Horizontal and vertical axis wind turbine engineering models, enhancement for windfarm wake simulation

The wake of a single wind turbine is by itself a complex flow field, but for a wind farm, the interactions of the wakes of all the rotors must be accounted as well. Control methods should investigate the different alternative for improving the power production of the whole farm, mainly, by manipulating the properties of the interaction medium, the wakes. FLOw Redirection and Induction in Steady-State FLORIS is a useful and reliable software that uses engineering models for comprehending the behavior of a multiple wind turbine wakes flow field for HAWTs. Additionally, FLORIS is reviewed in detail, including a comparison between both versions of the software: the one written in Python and FLORISSE M written in MATLAB®. For this, a 2x1 wind farm with DTU 10MW turbines was used. In this thesis, two different routines are proposed for determining the values of pP and pT, for enabling the use of simpler inputs. Additionally, adjustments to the Jimenez and Zones models are implemented for a correct tilt consideration, achieving the same wake behavior vertically and horizontally. The most significant contribution is to the power distribution, by the proper consideration of the sign of the thrust angle. Vertical-axis wind turbines present very attractive performance characteristics but extremely complicated aerodynamics. Therefore, research is still needed in this field. In this thesis, we propose a wake model for vertical-axis wind turbines in upright and tilted conditions. Using the engineering models similar to horizontal-axis turbines, we provided a wake model that can estimate the normalized the wake velocity deficits of an H-rotor ansolated vertical-axis wind turbine. There is also demand for analyzing tilted Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) for the emerging applications like VAWTs operating on the Floating Axis Wind Turbine (FAWT) functioning in the deep sea, and so on. Possible applications of the proposed engineering models have been discussed including the reasons for getting a higher power coefficient in tilted condition. It is observed that in the case of tilted configuration the wake stream shifts downward, and this could lead to effective sea surface utilization in floating offshore wind farms. Information on costs of small urban wind turbines has been collected from manufacturers, installers, government agencies, and urban wind turbine owners. For large machines, the DOE/NREL scaling model is used to project the cost of wind turbine components and subsystems for different sizes and configurations of components. In terms of costs, horizontal axis wind turbines (HAWTs) are currently far cheaper than vertical axis wind turbines (VAWTs) and have better energy yield. However, HAWTs presents three particular issues, noise, vibration, and safety, which arise less frequently with VAWTs. Although improving the economics of the technology is necessary and feasible, in the meantime the industry can rely on other incentives such as improving environmental and educational awareness in achieving green electricity production and CO2 emission reduction targets to stimulate the market.

La scia di una singola turbina eolica è di per sé un campo di flusso complesso, ma per un parco eolico le interazioni di anche i risvegli di tutti i rotori devono essere considerati. I metodi di controllo dovrebbero studiare le diverse alternative per migliorare la produzione di energia dell'intera fattoria, principalmente, manipolando le proprietà dell'interazione medio, il risveglio. FLOw reindirizzamento e induzione allo stato stazionario - FLORIS è un software utile e affidabile che utilizza modelli di ingegneria per comprendere il comportamento di una turbina eolica multipla risveglia il campo di flusso per HAWT. Inoltre, FLORIS viene esaminato in dettaglio, incluso un confronto tra entrambe le versioni del software: quello scritto in Python e FLORISSE M scritto in MATLAB®. Per questo un parco eolico 2x1 con turbine DTU da 10 MW era usato. In questa tesi, vengono proposte due diverse routine per determinare i valori di pP e pT, per consentire l'uso di input più semplici. Inoltre, le modifiche ai modelli Jimenez e Zones sono implementate per un corretto inclinare la considerazione, ottenendo lo stesso comportamento di veglia in verticale e in orizzontale. Il contributo più significativo è alla distribuzione della potenza, prendendo in considerazione il segno dell'angolo di spinta. Turbine eoliche ad asse verticale presentano caratteristiche prestazionali molto interessanti ma un'aerodinamica estremamente complicata. Pertanto, la ricerca è ancora necessario in questo campo. In questa tesi, proponiamo un modello di scia per turbine eoliche ad asse verticale in verticale e inclinato condizioni. Utilizzando i modelli di ingegneria simili alle turbine ad asse orizzontale, abbiamo fornito un modello di scia che può stimare deficit di velocità di scia normalizzati di una turbina eolica isolata ad asse verticale con rotore H. C'è anche una domanda per l'analisi del generatore eolico ad asse verticale inclinato (VAWT) per le applicazioni emergenti come i VAWT che operano su Turbina eolica ad asse galleggiante (FAWT) funzionante in acque profonde e così via. Possibili applicazioni della proposta sono stati discussi modelli di ingegneria tra cui le ragioni per ottenere un coefficiente di potenza più elevato in condizioni inclinate. Si osserva che, in caso di configurazione inclinata, il flusso di scia si sposta verso il basso e ciò potrebbe portare all'efficacia utilizzo della superficie del mare in parchi eolici offshore galleggianti. Le informazioni sui costi delle piccole turbine eoliche urbane sono state raccolti da produttori, installatori, agenzie governative e proprietari di turbine eoliche urbane. Per macchine di grandi dimensioni, il modello di ridimensionamento DOE / NREL viene utilizzato per proiettare i costi dei componenti e dei sottosistemi delle turbine eoliche per diversi dimensioni e configurazioni dei componenti. In termini di costi, le turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT) sono attualmente lontane più economico delle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) e con un migliore rendimento energetico. Tuttavia, i HAWT ne presentano tre problemi particolari, rumore, vibrazioni e sicurezza, che sorgono meno frequentemente con i VAWT. Anche se migliorando il l'economia della tecnologia è necessaria e fattibile, nel frattempo l'industria può fare affidamento su altri incentivi come migliorare la consapevolezza ambientale ed educativa e raggiungere la produzione di elettricità verde e CO2 obiettivi di riduzione delle emissioni per stimolare il mercato.