Proof of concept of a lift-type pico vertical axis wind turbine for low wind conditions
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Resumen en inglés
This undergraduate thesis document presents an investigation into the development of a proof-of-concept pico-scale Vertical Axis Wind Turbine (P-VAWT) for operation under low wind conditions. First the expected operating conditions were defined according to the available resources at the fluid mechanics laboratory at Universidad del Valle. An analytical model was coded and validated by literature results to pre-dimension a model turbine based on the imposed requirements, four rotor configurations were proposed for characterization. An experimental setup was planned and put in place including a flow conditioning duct to manage the air going to the turbine and a test bench to mount and measure the power output of the VAWT. The rotor configurations were tested, obtaining their torque and power output as well as their dimensionless performance metrics and their characteristic curves. The experimental results were verified against the analytical model. The findings show the data from testing followed the general trends predicted by the model. It was possible to get really low power coefficient results with an acceptable level of percentage of error propagation considering the limitations in precision from the measuring instruments. Overall, this work presents a structured methodology for developing small scale wind turbines with the scope for future scaling, a code for pre-dimensioning and evaluating VAWTs based on the Double Multiple Streamtube model and a robust experimental setup capable of getting measurements of really low power outputs with a reasonable level of error propagation.
Resumen en español
Este documento de tesis de pregrado presenta una investigación sobre el desarrollo de un prototipo a escala pico de una Turbina Eólica de Eje Vertical (P-VAWT) para operar bajo condiciones de bajo viento. Primero se definieron las condiciones de operación esperadas de acuerdo con los recursos disponibles en el laboratorio de mecánica de fluidos de la Universidad del Valle. Se codificó un modelo analítico y se validó mediante resultados de la literatura para pre-dimensionar un modelo de turbina basado en los requisitos impuestos, se propusieron cuatro configuraciones de rotor para su caracterización. Se planificó y se implementó un montaje experimental que incluye un conducto de acondicionamiento de flujo para gestionar el aire que entra a la turbina y un banco de pruebas para montar y medir la potencia de salida de la VAWT. Las configuraciones de rotor fueron probadas, obteniendo su torque y potencia de salida, así como sus métricas de desempeño adimensionales y sus curvas características. Los resultados experimentales fueron verificados frente al modelo analítico. Los hallazgos muestran que los datos de las pruebas siguieron las tendencias generales predichas por el modelo. Fue posible obtener resultados de coeficiente de potencia realmente bajos con un nivel aceptable de porcentaje de propagación del error considerando las limitaciones en la precisión de los instrumentos de medición. En general, este trabajo presenta una metodología estructurada para el desarrollo de turbinas eólicas a pequeña escala con alcance para un futuro escalamiento, un código para el pre-dimensionamiento y evaluación de VAWT basado en el modelo Double Multiple Streamtube y un montaje experimental robusto capaz de obtener mediciones de salidas de potencia realmente bajas con un nivel razonable de propagación del error.