Conceptual design of a micro-scale horizontal axis wind turbine integrated in the sustainable electrification of a rural village in Grand Mitsio Island

Gran Mitsio is an island (GMI) in Northern Madagascar where, as part of my Alta Scuola Politecnica curriculum, I collaborated on the multidisciplinary project ENVAO with the objective of kick-starting the sustainable electrification process for the rural village of Ampanitsoha. This thesis has been conceived as a follow-up to the ENVAO activity and aims at developing the conceptual design of a micro-scale horizontal axis wind turbine (HAWT) , relying only on easily accessible car spare parts to be locally realised and maintained. Following an initial background of the GMI context, an anemological analysis characterising the wind resource on the intervention area is detailed by demonstrating how the measured average low wind speeds are anyway exploitable to meet the inhabitants’ primary energy needs. After this preliminary research, an algorithm exploiting the Blade Element Momentum (BEM) theory is proposed to design and assess the power performances of two main blade geometries: the first consists in a constant chord and fixed stagger angle (CCFS) geometry which is more easily manufacturable compared to the second one characterised by a twisted and tapered (TT) geometry. Different HAWT configurations are obtained varying the blade profile staggering, the radial chord linearisation, the design tip-speed ratio and the number of blades. Among all the resultant cases, the configuration with CCFS blades displaying the best power performance registers a power coefficient (CP) of 0.29, whereas the best one employing TT blades reaches a value of 0.37 owing to its more efficient aerodynamic design. Subsequently, the strength assessments on the blade and wind tower sections identifies two HAWT configurations as the most optimal trade-offs between power performances and mechanical strength. The design process continues with the experimental characterisation of a car alternator aiming at developing an original control logic supported by a new regulation circuit to optimally coupling its power curve with the wind ones obtained from the BEM simulations. The results obtained from the experimental tests on the modified field electrical circuit composed of a magnetic pickup and two transistors in Darlington connection points out the efficient power coupling with the HAWT. The conceptual designs of a braking system based on the use of a synchroniser extracted from a car gearbox and an orientation system realised with a car-trunk gas spring conclude the whole design process. The manuscript is visually supported by CAD drawings highlighting the arrangement of the employed spare parts and offering interesting insights for possible future developments.

Gran Mitsio è un’isola situata nel Nord del Madagascar dove, durante il mio percorso in Alta Scuola Politecnica, ho collaborato al progetto multidisciplinare ENVAO con l'obiettivo di avviare un processo di elettrificazione sostenibile per il villaggio rurale di Ampanitsoha. Questa tesi è stata concepita come un follow-up dell’attività di ENVAO e mira a sviluppare il design concettuale di una microturbina eolica ad asse orizzontale, basandosi unicamente su pezzi di ricambio automobilistici facilmente reperibili al fine di poter essere localmente realizzata e manutenuta. Dopo un’iniziale introduzione sul contesto dell’isola di Grand Mitsio, un’analisi anemologica volta a caratterizzare la risorsa ventosa dell'area d’intervento dimostra come le basse velocità medie del vento possano comunque essere sfruttate per soddisfare i bisogni primari di energia degli abitanti. In seguito a questa ricerca preliminare, viene proposto un algoritmo basato sulla teoria Blade Element Momentum (BEM) per progettare e valutare le prestazioni di potenza di due principali geometrie di pala: la prima consiste in una pala a corda e calettamento costante, più facile da realizzare rispetto alla seconda caratterizzata da una geometria rastremata e svergolata. Variando il calettamento del profilo di pala, la linearizzazione radiale di corda, il tip-speed ratio di progetto e il numero di pale sono state ottenute diverse configurazioni di generatore eolico. Tra queste, la configurazione con pale a corda e calettamento costante con le migliori prestazioni di potenza presenta un coefficiente di potenza (CP) di 0.29, mentre la migliore con pale rastremate e svergolate raggiunge un valore di 0.37 grazie al suo design aerodinamico più efficiente. Successivamente, le verifiche di resistenza sulle sezioni del longherone e della torre eolica identificano due nuove configurazioni di generatore eolico come compromesso ottimale tra prestazioni di potenza e resistenza meccanica. La progettazione prosegue con la caratterizzazione sperimentale di un alternatore automobilistico volta a sviluppare un’originale logica di regolazione supportata da un nuovo circuito di controllo in grado di accoppiare in modo ottimale la relativa curva di potenza con quelle eoliche ottenute dalle simulazioni BEM. I risultati sperimentali di un circuito di eccitazione modificato composto da un pick-up magnetico e due transistor in configurazione Darlington evidenziano un efficiente accoppiamento di potenza con il generatore eolico. Il lavoro si conclude con il design concettuale di un sistema frenante basato sull’utilizzo di un sincronizzatore estratto dal cambio di un’automobile e quello di un sistema di orientamento realizzato con una molla a gas del bagagliaio di un’auto. Il manoscritto è supportato da disegni CAD che evidenziano l'accoppiamento dei pezzi di ricambio impiegati e offrono spunti interessanti per possibili sviluppi futuri.