generada por el eje AST fue de 179,8, y el par más alto registrado fue de 0,9 Nm. Los resultados fueron validados a través de medios estadísticos. Se encontró que tanto el ángulo de inclinación como la velocidad del agua del río son significativos para las RPM y la generación de torque (p < 0.05). Se generaron dos modelos estadísticos basados en regresión lineal para explicar la contribución de la velocidad del agua y el ángulo de inclinación como entradas al par y las RPM como salidas, con un valor de Pearson R2 superior al 60%. La potencia mecánica máxima generada es de aproximadamente 1,54 kW, con una eficiencia máxima del 94,6%. El resultado de este estudio sería útil para diseñar un sistema de generación de energía AST a pequeña escala utilizando un río de bajo caudal (velocidad < 1,5 m/s) como fuente de energía. Este estudio contribuiría al acervo de conocimiento existente de AST a pequeña escala, principalmente para operar en ríos de baja velocidad de flujo. Para el estudio futuro, se recomienda realizar un estudio piloto para probar el rendimiento real de AST en el río Sarawak o ríos con características de flujo similares.Files
84273.pdf.pdf
Files
(1.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7a4a5dbe4e12de77d084111e24cd9fbe
|
1.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نمذجة استخراج الطاقة من مياه التدفق منخفضة السرعة بواسطة توربين برغي أرخميدس صغير الحجم
- Translated title (French)
- Modélisation de l'extraction d'énergie à partir d'eau de cours d'eau à faible vitesse par turbine à vis d'Archimède à petite échelle
- Translated title (Spanish)
- Modelado de la extracción de energía del agua de la corriente de baja velocidad mediante la turbina de tornillo de Arquímedes a pequeña escala
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3157586480
- DOI
- 10.1016/j.jksues.2021.04.006
References
- https://openalex.org/W1501217648
- https://openalex.org/W1757243648
- https://openalex.org/W1870963173
- https://openalex.org/W1967642937
- https://openalex.org/W1979772055
- https://openalex.org/W2038164374
- https://openalex.org/W2042805058
- https://openalex.org/W2048828190
- https://openalex.org/W2117155730
- https://openalex.org/W2129398107
- https://openalex.org/W2310696028
- https://openalex.org/W2426803800
- https://openalex.org/W2604201858
- https://openalex.org/W2607148350
- https://openalex.org/W2739918191
- https://openalex.org/W2753469610
- https://openalex.org/W2756819815
- https://openalex.org/W2894315089
- https://openalex.org/W2895863293
- https://openalex.org/W2951756972
- https://openalex.org/W2965955818
- https://openalex.org/W3021476350
- https://openalex.org/W3083890349
- https://openalex.org/W3114157710
- https://openalex.org/W3172263811
- https://openalex.org/W4285719527