Aerogeneratori eolici ad asse verticale: analisi numerica, verifica sperimentale e messa a punto di un campo di prova per prototipi full-scale

This work is focused on drag driven vertical axis wind turbines. The study involved both experimental measurements and numerical analyses. The two methods are complementary: CFD analyses allow us gain an insight into the rotor's fluid dynamics that lead to energy production. The experimental measurements allow us to evaluate the elements that are difficult to put inside a numerical model. For this reason the two approaches have different aims. The experiments have been performed in a closed circuit wind tunnel. They investigate the configurations that could improve the performance of a given rotor. The numerical analyses were conducted to improve the flow field knowledge and to design new rotor's geometries. Both approaches started from a classic Savonius rotor equipped with semi-circular straight blades S-shaped, with end plates to replicate the two-dimensional effects of the numerical model. The performance were evaluated with CP-lambda plots, where CP is the Power coefficient and lambda is the rotation velocity versus wind speed ratio. The best experimental configuration correspond to the reference rotor with conveyor and deflector: its CP max was 0.3, with +25% gain with the respect of the reference rotor. CFD analyses have shown two best geometries: the classical Savonius without the central shaft and a new geometry defined as “reversed profile”. They have both a CP maximum around 0.29 without any external appendices. Finally an external test station was build up to perform experimental measurements on full-scale small wind turbines models. It is composed by a test station for prototypes, a 10 meters meteorological mast and a Sodar-Rass station. It was found that the site is characterized by local breezes blowing most of the year and a prevailing direction of 330 degrees. The external station is operational and an urban lamppost prototype supplied by wind energy and is currently the subject of experimental studies.

Il lavoro ha avuto come oggetto l'indagine sui rotori a resistenza ad asse verticale. L'approccio seguito ha coinvolto sia l'evidenza sperimentale che la modellazione numerica. I due approcci sono complementari: il modello numerico, mettendo alla luce le cause fluidodinamiche del meccanismo di conversione energetica, conduce alla definizione del rotore. I test sperimentali si sono occupati di elementi esterni al rotore e difficilmente ripetibili nel modello numerico. Per questo gli obiettivi si sono differenziati per i due approcci. Nei test sperimentali svolti in galleria del vento si è voluto determinare le configurazioni in grado di migliorare le prestazioni di un dato rotore. Nelle analisi numeriche si è studiato il campo di moto e quindi ipotizzate nuove geometrie rotoriche. Il rotore di riferimento per entrambi gli approcci è un Savonius “classico” a pale semicircolari dritte, con schermi di estremità per riprodurre la bidimensionalità del modello numerico. Le prestazioni sono valutate in curve CP-lambda; il primo è il coefficiente di Potenza, il secondo è il rapporto tra la velocità di rotazione e quella del flusso incidente. La configurazione sperimentale che risulta migliore è quella che adotta contemporaneamente schermi, convogliatore e deflettore. Il CP massimo vale 0.3, ossia +25% rispetto al riferimento. I risultati CFD hanno evidenziato due geometrie: il Savonius classico senza albero centrale e un modello definito “a profilo invertito”. Per entrambi il CP massimo vale circa 0.29 senza l’utilizzo di appendici esterne. Infine è stata realizzata una postazione di prova all'esterno per test su modelli full-scale di sistemi alimentati da fonte eolica. Essa è composta da una piazzola per i prototipi, una torre meteorologica di 10 metri e una postazione Sodar-Rass. E’ emerso che il sito è caratterizzato da brezze locali per gran parte dell'anno e una direzione prevalente di 330 gradi. La postazione esterna è funzionante e attualmente un primo prototipo di lampione eolico è oggetto di studi sperimentali.