CFD study of the performance of a mini-wind turbine for energy supply in rural areas

Abstract

This project consists in the study of the performance, during the startup phase, of a micro-wind turbine, the IT-PE-100, designed by Soluciones Prácticas-ITDG for private household energy supply. This 100 W wind turbine generates electrical energy by extracting part of the kinetic energy of the wind, and is aimed to satisfy the basic energy requirements for family housings located in remote rural areas. Particularly, the main objective of this project is to determine the behavior of the rotor and the tail vane of the micro-wind turbine during the startup for a set of predetermined wind incidence angles and speeds. These wind conditions have been defined according to the wind patterns of a rural area in the Alto Perú, which were provided by the UPC's research group called Grup de Recerca en Cooperació i Desenvolupament Humà (GRECDH). After a comprehensive study accomplished by Carlos Sánchez [5], the wind intensities assigned for the simulations of the micro-wind turbine were 3.63, 6.42 and 7.44 m/s. The incidence angles established for performing the simulations were 0º, 10º, 20º and 30º. Therefore, twelve different wind conditions have been taken into account to implement the simulations. In order to carry out this study, GRECDH, which contributes to sustainable development through the research and application of the appropriate technologies, provided us with a CAD file of the micro-wind turbine design. Then, this CAD geometry has been adapted, meshed and prepared using Gambit software for its posterior Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. The stationary simulations of the micro-wind turbine for all the aforementioned wind conditions have been carried out using Fluent software, which enables to obtain the forces produced on the model along the three axes of the coordinate system, as well as contour graphs for the desired physical properties, such as velocity, pressure or density. The obtained results mainly include a study of the lateral forces, torque and thrust force produced on the micro-wind turbine, as well as an analysis of the shear forces acting on its tower.

Éste proyecto consiste en el estudio de las prestaciones, durante la fase de arrancada, de un micro-aerogenerador, el IT-PE100, diseñado por Soluciones Prácticas-ITDG para el suministro eléctrico domestico. El aerogenerador de 100 W produce energía eléctrica mediante la extracción de parte de la energía cinética del viento y se pretende que satisfaga los requerimientos básicos de energía para hogares localizados en áreas rurales remotas. Particularmente, el principal objetivo del proyecto es determinar el comportamiento del rotor y de la veleta del micro-aerogenerador durante el arranque para una serie de ángulos de incidencia y velocidades predeterminados. Éstas condiciones de viento han sido definidas de acuerdo con las del área rural de Alto Perú, proporcionados por el Grup de Recerca en Cooperació i Desenvolupament Humà (GRECDH) de la UPC. Después de un exhaustivo estudio llevado a cabo por Carlos Sánchez [5], las intensidades de viento asignadas a la simulación del micro-aerogenerador fueron de 3.63, 6.42 y 7.44 m/s. Por otro lado, los ángulos de incidencia establecidos han sido de 0º, 10º, 20º y 30º. Por lo tanto, se han considerado un total de 12 casos de simulación posibles. Para llevar a cabo el estudio, GRECDH, que contribuye a un desarrollo sostenible a través de la investigación y aplicación de la tecnologías adecuadas, nos ha provisto de un archivo CAD con el diseño del microaerogenerador. A continuación, la geometría CAD ha sido adaptada, mallada y preparada mediante el software Gambit para su posterior análisis de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). La simulación estacionaria del microaerogenerador para todas la configuraciones de viento anteriormente mencionadas ha sido llevada a cabo con el uso del software Fluent, que permite obtener tanto la fuerzas producidas en el modelo a lo largo de los 3 ejes como los gráficos de contorno de las propiedades físicas deseadas, como por ejemplo la velocidad, la presión o la densidad. Los resultados obtenidos incluyen un estudio de las fuerzas laterales, el par de giro y la fuerza de empuje producida en el micro-aerogenerador, así como un análisis de las fuerzas cortantes que actúan en la torre de soporte.