Construction and experimental validation of a wind-tunnel scaled wind farm

In this thesis work, a purely experimental detailed description of an experimental campaign carried out at the Politecnico di Milano’s wind tunnel in relation to various scaled wind turbine models will be reported. The main objective of this study is to implement a system for conducting different wind tunnel experiments on the wake interaction between various turbines in a wind farm, on their control and optimisation. The impact of this study is twofold: on the one hand, it provides very detailed information on how a wind tunnel test system has been constructed and subjected to direct experimentation (from a mechanical and an electrical point of view); on the other hand, it allows the validation of several codes for numerical simulations. The aerodynamic performance of the various rotors (in terms of power and thrust coefficients) has been characterised individually; the expected theoretical trend is as expected, but clear differences have been found due to their different geometry. It has been shown that, in a three-machine array, the misalignment of the yaw angle of an upstream turbine or its abrupt shutdown leads to an increase in the performance of downstream turbines, both in terms of thrust force and aerodynamic power generated. Preliminary measurements have been carried out on the wake generated by a rotor, showing a significant wind speed deficit and an increase in the turbulence coefficient within it.

In questa tesi verrà riportata una descrizione dettagliata, puramente sperimentale, di una campagna di test condotti presso la galleria del vento del Politecnico di Milano in relazione a diversi modelli di turbine eoliche in scala. L'obiettivo principale di questo studio è quello di implementare un sistema per condurre diversi esperimenti in galleria del vento sull'interazione di scia tra le varie turbine di un parco eolico, sul loro controllo e sulla loro ottimizzazione. L'impatto di questo studio è duplice: da un lato, fornisce informazioni molto dettagliate su come un sistema di prova in galleria del vento è stato costruito e sottoposto a sperimentazione diretta (da un punto di vista meccanico ed elettrico); dall'altro, consente la validazione di diversi codici per simulazioni numeriche. Le prestazioni aerodinamiche dei vari rotori (in termini di coefficienti di potenza e di spinta) sono state caratterizzate singolarmente; l'andamento teorico è quello atteso, ma sono state riscontrate chiare differenze dovute alla loro diversa geometria. È stato dimostrato che, in una schiera di tre macchine, il disallineamento dell'angolo di imbardata di una turbina a monte o il suo brusco arresto portano a un aumento delle prestazioni delle turbine a valle, sia in termini di spinta che di potenza aerodinamica generata. Sono state effettuate misure preliminari sulla scia generata da un rotore, che hanno mostrato un significativo deficit di velocità del vento e un aumento del coefficiente di turbolenza al suo interno.