Institutional Project FESB

O projektu

PHS-VAWT

Pučinski hibridni sustavi s obnovljivim izvorima energije bazirani na vjetroturbinama s vertikalnom osi

Projekt PHS-VAWT istražuje inovativnih vertikalnih vjetroturbina (VAWT) u pučinskim (engl. offshore) okruženjima te integraciju u sustav s solarnim panelima. Uključuje primjenu numeričke i eksperimente analize VAWT-ova, s težištem na hibridne turbine koje su kombinacija Darriues i Savonius tipa. Numerička analiza će se temeljiti na RANS i LES modelima turbulencije, gdje se mogu modelirati uvjeti specifični za pučinske sustave. Eksperimentalna analiza uključuje testiranja u postojećem vjetrotunelu a predviđa se i nadogradnja za testiranja pri većem Reynolds broju. Korištenjem RANS-LES modela analizirat će se interakcije između VAWT-ova u tandemskim postavima, s ciljem povećanja iskorištenja energije kroz proturotirajuće konfiguracije. Pučinsko okruženje uključuje analizu i optimizaciju platforme s hidrodinamičkom stabilnošću. S obzirom da se predviđa korištenje vjetroturbina u sustavima koji kombiniraju energiju vjetra s energijom sunca, razmatrat će se i algoritmi za upravljanje i skladištenje energije, kao i elektrokemijski sustavi pohrane i pretvorbe energije (baterije i vodikove tehnologije, tj. elektrolizatori, gorivni članci i elektrokemijski kompresori) u svrhu povećanja ukupne učinkovitosti cijelog sustava. Projektom se razvija digitalna platforma za sinergijsko upravljanje energijom iz različitih obnovljivih izvora, integrirajući podatke o vjetru, valovima i sunčevom zračenju. Očekivani rezultati uključuju povećanje ukupne efikasnosti hibridnih energetskih sustava te unaprjeđenje otpornosti na ekstremne uvjete, pa tako i produljenje trajnosti pojedinih komponenti. Rezultati će biti primjenjivi u obalnim područjima Republike Hrvatske i Mediterana, doprinoseći ciljevima zelene tranzicije i energetske samodostatnosti.

Ciljevi

Ciljevi projekta

Glavni cilj projekta je razvoj inovativnog pučinskog sustava koji kombinira vertikalne vjetroturbine (VAWT) i solarne panele kako bi se povećala energetska efikasnost, smanjili operativni troškovi i osigurala otpornost na ekstremne uvjete, pa tako i produljenje trajnosti pojedinih komponenti sustava.

Ciljevi:

- Povećanje učinkovitosti osamljenih hibridnih VAWT-ova koji su kombinacija Savonius i Darrieus tipa VAWT za specifičnu pučinsku lokaciju opisanu s distribucijom brzina vjetra na godišnjoj razini (Tehnološki napredak).

- Povećanje iskorištenja energije hibridnih pučinskih sustava kroz optimizaciju interakcija hibridnih (Savonius-Darries) VAWT-ova i upravljanje sustavom u kombinaciji s solarnim panelima i pohranom energije (Tehnološki napredak).

- Razvoj konceptualnog rješenja za mali sustav (potencijalno u suradnji s tvrtkama kao što su Brodosplit i AdriaWinch) za testiranje prototipova hibridnih turbina (Darrieus-Savonius konfiguracija) u realnim uvjetima Jadrana (Suradnja s gospodarstvom).

- Kreiranje digitalne platforme za upravljanje energijom unutar hibridnog sustava s integracijom AI algoritama (Digitalna tranzicija).

Mjerljivi pokazatelji:

- Znanstveni doprinos: Objava 5+ radova u Scopus/WoS časopisima iz područja energije i obnovljivih izvora, mehanike fluida, mehanike i pučinske obnovljive energije.

- Prijava 1+ nacionalna projekta (HRZZ) i 1 međunarodni projekt (Horizon Europe).

Radni paketi

WP1

Analiza samopokretanja i doprinos Savonius-a VAWT sustavu

Integracija Savonius turbine u hibridni sustav s Darrieus turbinom ključno rješava problem samostartnosti Darrieus tipa pri niskim brzinama vjetra. Kao drag-based rotor, Savonius komponenta generira visoki početni okretni moment pri vršnom omjeru brzine vrtnje (tip speed ratio, TSR) < 2, što omogućuje samostalno pokretanje sustava bez vanjskih pogonskih mehanizama. Prema studiji Chegini et al. (2023), hibridna konfiguracija povećava koeficijent snage (Cₚ) za 26% pri minimalnom TSR od 1.45, eliminirajući "mrtvu zonu" Darrieus turbine. Prema studiji Ghafoorian et al. (2025), hibridna kombinacija povećava koeficijent snage (Cₚ) za 67% pri TSR = 1.4, dok statički momentni koeficijent (Cₘ) raste s ˗0.05 (Darrieus solo) na pozitivne vrijednosti, omogućujući samostart bez vanjskog pogona. Ovo se postiže sinergijom između Savoniusove sposobnosti generiranja pozitivnog momenta na svim azimutnim kutovima i Darrieusove efikasnosti pri visokim TSR-ovima. Iako interakcija vrtložnih struktura između Savonius i Darrieus rotora smanjuje ukupnu efikasnost hibrida pri TSR > 3 (zbog von Karmanovih vrtloga iza Savonius lopatica), sinergija omogućuje rad u širem spektru brzina vjetra, kritičnom za uvjete s čestim fluktuacijama. Hibridni dizajn tako povećava pouzdanost sustava u pučinskim okruženjima, omogućujući iskorištavanje niskih brzina vjetra kao i u slučajevima naglih promjena brzine vjetra. Ovaj projekt će se fokusirati na dizajn specifičan za odabrano područje, uzimajući u obzir godišnju distribuciju brzine vjetra na odabranoj lokaciji na Jadranskom moru.

WP2

Interakcija između VAWT-ova

Prvi cilj projekta je istražiti i optimizirati aerodinamičke interakcije između vertikalnih vjetroturbina (VAWT) u pučinskim okruženjima, s fokusom na smanjenje utjecaja wake efekata (turbulentnih tragova) te povećanje ukupne energetske efikasnosti hibridnog sustava. Kroz primjenu hibridnih RANS-LES numeričkih modela, analizirat će se dinamika proturotirajućih konfiguracija hibridnih turbina (kombinacija Darrieus i Savonius tipova) u tandemskim postavkama. Eksperimentalna validacija u vjetrotunelu FESB-a omogućit će verifikaciju CFD rezultata, posebno u kontekstu rekonstrukcije 3D oblika turbina i utjecaja smjera vrtnje na vortex shedding (otpadne vrtloge). Očekuje se da će proturotirajući raspored, u kombinaciji s optimiziranim razmakom turbina (Sₓ/Sy = 5D/3D), smanjiti aerodinamičke gubitke u wake zoni za 20–30%, što će rezultirati povećanjem snage nizvjetrenih turbina. Ovo je već poznato iz prethodnih radova, inovacija je primjena Darrieus-Savonius hibridnih turbina koje poboljšavaju samopokretanje. Ovaj pristup ne samo da će unaprijediti gustoću energije u pučinskih sustavima, već je cilj i smanjiti mehanička opterećenja na konstrukcije, što je ključno za održivost u pučinskim uvjetima, a razmotrit će se i različite mogućnosti spremanja energije s aspekta trajnosti, te integracije i upravljanja unutar hibridnog sustava.

WP3

Analiza naprezanja kompozitnih i metalnih lopatica

Za analizu naprezanja, potrebno je poznavati sile koje djeluju na lopatice, dakle prvo je potrebna eksperimentalna i numerička analiza strujanja. Ovo se može koristiti za nadalje ispitati mehaničko ponašanje lopatica kroz naprednu numeričku analizu naprezanja u ANSYS Workbench okruženju, s fokusom na kompozitne materijale s konstantnom i varijabilnom debljinom. Za kompozitne strukture koristit će se modeli progresivnog loma uz iterativnu optimizaciju rasporeda slojeva (0°/±45°/90°) za smanjenje koncentracije naprezanja u korijenu lopatice. Usporedbom s aluminijskim i čeličnim lopticama konstantne debljine analizirat će se kompromis između specifične krutosti (E/ρ), otpornosti na cikličko zamor (S-N krivulje) i korozijske izdržljivosti u simuliranom morskom okruženju. Varijabilna debljina kompozita potencijalno će omogućit redukciju mase uz istovremeno povećanje kritičnog kritičnog torzijskog momenta u odnosu na metalne ekvivalente, što je ključno za pučinske primjene s povećanim dinamičkim opterećenjima. Ova analiza bit će integralno povezana s FSI (Fluid-Structure Interaction) simulacijama radi veze između strukturalne krutosti i utjecaja na aerodinamička svojstva.

WP4

Upravljanje hibridnim sustavom korištenjem metoda umjetne inteligencije

Za optimizaciju sinergije između komponenti hibridnog sustava (koji se sastoji od vjetroturbine, solarnih panela i sustava za pohranu i pretvorbu energije) razvijat će se modeli za prediktivno upravljanje energijom. Neuronske mreže će se trenirati na dostupnim stvarnim (povijesnim ) podacima o brzini vjetra i sunčevom zračenju, te potrošnji energije i trenutnom stanju uređaja za elektrokemijsku pohranu i pretvorbu energije (npr. baterija, elektrolizatora i gorivnih članaka) kako bi se predvidjele kratkoročne fluktuacije u proizvodnji i potražnji za energijom. Modeli će dinamički optimizirati raspodjelu energije između VAWT turbina, PV panela i elektrokemijskih sustava za pohranu i pretvorbu energije, uz eksplicitno uzimanje u obzir i njihove degradacije performansi s vremenom. Model za upravljanje sustavom će se temeljiti na nadogradnji prethodnog modela iz Tomić et al. (2023), s dodanim specifičnostima pučinske proizvodnje. Neuralna mreža za upravljanje sustavom će se bazirati na Long Short-Term Memory (LSTM), koje se mogu trenirati na višemodalnim povijesnim podacima koji uključuju: profil brzine vjetra na različitim visinama, spektralnu distribuciju sunčevog zračenja, potrošnju korisnika i druge prikladne podatke. Ovako razvijeno upravljanje može produljiti životni vijek elektrokemijskih sustava za pohranu i pretvorbu energije, ali i smanjiti ukupni trošak proizvedene energije.

WP5

Valo-dinamičke zavjesice za primjenu u hibridnim sustavima

Cilj je procijeniti energiju valova za odabrane lokacije koristeći postojeće podatke i napredne metodologije procjene resursa (Izadparast i Niedzwecki, 2011). Analizirat će se postojeća rješenja za hibridne sustave, s naglaskom na sinergiju valnih zavjesica s plutajućim vjetroturbinama, uključujući optimizaciju učinka u realnim uvjetima (Zhou et al., 2025). Numeričke simulacije (CFD) i eksperimentalna istraživanja provest će se za validaciju odabranih konfiguracija, nakon čega slijedi izrada i ispitivanje prototipova.

Projektni tim

Voditelj projekta: izv. prof. dr. sc. Ivo Marinić-Kragić

izv. prof. dr. sc. Ivo Marinić-Kragić

Voditelj projekta

Ivan Pivac

Istraživač

Vjekoslav Tvrdić

Istraživač

Dario Ban

Istraživač

Martina Bašić

Istraživačica

Branka Bužančić Primorac

Istraživačica

Vedrana Cvitanić

Istraživačica

Maja Džoja

Istraživačica

Anđela Džoja

Istraživačica

Luka Nikolić

Istraživač

Damir Sedlar

Istraživač

Ivan Tomac

Istraživač

Frane Vlak

Istraživač

Damir Vučina

Istraživač

Marko Vukasović

Istraživač

Kontakt

Za sve upite vezane uz projekt PHS-VAWT, molimo kontaktirajte voditelja projekta:

izv. prof. dr. sc. Ivo Marinić-Kragić Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilište u Splitu Ruđera Boškovića 32, 21000 Split, Hrvatska

E-pošta: Ivo.Marinic-Kragic@fesb.hr