Design of small-scale H-shaped vertical axis wind turbines by applying an advanced double multiple streamtube model

The present work has been carried out with the objective of creating a mathematical tool for the design of small-scale vertical axis wind turbines, that could find application, for instance, in an urban environment. In the perspective of distributed generation, each building can be considered as a point of power generation, that, compared to the current scheme of centralized generation, could help in reducing the transmission and distribution losses (and costs) and improving the flexibility and the efficiency of the system. It could also be a great opportunity for a wide diffusion of devices that harness renewable energy, in particular from the sun and the wind. In such a conceptual framework, the availability of reliable tools that allow designing those devices is of fundamental importance. For the specific case, there are several approaches to the problem, and among them the momentum approach has been chosen, for its much greater computational efficiency. The state-of-the-art momentum model for the study of vertical axis wind turbines is called Double Multiple Streamtube (DMST), but in its base form it is not able to reproduce accurately the performance of those machines, especially the small-size ones. It is thus necessary to introduce empirical corrections to improve the compatibility with experimental data. A corrected model for the performance prediction of small-scale vertical axis wind turbines is the outcome of this work. Such a model will be validated with experimental data from test series performed at Politecnico di Milano, to prove its reliability. An additional “qualitative” experimental part about the setting up and the test of a prototype has also been carried out.

Il presente lavoro è stato sviluppo con l’obiettivo di creare uno strumento matematico per il progetto di turbine eoliche ad asse verticali di piccola taglia, che potrebbero trovare applicazione, per esempio, in un contesto urbano. In una prospettiva di generazione distribuita, ogni edificio può essere considerato un punto di generazione di potenza, il che, paragonato all’attuale schema di generazione centralizzata, potrebbe aiutare a ridurre le perdite (e costi) di trasmissione e distribuzione e migliorare la flessibilità del sistema. Potrebbe inoltre essere una grande opportunità per un’ampia diffusione di dispositivi che sfruttano energia rinnovabile, in particolare solare e eolica. In questo schema concettuale, la disponibilità di strumenti affidabili che permettano il progetto di questi dispositive è di fondamentale importanza. Per il caso specifico, esistono vari approcci al problema, e fra di essi è stato scelto quello di quantità di moto, per la sua efficienza computazionale molto più elevate. Il modello di quantità di moto che costituisce lo stato dell’arte è chiamato Double Multiple Streamtube (DMST), ma nella sua forma base non è capace di riprodurre accuratamente la performance di queste macchine, soprattutto quelle di piccole dimensioni. È quindi necessario introdurre correzioni empiriche per migliorare la compatibilità con I dati sperimentali. Un modello corretto per la previsione delle prestazioni di turbine eoliche ad asse verticale di piccola taglia è il prodotto di questo lavoro. Questo modello sarà poi validato con dati sperimentali di serie di test effettuati al Politecnico di Milano, per provare la sua affidabilità. È stato inoltre effettuato un test sperimentale “qualitativo” come primo approccio al problema pratico di impostare l’esperimento e testare un prototipo.