ROSE – Innovative rotor design of a new airborne wind power system

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501823

Key words (English)

Lighter-Than-Air Turbine, Wing, Kite, Blade, Bionic Rotor

Short description (English)

At several hundred meters above ground level, wind currents are stronger and much more consistent than those close to the ground. To harvest strong wind power at that elevation, a buoyant gas aerostat is used to lift up an electrical generator. Denoted by “Lighter-Than-Air (LTA) wind power turbine”, the system hovers in the sky and sends electricity through a cable-tether connection to the earth. A new LTA wind turbine concept is introduced by Zarawind, Winterthur-based spin-off ZHAW Zürich University of Applied Sciences. The efficiency of this concept comes from the fact that it maintains the airborne system stationary operating at high altitude with an efficient harvesting of the strong wind power. Among many others, this technology is advantageous due to the applicable
deployment of the efficient buoyant airborne system in the wide economic areas of the high-altitude strong-winds. This promotes potential exploitation of this technology as an eco-friendly, cost-effective and scalable power source in off-grid zones. In this research project, we characterize the aerodynamics of an innovative blade concept for LTA wind power turbine, we study the influences of the geometry on the performance of the new wind power rotor, we analyze the durability of rotor's materials. The research tasks combine numerical simulations, material tests, model constructions, wind tunnel experiments, and engineering design-analysis works. Obtained results should facilitate evaluation the system efficiency and developing a guideline design of a new prototype..

Short description (French)

À plusieurs centaines de mètres d'altitude dans le ciel, les courants de vent sont plus forts et beaucoup plus réguliers que ceux qui sont proches du niveau du sol. Pour récolter la forte énergie du vent à cette altitude, un aérostat à gaz flottant est utilisé pour soulever un générateur électrique. Désigné par "éolienne plus légère que l'air", le système flotte dans le ciel et envoie l'électricité à la terre via un câble de connexion. Un nouveau concept d'éolien aéroporté est ainsi introduit par Zarawind, une spin-off de la ZHAW, l'université des sciences appliquées de Zürich, basée à Winterthur. L'efficacité de ce concept vient du fait qu'il maintient le système aéroporté en position stationnaire à haute altitude en assurant une récolte efficace de la forte énergie éolienne. En raison de son applicabilité presque partout dans de vastes zones économiques de vents forts à hautes altitudes, une potentielle exploitation de cette technologie est prévue comme une source d'énergie écologique, rentable et mise à échelle dans des zones hors réseau d'électricité. Dans ce projet de
recherche, une caractérisation aérodynamique d'un concept de pale de rotor novatrice est introduite. Les influences de la géométrie sont étudiées et les propriétés des matériaux sont analysées en vue de développer la performance et la durabilité d’une éolienne aéroportée plus légère que l'air. Les
tâches de la recherche combinent des simulations numériques, des tests de matériaux, des constructions de modèles, des expériences en soufflerie et des travaux de conception-analyse d'ingénierie. Les résultats obtenus devraient faciliter l'évaluation de l'efficacité du système et d’élaborer une ligne directrice pour une implantation d'un nouveau prototype.

Final report (English)

At several hundred meters above ground level, wind currents are stronger and much more consistent than those close to the ground. To harvest strong wind power at that elevation, a buoyant gas aerostat is used to lift up an electrical generator. Denoted by “Lighter-Than-Air (LTA) wind power turbine”, the system hovers in the sky and sends electricity through a cable-tether connection to the earth. A new LTA wind turbine concept is introduced by Zarawind, Winterthur-based spin-off ZHAW Zurich University of Applied Sciences. The efficiency of this concept comes from the fact that it maintains the airborne system stationary operating at high altitude with an efficient harvesting of the strong wind power. Among many others, this technology is advantageous due to the applicable deployment of the efficient buoyant airborne system in the wide economic areas of the high-altitude strong-winds. This promotes potential exploitation of this technology as an eco-friendly, cost-effective and scalable power source in off-grid zones. In this research project, we characterize the aerodynamics of an innovative blade concept for LTA wind power turbine, we study the influences of the geometry on the performance of the new wind power rotor, we analyze the durability of rotor's materials. The research tasks combine numerical simulations, material tests, model constructions, wind tunnel experiments, and engineering design-analysis works. Obtained results should facilitate evaluation the system efficiency and developing a guideline design of a new prototype.

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• Final Report ROSE LTA [PDF] 1'629 kB

Final report (French)

A plusieurs centaines de metres d'altitude dans le ciel, les courants de vent sont plus forts et beaucoup plus reguliers que ceux qui sont proches du niveau du sol. Pour recolter la forte energie du vent a cette altitude, un aerostat a gaz flottant est utilise pour soulever un generateur electrique. Designe par "eolienne plus legere que l'air", le systeme flotte dans le ciel et envoie l'electricite a la terre via un cable de connexion. Un nouveau concept d'eolien aeroporte est ainsi introduit par Zarawind, une spin-off de la ZHAW, l'universite des sciences appliquees de Zurich, basee a Winterthur. L'efficacite de ce concept vient du fait qu'il maintient le systeme aeroporte en position stationnaire a haute altitude en assurant une recolte efficace de la forte energie eolienne. En raison de son applicabilite presque partout dans de vastes zones economiques de vents forts a hautes altitudes, une potentielle exploitation de cette technologie est prevue comme une source d'energie ecologique, rentable et mise a echelle dans des zones hors reseau d'electricite. Dans ce projet de recherche, une caracterisation aerodynamique d'un concept de pale de rotor novatrice est introduite. Les influences de la geometrie sont etudiees et les proprietes des materiaux sont analysees en vue de developper la performance et la durabilite d’une eolienne aeroportee plus legere que l'air. Les taches de la recherche combinent des simulations numeriques, des tests de materiaux, des constructions de modeles, des experiences en soufflerie et des travaux de conception-analyse d'ingenierie. Les resultats obtenus devraient faciliter l'evaluation de l'efficacite du systeme et d’elaborer une ligne directrice pour une implantation d'un nouveau prototype.