Design and experimental tests of a cm-scale wind turbine for energy harvesting applications

The purpose of the present research is the realization of a working prototype to be installed on freight train to power a wireless sensor node for structural diagnosis. The work deals with the modelling, designing and comparison of a centimeter wind turbine energy harvester. This cm-scale turbine is able to generate mechanical energy from the relative wind flow seen by the train while it is moving in still air. In the first part of the analysis the simple BEM model predicts the best airfoil shape numerically designed and its performance in terms of power and power coefficient. After, considerations on the imposed constraints are validated based by the final application. Furthermore, numerical performances are provided for the airfoil designed cm-scale turbine together with results regarding corrections applied on the numerical code to obtained convergence. Based on the conclusions of the analysis three prototypes are derived. Then, experimental tests are performed in wind tunnel facility for the open field and confined flow operational configurations and performance results are presented, interpreted and compared between prototypes.

Lo scopo del presente lavoro è realizzare un prototipo di recupero energetico da montare a bordo di treni merci per finalità diagnostiche. La trattazione documenta il processo realizzativo a partire dallo sviluppo del modello analitico, la sua analisi e validazione. Tramite la struttura delle pale, la turbina centimetrica è in grado di recuperare energia dal vento incidente che provoca un movimento rotatorio del rotore la cui energia meccanica viene convertita nel generatore in energia elettrica usufruibile. Soggetto della prima parte della ricerca è lo sviluppo del modello BEM in grado di generare profili alari ottimizzati, basati su input dati in ingresso al codice numerico, e prevederne le performance in termini di potenza ed efficienza. In seguito sono esaminati gli obbiettivi e soprattutto i vincoli dovuti all’applicazione finale del sistema di recupero energetico. Inoltre sono esaminate le modifiche apportare al codice numerico affinché arrivi convergenza. Da conclusioni basate sulle analisi ne sono derivati tre prototipi. Infine vengono esaminati test sperimentali in galleria del vento in condizioni di campo aperto e turbina intubata, destinata all’applicazione finale; i cui risultati sono discussi e comparati.