Optimized design of aerodynamic airfolis for vertical axis wind turbines

Abstract

Abstract The current world context demands a change towards environmentally friendly energy sources. Luckily, the interest on renewable energy sources has been constantly increasing over the past years. Nowadays, wind energy represents one of the most economical options, employing a totally mature harvesting technology. Due to their higher energy output, horizontal-axis wind turbines have been traditionally the preferred option. Nevertheless, vertical-axis wind turbines are becoming relevant, specially in urban areas. Their advantages evidence the need of further research to overcome the main drawbacks that prevent their implantation. The main objective of this thesis is the development of scientific-technological knowledge applicable to the design of optimized vertical-axis wind turbines. As an ultimate goal, transfer of this knowledge is foreseen to small and medium-sized enterprises. Firstly, a literature survey about wind power extraction systems has been performed, focusing afterwards in vertical-axis wind turbines, their advantages, disadvantages and research interest. Then, the design and analysis techniques applicable to vertical-axis wind turbines have been reviewed. Afterwards, an analytical model based on streamtube theory has been developed to predict the performance of prospective turbine designs, being able to predict the whole power curve in computational times in the order of minutes. The model has been used to analyze the influencing parameters in the turbine performance, proposing optimal values of these parameters and the optimal characteristics that an airfoil should possess to be suitable for practical applications of these turbines. Subsequently, the focus has been set on Computational Fluid Dynamics models for the study of the aerodynamic performance and the flow field developed by both a vertical-axis wind turbine and an isolate typical turbine airfoil. Guidelines for the numerical simulation of both turbines and airfoils are provided. Additionally, the main flow unsteadiness generation mechanisms, flow field regions and instabilities have been identified. Insight into the loss of performance of these turbines due to fluid dynamics phenomena has been also provided. Finally, all the generated knowledge has been applied to the design of a small-scale turbine model, developing a procedure for the in-house fabrication of turbine blades and an experimental procedure to estimate the aerodynamic performance of the turbine. Hot-wire measurements have been performed in the turbine wake. The experimental results have verified the methodologies developed in this thesis. Finally, the main findings and implications of this study are discussed, and future research possibilities are outlined. El contexto global actual demanda un cambio hacia fuentes de energía más respetuosas con el medio ambiente. Afortunadamente, el interés hacia fuentes de energía renovables ha estado aumentando de forma continua durante los últimos años. Hoy en día, la energía eólica representa una de las opciones más económicas, al utilizar una tecnología de aprovechamiento totalmente madura. Debido a su mayor producción de energía, las turbinas eólicas de eje horizontal han sido tradicionalmente la opción preferida. Sin embargo, las turbinas de eje vertical están ganando importancia, especialmente en entornos urbanos. Sus ventajas evidencian la necesidad de realizar un esfuerzo en investigación para superar las dificultades que impiden su proliferación. El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de conocimiento científico-tecnológico aplicable al diseño de turbinas eólicas de eje vertical optimizadas. Como fin último, se plantea la transferencia de este conocimiento a pequeñas y medianas empresas. Primero se ha realizado una revisión del estado del arte respecto a los sistemas de extracción de energía eólica, para después centrarse en las turbinas eólicas de eje vertical, sus ventajas, desventajas y el interés de su investigación. Después, se han revisado las técnicas de diseño y análisis aplicables a estas turbinas. Posteriormente, se ha desarrollado un modelo analítico basado en la teoría de tubos de corriente para predecir las prestaciones de distintos diseños de turbinas, siendo capaz de predecir la curva de potencia completa en tiempos computacionales del orden de minutos. El modelo se ha utilizado para analizar los parámetros que influyen en las prestaciones de estas turbinas, proponiendo valores óptimos de dichos parámetros y las características óptimas que un perfil aerodinámico debería poseer para ser utilizado en aplicaciones relacionadas con este tipo de turbinas. Más adelante, se ha centrado la investigación en modelos de Dinámica de Fluidos Computacional para estudiar las prestaciones aerodinámicas y el campo fluido generado por una turbina eólica de eje vertical y un perfil aislado, típico de esta clase de turbinas. Se han proporcionado indicaciones para la simulación numérica tanto de turbinas como de perfiles. Además, se han identificado los principales mecanismos de generación de inestabilidades en el flujo y las regiones e inestabilidades en el campo fluido. También se ha proporcionado una visión acerca de la pérdida de rendimiento de estas turbinas debido a fenómenos fluidodinámicos. Finalmente, todo el conocimiento generado se ha aplicado al diseño de un modelo a escala reducida de una turbina, desarrollando un procedimiento para la fabricación de las palas de la turbina y un procedimiento experimental para estimar el rendimiento aerodinámico de la turbina. Se han realizado medidas de anemometría térmica en la estela de la turbina. Los resultados experimentales han servido para verificar las metodologías desarrolladas en esta tesis. Finalmente, se discuten los principales resultados e implicaciones de este estudio, esbozando posibles líneas de investigación futuras.