Influence of site, turbine height and wind direction on the performance of vertical-axis wind turbines on model buildings

Abstract

Vindturbiner som opererer i det bygde miljøet er utsatt for lavere gjennomsnittshastigheter og høyere turbulente svingninger enn i åpent terreng. Likevel er det regioner rundt bygninger der strømmen blir akselerert og hvor det kan være gunstig å plassere en vindturbin. I dette arbeidet er en Savonius vindturbin plassert i et modellert bymiljø bestående av et kunstig gulv og to veggmonterte kuber med avstand på to kubehøyder, 2H. En parametrisk studie utføres for å bestemme idealposisjonen for å høste energi uavhengig av vindretningen. Dette gjøres ved å undersøke hvilken innvirkning ulike tilførselsvinkler har på effekten når to turbiner som er forhøyet forskjellig, er plassert i tre posisjoner på taket. Effekten beregnes ved å innhente data på estimert mekanisk dreiemoment og rotasjonshastighet. Det oppnås full effektkurver for fem innstrømningsvinkler, og enkeltoperasjonsmålinger utføres for finere diskretisering med tretten innstrømningsvinkler. Basert på gjennomsnittseffekten som er anskaffet over en full rotasjon, er det vist at midten på taket er det ideelle stedet å plassere den høyeste forhøyede turbinen som er undersøkt, og som spenner over 1.16 ≤ z/H ≤ 1.48, hvor z er høyden målt fra kunstgulvet. Gjennomsnittlig effektutbytte er omtrent 20% høyere enn effekten i en "ren strøm" uten kubene i denne posisjonen. Effekten er vist å være sensitiv til turbinhøyder, og den nedre monterte turbinen er mindre effektiv. Det observeres videre at nabokuben har en betydelig innvirkning på effekten som ekstraheres av turbinen på taket.

Wind turbines operating in the built environment are exposed to lower mean velocities and higher turbulent fluctuations than in open terrain. Still, there are regions around buildings where the flow is accelerated and where siting a wind turbine can be favourable. In this work, a wind turbine of the Savonius type is placed in a modeled urban environment consisting of an artificial floor and two wall-mounted cubes with a spacing of two cube heights, 2H. A parametric study is carried out to determine the ideal position to harvest energy independent of the wind direction. This is done by investigating the impact various inflow angles has on the power when two turbines that are elevated differently are sited in three positions. The power is calculated by acquiring data on the estimated mechanical torque and the rotational velocity. Full power curves are acquired for five inflow angles and single operation point measurements are conducted for the finer discretization with thirteen inflow angles. Based on the average power acquired over a full rotation, it is shown that the central position on the roof is the ideal location to site the highest elevated turbine examined, spanning 1.16 ≤ z/H ≤ 1.48, where z is the height from the artificial floor. The average power yield is about 20% higher than the power in a clean flow without the cubes at this position. The power is shown sensitive to turbine elevations, and the lower mounted turbine is less efficient. It is further observed that the neighbouring cube has a substantial effect on the power extracted by the wind turbines.