Wind turbine performance and flow field measurements in a modeled urban environment

Wind energy is one of the best renewable sources at the present. While the exploitation of wind in open-terrain condition is a well-known technology, other markets are growing up, such as the offshore and the urban location. The urban environment, which is the argument of this thesis, in comparison with the open terrain conditions is characterized by a low mean wind speed, a high turbulence and strong fluctuations. All these aspects result in a complex flow field which is case by case dependent. Built environment is not suited for large turbines, instead it is more interesting to study the possible installation of Small Wind Turbine (SWT). The development of this market is attractive because it will delete all the drawbacks related to the distribution of electricity since the power is extracted next to the devices to supply. This thesis focuses the attention on the understanding of how flow field in urban environment is affected by the presence of a wind turbine mounted on the top of buildings and how the turbine performances change in different positions. The experiments were performed in a wind tunnel and it is divided into two main measurements, the velocity vector map, which is obtained by means of the PIV method and the mechanical power, calculated by the measures of the rotational speed and of the torque. While the rotational speed is simply obtained with a photo-transistor located next to the turbine shaft, the mechanical torque is derived by the measurement of the current generated by a DC generator coupled axially to the turbine shaft. To obtain the power characteristic curve of the turbine a speed regulation is performed by means of a MOSFET. The urban environment is modelled with two cubes of 10 cm height (H) in tandem configuration respect the streamwise direction with a distance of 2 H. The turbine was mounted on the top facade in three different locations (front, centre, back) for each cube. The PIV measurements consist in the calculation of velocity vectors based on the correlation of two images acquired with high resolution cameras. A laser is shot from above the wind tunnel and simultaneously two cameras takes the picture of a target area from the side of the tunnel. The two frames are taken with a very short time gap (μs) and inside the flow are added lots of micro particles of smoke, which helps the correlation of the two images. By this method, the velocity vector map is obtained and other information are then calculated in the post process, such as the Turbulent Kinetic Energy (TKE) content and the vorticity presence. To have a clear understanding of such a complex environment like the urban one, is important to adopt different methodology such as CFD simulation, wind tunnel experiments, direct measurements or statistical approach. That’s why the measurements of the turbine performances and the flow field characterization by means of PIV technology are both essential. The turbine adopted in the experiments was a 3D printed Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) with a Savonius design, which is characterized by a drag-driven working principle. It was elevated of 0.1 H from the top of the cube and the rotor had a height of 0.3 H and a diameter of 0.4 H. As the turbine presence affects the flow field, a first PIV measurement was made without the turbine to have a reference flow field caused by the only presence of the cubes, this has been used as comparison for all the other cases. The flow field of two cubes in tandem configuration is characterized by a stagnation zone in front of the upstream cube, a large horseshoe vortex in the intra-obstacle region and a smaller one behind the downstream cube. On the top of the first cube a big recirculation region is generated starting from the leading edge; this region is characterized by a reverse wind speed and a high turbulence level. Above this recirculation bubble a region of over-speed occurs, where the wind velocity reach the 10% of increase compared to the freestream value. For the turbine located on the upstream cube the results show that the front and the centre positions are both suitable for the installation. While the images of the velocity vector map obtained by the PIV would suggest that the front location is the better because the turbine is not fully submersed in the recirculation bubble above described, the power measurements reveal a comparable power extraction of the centre location. This is due to the delay in the recirculation zone generation caused by the blockage effect induced by the turbine, this delay results in a lower turbulence of the inflow condition of the rotor. For the turbine mounted on the top of the downstream cube both the PIV and the power measurement show that the best location is the farther from the leading edge of the cube, thus the back position. There, the influence of the inter-cubes horseshoe vortex is considerably negligible and the turbine has the highest power output. The other locations (centre and front) can be considered still in the wake of the upstream cube and thus, the performances are affected. We can state that for a general building independently if it is in windward or leeward condition, the turbine placed in the centre location can give good result in terms of power production. With a more specific indication the wind turbine can be placed on the leading edge if the building faces directly the wind flow, otherwise the turbine can be located next to the trailing edge if the building is in the wake of an upstream one. Further studies can be focused on the adoption of different types of turbine in shape or locations or in the development of a three-dimensional velocity vector map.

L’energia eolica può essere considerata una delle migliori soluzioni attuali per un’economia sostenibile. Le turbine eoliche solo una tecnologia all’avanguardia, tuttavia altri mercati legati all’eolico stanno emergendo, come l’offshore e l’ambiente urbano. L’ambiente cittadino, che è argomento di questa tesi, rispetto alle condizioni rurali in cui sono generalmente installate le turbine eoliche, è caratterizzato da una bassa velocità media del vento, da un’alta turbolenza e da forti variazioni del vento. Tutti questi aspetti si traducono in un flusso molto complesso che deve essere trattato caso per caso. L’ambiente cittadino non è adatto a turbine di grand dimensioni, è invece più interessante studiare la possibilità di installazioni di turbine eoliche di piccole dimensioni (SWT). L’interesse nello sviluppo di questo mercato è legato all’eliminazione di costi e perdite dovute alla distribuzione dell’elettricità, poiché la potenza viene prodotta direttamente nel luogo di consumo. Questa tesi è focalizzata sulla comprensione di come il flusso in ambiente urbano sia influenzato dalla presenza di una turbina eolica montata sopra un edificio e di come varino le prestazioni della turbina in diverse posizioni. Gli esperimenti sono stati eseguiti nella galleria del vento e si dividono in due misurazioni principali, la caratterizzazione del flusso tramite il metodo di PIV e la misura della potenza meccanica, ottenuta dalle misure della velocità di rotazione e della coppia. Mentre la velocità di rotazione è calcolata grazie a un fototransistor post vicino all’albero della turbina, la coppia meccanica è derivata dalla misura della corrente elettrica generata da un motore a corrente continua accoppiato assialmente all’albero della turbina. La turbina è caratterizzata dalla curva caratteristica ottenuta con la regolazione della velocità di rotazione tramite l’utilizzo di un MOSFET. L’ambiente urbano è semplificato con due cubi di 10 cm di altezza (H) distanziati di 2 H e posizionati in linea rispetto alla direzione del flusso. La turbina è montata sulla facciata superiore in tre posizioni differenti (anteriore, centrale, posteriore) per ciascun cubo. Il PIV consiste nel calcolo dei vettori di velocità sulla base della correlazione di due immagini acquisite con fotocamere ad alta risoluzione. Un laser viene emesso da sopra la galleria del vento e contemporaneamente due fotocamere scattano due foto dal lato della galleria. I due fotogrammi vengono scattati con un intervallo molto breve (μs) e nella galleria vengono aggiunte delle particelle micrometriche di fumo che servono a migliorare la correlazione dei due fotogrammi. Con questo metodo si ottiene il campo di moto della velocità, da cui si calcolano poi successivamente atre grandezze, come il contenuto di energia cinetica legata alla turbolenza (TKE) e la vorticità. Per avere una chiara comprensione di un ambiente così complesso come quello urbano, è importante utilizzare diversi metodi come la simulazione tramite CFD, gli esperimenti in galleria del vento, le misurazioni dirette o algoritmi statistici. Questo spiega l’importanza di ottenere sia le misurazioni delle prestazioni della turbina, sia la caratterizzazione del campo di moto tramite PIV. La turbina utilizzata negli esperimenti è una turbina ad asse verticale (VAWT) stampata 3D con un design Savonius, caratterizzato da un principio di funzionamento a Drag. La turbina è posizionata ha un’altezza di 0.3 H e un diametro di 0.4 H ed è elevata rispetto alla superficie del cubo di 0.1 H. Poiché la presenza della turbina influisce sulle condizioni del campo di moto, è stata eseguita una prima misurazione tramite PIV dei cubi senza la turbina per poter avere un campo di moto come riferimento per gli esperimenti seguenti. Questa configurazione viene utilizzata quindi come confronto per gli altri casi. Il campo di moto di due cubi in linea è caratterizzato da una zona di “stagnazione” davanti al primo cubo, un vortice a forma di ferro di cavallo si genera tra i due cubi e uno più piccolo dietro al secondo cubo. Sopra il cubo sopravento si crea una zona di separazione a partire dallo spigolo frontale del primo cubo; questa regione è caratterizzata da un flusso in direzione contraria e da un alto livello di turbolenza. Sopra questa bolla di separazione si manifesta una zona di accelerazione del flusso dove la velocità aumenta del 10% rispetto alla velocità indisturbata. Per la turbina posizionata sul cubo a monte, i risultati mostrano che la posizione anteriore e quella centrale sono entrambe valide. Mentre le immagini del campo di moto ottenute dal PIV suggerirebbe che la posizione d’avanti è migliore poiché la turbina non è completamente immersa nella bolla di ricircolo sopra descritta, la misura della potenza rivela che la posizione centrale è altrettanto efficiente. Ciò è dovuto al ritardo nella generazione della zona di ricircolo dovuto al blockage effect causato dalla turbina, questo ritardo si traduce in una minore turbolenza del flusso incidente sul rotore. Per la turbina posizionata sul cubo a valle, sia il PIV che la misurazione della potenza mostrano che la posizione migliore è la più distante dal bordo anteriore del cubo, cioè la posizione posteriore. Lì, l’influenza del vortice generato tra i due cubi può essere considerata trascurabile e la turbina estrae la massima potenza. Le altre posizioni (frontale e centrale) possono essere considerate ancora nella scia del cubo a monte e quindi le prestazioni ne risentono. Possiamo quindi affermare che in generale per un edificio, indipendentemente dalla posizione rispetto al vento, la turbina posizionata al centro può dare buoni risultati in termini di produzione di energia. Con indicazioni più precise la turbina eolica può essere posizionata sul bordo frontale se l’edificio è direttamente investito dal vento, altrimenti può essere posizionata vicino al bordo posteriore se l’edificio è in scia di un’altra costruzione a monte. Studi futuri si possono concentrare sull’uso di turbine differenti nella forma o nelle posizioni di installazione o nello sviluppo di un campo di moto tridimensionale.