Experimental Development and Optimization of a Fabric-Based Savonius Wind Turbine Rotor = 섬유 기반 사보니우스 풍력 로터의 실험적 개발 및 성능 최적화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation investigates the upcycling of waste polyester fabrics, especially PVC-coated banners, into rotor blades for Savonius type vertical axis wind turbines (VAWTs). With the increasing urgency of climate change mitigation and the demand for distributed, low-cost renewable energy solutions, the reuse of industrial textile waste presents a compelling opportunity. The proposed approach integrates sustainable material reuse with engineering innovation, targeting the development of a low-speed, omnidirectional wind turbine suitable for urban and remote applications.
Extensive wind tunnel testing was conducted using modular rotor prototypes fabricated with different upcycled materials, including tent fabric, banner sheets, and ABS plastic as a control. Key design parameters, such as the overlap ratio (OLR), end plate configuration, and helical stacking offset angles (60 and 90), were systematically varied to study their effects on aerodynamic performance, particularly the power coefficient (Cp) and torque coefficient (Ct).
The findings indicate that while the flexible nature of fabric surfaces induces minor shape fluctuations, their impact on turbine performance remains negligible. Furthermore, design modifications using upcycled fabric structures (e.g., fabric-based end plates or adjustable overlap ratios) enable significant performance enhancements—up to 25% improvement in Cp—without increasing weight or manufacturing complexity. The best performing configuration achieved Cp values of 0.112 under optimal helical and end plate designs. The modular design allows for scalable fabrication and rapid field deployment using simple tools.
The proposed fabric Savonius rotor system demonstrates the feasibility of combining environmental stewardship with low-cost clean energy production. It supports global sustainability goals, including SDG 7 (Affordable and Clean Energy) and SDG 12 (Responsible Consumption and Production), and presents an innovative pathway for advancing community-based wind energy technologies.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 사용이 종료된 폐기 폴리에스터 섬유, 특히 PVC 코팅된 현수막을 활용하여 Savonius형 수직축 풍력터빈(VAWT)의 로터 블레이드로 재활용하는 새로운 개념을 제시한다. 기후 변화 대응 및 분산형 에너지 보급의 필요성이 증가함에 따라, 산업용 섬유 폐기물의 재활용은 지속가능한 에너지 기술로의 전환을 위한 매우 유망한 수단으로 부상하고 있다. 본 연구는 자원 순환과 공학적 혁신을 결합하여, 도심 및 개발도상국에서 활용 가능한 저속 풍력 시스템을 구현하고자 하였다.
이를 위해 텐트 천, 현수막, 그리고 ABS 플라스틱을 이용하여 모듈형 로터를 제작하고 풍동 실험을 수행하였다. 설계 변수로는 겹침 비율(OLR), 상하단 커버(end plate), 그리고 모듈의 적층 각도(60도 및 90도 헬리컬 구조)를 다양하게 조정하여 공력 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 직물의 유연성으로 인한 형상 변동은 실제 성능에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 오히려 구조적 개선을 통해 최대 출력 계수(Cp)는 최대 25%까지 향상될 수 있었다.
특히, 엔드 플레이트를 직물로 대체하거나 OLR을 최적화함으로써 추가적인 비용 증가 없이도 성능 향상을 도모할 수 있었고, 헬리컬 구조의 적층 방식은 출력 변동성을 줄이고 내구성을 높이는 데 기여하였다. 최적의 조합에서는 Cp 값이 0.112에 도달하였다.
이와 같은 직물 기반 Savonius 로터 시스템은 자원 순환경제 실현과 동시에 비용 효율적이며 신속한 설치 및 유지보수가 가능하다는 장점을 갖는다. 이는 UN의 지속가능발전목표(SDGs) 중 SDG 7번(에너지 접근성 확보) 및 SDG 12번(책임 있는 소비와 생산)에 부합하는 기술로, 지역사회 중심의 풍력 에너지 확산을 위한 새로운 해법을 제시하였다

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Research Gap and Problem Definition 4
• 1.3 Objective and Scope 9
• 2 Upcycling Waste Fabric into a Savonius VAWT 14
• 2.1 Fabrication of a Savonius Rotor Using Fabric 14
• 2.2 Modular Rotor Design and Assemble 16
• 2.3 Rotor Design Variations 22
• 2.3.1 Basic Rotor Configuration 25
• 2.3.2 Rotor with Optimized Overlap Ratio (OLR) 26
• 2.3.3 Rotor with Fabric End Plates 29
• 2.3.4 Helical Rotor Assembly Using Modular Units 30
• 3 Experimental Setup for Performance Evaluation 35
• 3.1 Wind Tunnel Test Setup 35
• 3.2 Performance Calculation Methodology 38
• 4 Wind Tunnel Test Results 41
• 4.1 Results of Basic Rotor Configuration 41
• 4.1.1 Power Performance of the Basic Rotor 41
• 4.1.2 Impact of Fabric Fluctuation and Materials 47
• 4.2 Performance with Varying Overlap Ratios 66
• 4.2.1 Performance Trends Across Different OLRs 66
• 4.2.2 Theoretical Analysis of OLR Influence 67
• 4.2.3 Advantages of OLR Tuning Using Fabric 68
• 4.2.4 Summary of OLR-Based Performance Gains 68
• 4.2.5 MultiWind Speed Comparison of OLR Effects 73
• 4.2.6 Azimuthal Power Variation for Different OLRs 75
• 4.3 Performance of Rotor with Fabric End Plate 79
• 4.3.1 Comparison of Cp with and without End Plate 79
• 4.3.2 Azimuthal Cp with Fabric End Plate 79
• 4.4 Performance of Helical Rotor Configurations 87
• 4.4.1 Concept of Helical Savonius Rotor 87
• 4.4.2 Performance of 2 and 3-Stage Rotors 89
• 4.4.3 Performance Enhancement of 2-Stage Rotor 96
• 4.4.4 Performance Enhancement of 3-Stage Rotor 104
• 4.5 CFD analysis azimutal torque behavior 111
• 4.5.1 Simulation Methodology 111
• 4.5.2 Flow Field Characteristics 111
• 5 Discussion and Conclusion 117
• 5.1 Discussion of Key Findings 117
• 5.2 Conclusion and Implications 120
• Bibliography 123