CFD analysis of H-Darrieus turbines for hydrokinetic applications

The present thesis aims at proposing an accurate performance analysis of hydrokinetic vertical axis turbines, with particular focus on multiple turbines configurations in channel. As over the last few years, renewable energy sources got more and more attention from the energy industry, mainly due to pollution effects on global climate and the overall electricity demand increment, the hydrokinetic research effort started considering energy sources on a smaller scale, such as vertical axis turbines in rivers or existing channels. These machines design is an inheritance from the wind energy industry, where the not satisfactory efficiencies and the overall technology costs prevented them from emerging as a competitive industrial alternative. This work considers the specific H-type Darrieus turbines design, firstly patented by Georges Jean Marie Darrieus in 1926 for wind applications. As confirmed by recent literature from the wind field, this type of machines generally benefits from close distance arrangement, making it a promising opportunity for exploiting unconventional energy sources with limited available space. The following analysis hence considers two different counter rotating configurations, where the rotation centres of two closely spaced H-Darrieus turbines are arranged along the same cross-stream coordinate in a channel. The performances analysis was carried out exploiting the CFD open source software OpenFOAM. Thanks to its built-in applications and utilities and to the customizability offered by the software package, it was possible to employ properly built meshes and solvers for each considered case study, granting a satisfactory accuracy level for the simulations results. The post processing stage was instead carried out using the Matlab software, which allowed an efficient elaboration of the simulations data. This thesis results prove that, thanks to the reciprocal influence which the generated flow fields have on each other, multiple turbines configurations can actually perform better than the isolated turbine configuration, and, when introduced in a realistic scenario, vertical axis hydrokinetic turbines represent a solid addition to the already consolidated renewable energy technologies.

Il presente lavoro di tesi mira a proporre un’accurata analisi delle prestazioni relative a turbine idrocinetiche ad asse verticale, con particolare attenzione a configurazioni caratterizzate da turbine multiple posizionate all’interno di un canale. A causa degli effetti dell’inquinamento atmosferico esercitati sul clima e del continuo incremento della richiesta energetica globale, nel corso degli ultimi anni le fonti rinnovabili hanno acquisito sempre più importanza nell’industria energetica; conseguentemente, la ricerca scientifica legata al settore idrocinetico ha iniziato a considerare l’utilizzo di turbine ad asse verticale in fiumi o canali come fonte energetica su scala ridotta. Queste macchine derivano dall’industria eolica, dove le efficienze non soddisfacenti e i costi generali legati alla tecnologia non hanno permesso a questi dispositivi di emergere come valide alternative. Nello specifico questo studio considera le turbine di tipo H-Darrieus, brevettate da Georges Jean Marie Darrieus nel 1926 per applicazioni eoliche. Come confermato dalla letteratura più recente, queste macchine traggono beneficio da configurazioni che le vedono poste a distanza ridotta l’una dall’altra, dando luogo ad una promettente opportunità di sfruttare sorgenti energetiche non convenzionali con poco spazio a disposizione. L’analisi riportata in questa sede prende in considerazione due differenti configurazioni di turbine controrotanti di tipo H-Darrieus all’interno di un canale, con i centri di rotazione posizionati a distanze ridotte lungo lo stesso piano ortogonale al flusso. L’analisi delle prestazioni è stata portata termine sfruttando il software open source OpenFOAM per il calcolo CFD. Grazie alle utilities integrate e all’ampia possibilità di personalizzazione offerti dal software, è stato possibile procedere con la costruzione di mesh e l’implementazione di solvers specifici per ogni caso soggetto allo studio, garantendo un soddisfacente livello di precisione nei risultati ottenuti. La fase di post-processing è stata invece sviluppata tramite l’utilizzo del software Matlab, che ha permesso un’efficiente elaborazione dei dati provenienti dalle simulazioni. I risultati ottenuti provano che, grazie alla reciproca influenza generata dai flussi, le configurazioni con turbine multiple possono raggiungere livelli di resa superiori a quelle singole e, se introdotte in uno scenario realistico, le turbine idrocinetiche ad asse verticale sono in grado di rappresentare una solida aggiunta alle già consolidate tecnologie rinnovabili.