Analisi numerica delle prestazioni di una micro-turbina eolica ad asse verticale modello darrieus

This paper presents a model for the evaluation of energy performance and aerodynamic forces acting on a small vertical axis Darrieus wind turbine. It consists of an analytical code coupled to a solid modeling software, capable of generating the desired blade geometry depending on the desired design geometric parameters, which is linked to a finite volume CFD code for the calculation of rotor performance. A complete validation work based on wind tunnel measurements has been conducted. The experimental setup consisted in a classical vertical-bladed Darrieus wind turbine made of aluminium and carbon fibres, using a NACA 0021 blade profile with a chord length of 85.8 mm, which was tested in Bovisa’s low turbulence facility (Milan). The optimal spatial discretization has been achieved by analyzing the trends of some indicators of the quality of the mesh, i.e. the average value of the y+ parameter and its asymmetry. After describing and validating the model with experimental data, the results of numerical simulations are proposed on the bases of three different turbulence models (k-omega SST, k-epsilon Realizable and Spalart-Allmaras). The performance of the DU 06-W-200 blade profile was then analyzed and was compared with the performance of a classical NACA 0021 profile. The analysis led to the determination of the power coefficient for eight different tip speed ratios. The comparison between the two rotor operating curves showed that the DU 06-W-200 produces a slightly higher performance than the NACA 0021. A subsequent analysis on the NACA 0021 profile showed that the translation of blade-spoke connection does not involve significant changes in the overall rotor performance. Finally, three technical solutions for tip effects reduction were analyzed: an end plate, aeronautical winglets and an elliptical end. The application of an end plate dramatically improves the performance of the original model. The application of a winglet is quite delicate: if properly implemented, it can produce a significant increase in rotor performance, but an incorrect implementation causes very bad rotor performance. In particular, a proper execution can greatly improve the performance of the original model if the rotor operates in turbulent winds. The application of an elliptical end resulted in a decrease of rotor performance, but the analysis was limited to a single model. This will require further investigation through the modification of the elliptical profile in order to test the effect of blade tip geometry on rotor performance.

Nel presente lavoro vengono analizzati numericamente alcuni aspetti del funzionamento di una microturbina ad asse verticale modello Darrieus. Dapprima è stata condotta una campagna di validazione delle analisi numeriche tramite il sistematico confronto con le rilevazioni sperimentali condotte in galleria del vento. La discretizzazione spaziale ottimale è stata ottenuta analizzando l’andamento nell’arco di una rotazione di alcuni indicatori della qualità della mesh, ovvero il valore medio dell’y+ e la relativa asimmetria. Sono stati sviluppati due gruppi di mesh, caratterizzati da valori di y+ pari a 30 ed a 1. La scelta del modello di turbolenza, basata su dati di letteratura e su confronti numerici con le rilevazioni sperimentali condotte in galleria del vento, ha portato all’utilizzo del modello k-ω SST per le mesh caratterizzate da y+ pari a 30 e del modello k-ε Realizable per le mesh caratterizzate da y+ unitario. Si è proceduto a stimare l’influenza degli effetti d’estremità palari e del contributo frenante sulla generazione di coppia e si è infine messo a confronto con successo la curva del coefficiente di potenza determinata numericamente con quella rilevata sperimentalmente in galleria del vento. Successivamente è stato analizzato l’impiego del profilo palare DU 06-W-200, confrontandone le prestazioni rispetto ad un classico profilo NACA 0021. L’analisi svolta ha portato alla determinazione del coefficiente di potenza per otto distinti regimi di rotazione: è stata quindi tracciata la curva caratteristica del rotore per una velocità della vena fluida incidente pari a 9 m/s. Il confronto fra le curve di funzionamento dei due rotori ha evidenziato come per elevati valori del rapporto di velocità periferica il profilo DU 06-W-200 determinasse una prestazione leggermente superiore rispetto al NACA 0021. Una successiva analisi condotta unicamente sul profilo NACA 0021 ha evidenziato come la traslazione del punto di innesto della razza nel profilo palare dalla mezzeria al quarto di corda non comportasse significative variazioni nell’efficienza complessiva del rotore. Infine sono state analizzate tre tipologie di soluzioni tecniche volte alla riduzione degli effetti d’estremità: una paratia aerodinamica, una winglet ed un’estremità ellittica. L’applicazione di una paratia aerodinamica migliora nettamente le prestazioni del modello originale. L’applicazione di una winglet risulta piuttosto delicata: se realizzata correttamente, è in grado di produrre un sensibile aumento delle prestazioni del rotore, ma una errata realizzazione comporta il decadimento delle prestazioni del rotore stesso, che risultano inferiori rispetto al modello originario, privo di appendici palari. In particolare, una corretta esecuzione determina un incremento di prestazioni superiore al 10% nella parte sottovento di funzionamento del profilo palare. Tale condizione di funzionamento è peraltro caratteristica di una microturbina che, essendo posizionata su una torre di altezza modesta, opera all’interno dello strato limite atmosferico: non è pertanto da escludere che una winglet realizzata correttamente possa migliorare notevolmente le prestazioni del profilo palare anche nel funzionamento sopravento, se il rotore opera in condizioni di forte turbolenza atmosferica. L’applicazione di un’estremità ellittica ha prodotto una riduzione delle prestazioni del rotore, tuttavia l’analisi si è limitata ad un solo modello. Si rende pertanto necessario approfondire l’indagine tramite la modifica del profilo ellittico, al fine di testare l’effetto della geometria della terminazione palare sulle prestazioni del rotore.