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

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.