Innovative and efficiENT electrical generation systems: nUmerical and experimental analysis of micro wind turbines for the italian urban context

Questa tesi analizza le prestazioni di micro turbine eoliche (potenza elettrica generata minore di 50 kW), sia verticali che orizzontali, integrate con l'edificio, con l'obiettivo principale di valutarne la potenziale applicabilità e gli impatti ai fini della conversione di energia eolica in energia elettrica in contesti urbani italiani e norvegesi. Lo studio è stato condotto principalmente tramite analisi numeriche mediante il software di simulazione dinamica TRNSYS, ampiamente utilizzato nella letteratura scientifica di settore. Le analisi sono state condotte al variare delle condizioni al contorno (tecnologie e modelli di turbine eoliche, profili di domanda elettrica, condizioni climatiche, banche dati climatici, integrazione di batterie, ecc). In particolare, è stato fornito un elenco completo e aggiornato di oltre 200 modelli di turbine eoliche orizzontali e verticali su piccola scala disponibili in commercio; sono state analizzate quattro turbine eoliche ad asse verticale e due ad asse orizzontale; sono state prese in considerazione tre tipologie edilizie tipiche (una singola casa unifamiliare, un gruppo di utenze composto da cinque case unifamiliari, e un singolo ufficio); cinque città in Italia (Milano, Alghero, Roma, Palermo, Napoli) e tre città in Norvegia (Tromsø, Karasjok, Bergen) sono state ipotizzate come siti di installazione per le turbine eoliche selezionate; sono stati utilizzati tre diversi database climatici; sono state prese in considerazione due diverse batterie di diversa capacità. I risultati delle simulazioni sono stati analizzati dal punto di vista energetico, ambientale ed economico, mediante l’utilizzo di indicatori usualmente adottati nella letteratura scientifica di settore. Nel corso dell'attività di ricerca sono stati anche condotti test sperimentali presso la "Norwegian University of Science and Technology (NTNU)" in Norvegia, dove sono stati testati modelli 3D in scala ridotta di micro turbine commerciali ad asse verticale in condizioni di vento controllate. Inoltre, una turbina eolica commerciale è stata progettata e modellata in maniera tale da poterla assemblare e disassemblare a casa propria, mediante un manuale di montaggio specificatamente sviluppato.

This thesis focuses on the performance of building-integrated micro wind turbines (electric output lower than 50 kW), both vertical and horizontal, with the main aim of assessing their potential and suitability for converting wind energy into electricity in urban environments of Italy and Norway. The TRNSYS dynamic simulation program, which is often used in scientific literature, was primarily employed in the study's numerical methodology. The boundary conditions (wind turbines technologies and models, electric demand profiles, climatic conditions, climate databases, battery integration, etc.) were varied. In particular, a complete and updated list of more than 200 commercially available small-scale horizontal and vertical wind turbine models is provided; four vertical axis and two horizontal axis wind turbines have been analysed; three typical different building typologies (a single-family dwelling, a small district consisting of five single-family dwellings, as well as a single office) have been considered; five cities in Italy (Milan, Alghero, Rome, Palermo, Naples) and three cities in Norway (Tromsø, Karasjok, Bergen) have been assumed as installation sites for the selected wind turbines; three climatic databases have been used; two different batteries of different capacity have been taken into account. The simulation results were analysed from energy, environmental, and economic points of view by using key performance indicators well-known in the scientific literature. This research also includes experimental tests carried out at the "Norwegian University of Science and Technology (NTNU)" in Norway, where 3D scaled-down commercial vertical axis micro turbine models were tested under controlled wind conditions. Additionally, a commercial micro wind turbine has been redesigned and modelled in order to be assembled or disassembled at home by means of a specifically-developed assembly manual.