Urban wind energy

246 Pages·2015·14.43 MB·English

URBAN WIND ENERGY: EMPIRICAL
OPTIMIZATION OF HIGH-RISE
BUILDING ROOF SHAPE FOR THE
WIND ENERGY EXPLOITATION
Ph.D. THESIS
Francisco Toja Silva
Escuela TØcnica Superior de Ingenieros AeronÆuticos
Universidad PolitØcnica de Madrid
2015
i
TEX S v.1.0.
This document is prepared to be printed on both sides.
URBAN WIND ENERGY:
EMPIRICAL OPTIMIZATION OF
HIGH-RISE BUILDING ROOF
SHAPE FOR THE WIND
ENERGY EXPLOITATION
A Thesis presented for the Doctor in Aerospace Engineering degree by
Francisco Toja Silva
Supervisors
Dr. Oscar L(cid:243)pez Garc(cid:237)a
Dr. Jorge Navarro Montesinos
Escuela TØcnica Superior de Ingenieros AeronÆuticos
Universidad PolitØcnica de Madrid
2015
Copyright (cid:13)c Francisco Toja Silva
To you, and nobody else.

Acknowledgements
If you’re not having fun, you’re doing
something wrong.
Groucho Marx
The author wants to acknowledge all the people cited in this Chapter.
The present Thesis is dedicated to:
- The reader. You are the actual purpose of this document. I hope it
will be interesting and useful for you.
-TheEnergyandEnvironmentResearchCenter(CIEMAT)forthePhD
fellowship that made possible the development of the present Thesis. A
sincere acknowledgement for making true my dream of progressing in the
research career towards a new stage. I am aware of the e(cid:27)ort that the
society made funding my career, and I must deserve it bringing all the best
with the highest motivation and ethical principles in my present and future
work.
- The School of Aeronautics of the UPM for giving me the opportunity
to defend this PhD Thesis in Aerospace Engineering.
- My supervisors Oscar and Jorge for the support given. Also to Ignacio,
theDirectoroftheWindEnergyUnitoftheCIEMAT.Ihadfreedomduring
theThesisdevelopment. ItwasaprivilegebecauseIcouldfocusonthetopics
really interesting and motivating for me. It carried out hard di(cid:30)culties,
but thanks to these di(cid:30)culties I have improved not only my scienti(cid:28)c and
technical skills but also my management and transferable skills. I want to
really acknowledge them, they where there when I needed them.
- Mari and Lulila for being on my side in my life. The hard e(cid:27)ort to
reach the excellence in research is much easier in the best company.
-MyworkmatesattheCIEMATAnne,Carmen,Fernando,Luis,Manuel,
Pablo, Pedro and Vadim. A special mention to Dani, for the knowledge
transferred, his patience and the support given. Also a very special mention
to Alfredo and Julien for the excellent knowledge transferred and for giving
me the opportunity of leaning from their high-level scienti(cid:28)c experience.
- My work mates and personal friends at the Fraunhofer IWES Bastian,
vii
viii Acknowledgements
Bernhard,Michael,Jose,Thais,etc.; fortheverygoodexperienceofworking
with them and the very good moments together. I felt at home in Olden-
burg. A very special mention to Carlos for the very much signi(cid:28)cant and
appreciated support given, decisive for the success of this Thesis.
-MyfamilyandmypersonalfriendsAlba,Alberto,Andrea,Candelarias,
Carles,Concepci(cid:243)n,David,Eduardo,Eric,Franciscos,Isabel,Ismaeles,Juli-
eta, Julio, Laura, Llu(cid:237)s, Luis, Mar(cid:237)a Jesœs, Mariela, Marc, Mirta, Queralt,
Raœl, Rosa, Ruben, TomÆs, etc.
I apologize the rest of the people not explicitly mentioned above. This
work is also dedicated to them.
Abstract
The clear and present danger of climate
change means we cannot burn our way
to prosperity. We already rely too heavily
on fossil fuels. We need to (cid:28)nd a new,
sustainable path to the future we want.
We need a clean industrial revolution.
Ban Ki-moon
Resumen en Castellano
El programa Europeo HORIZON2020 en Futuras Ciudades Inteligentes es-
tablececomoobjetivoqueel20%delaenerg(cid:237)aelØctricaseageneradaapartir
de fuentes renovables. Este objetivo implica la necesidad de potenciar la ge-
neraci(cid:243)n de energ(cid:237)a e(cid:243)lica en todos los Æmbitos. La energ(cid:237)a e(cid:243)lica reduce
drÆsticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y evita los ries-
gos geo-pol(cid:237)ticos asociados al suministro e infraestructuras energØticas, as(cid:237)
como la dependencia energØtica de otras regiones. AdemÆs, la generaci(cid:243)n de
energ(cid:237)a distribuida (generaci(cid:243)n en el punto de consumo) presenta signi(cid:28)ca-
tivas ventajas en tØrminos de elevada e(cid:28)ciencia energØtica y estimulaci(cid:243)n de
la econom(cid:237)a. El sector de la edi(cid:28)caci(cid:243)n representa el 40% del consumo en-
ergØtico total de la Uni(cid:243)n Europea. La reducci(cid:243)n del consumo energØtico en
esteÆreaes, portanto, unaprioridaddeacuerdoconlosobjetivos(cid:16)20-20-20(cid:17)
en e(cid:28)ciencia energØtica. La Directiva 2010/31/EU del Parlamento Europeo
y del Consejo de 19 de mayo de 2010 sobre el comportamiento energØtico de
edi(cid:28)caciones contempla la instalaci(cid:243)n de sistemas de suministro energØtico
a partir de fuentes renovables en las edi(cid:28)caciones de nuevo diseæo. Actual-
mente existe una escasez de conocimiento cient(cid:237)(cid:28)co y tecnol(cid:243)gico acerca de
la geometr(cid:237)a (cid:243)ptima de las edi(cid:28)caciones para la explotaci(cid:243)n de la energ(cid:237)a
e(cid:243)lica en entornos urbanos.
El campo tecnol(cid:243)gico de estudio de la presente Tesis Doctoral es la ge-
neraci(cid:243)n de energ(cid:237)a e(cid:243)lica en entornos urbanos. Espec(cid:237)(cid:28)camente, la opti-
mizaci(cid:243)n de la geometr(cid:237)a de las cubiertas de edi(cid:28)caciones desde el punto de
vista de la explotaci(cid:243)n del recurso energØtico e(cid:243)lico. Debido a que el (cid:29)ujo
ix
x Abstract
del viento alrededor de las edi(cid:28)caciones es exhaustivamente investigado en
esta Tesis empleando herramientas de simulaci(cid:243)n numØrica, la mecÆnica de
(cid:29)uidos computacional (CFD en inglØs) y la aerodinÆmica de edi(cid:28)caciones
son los campos cient(cid:237)(cid:28)cos de estudio.
El objetivo central de esta Tesis Doctoral es obtener una geometr(cid:237)a de
altas prestaciones (u (cid:243)ptima) para la explotaci(cid:243)n de la energ(cid:237)a e(cid:243)lica en cu-
biertas de edi(cid:28)caciones de gran altura. Este objetivo es alcanzado mediante
un anÆlisis exhaustivo de la in(cid:29)uencia de la forma de la cubierta del edi(cid:28)cio
en el (cid:29)ujo del viento desde el punto de vista de la explotaci(cid:243)n energØtica del
recurso e(cid:243)lico empleando herramientas de simulaci(cid:243)n numØrica (CFD). Adi-
cionalmente, lageometr(cid:237)adelaedi(cid:28)caci(cid:243)nconvencional(edi(cid:28)cioprismÆtico)
esestudiada,yelposicionamientoadecuadoparalosdiferentestiposdeaero-
generadores es propuesto. La compatibilidad entre el aprovechamiento de
las energ(cid:237)as solar fotovoltaica y e(cid:243)lica tambiØn es analizado en este tipo de
edi(cid:28)caciones. La investigaci(cid:243)n prosigue con la optimizaci(cid:243)n de la geometr(cid:237)a
de la cubierta. La metodolog(cid:237)a con la que se obtiene la geometr(cid:237)a (cid:243)ptima
consta de las siguientes etapas:
- Veri(cid:28)caci(cid:243)n de los resultados de las geometr(cid:237)as previamente estudia-
das en la literatura. Las geometr(cid:237)as bÆsicas que se someten a examen son:
cubierta plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esfØrica.
- AnÆlisis de la in(cid:29)uencia de la forma de las aristas de la cubierta sobre
el (cid:29)ujo del viento. Esta tarea se lleva a cabo mediante la comparaci(cid:243)n de
los resultados obtenidos para la arista convencional (esquina sencilla) con
un parapeto, un voladizo y una esquina curva.
-AnÆlisisdelacoplamientoentrelacubiertayloscerramientosverticales
(paredes) mediante la comparaci(cid:243)n entre diferentes variaciones de una cu-
bierta esfØrica en una edi(cid:28)caci(cid:243)n de gran altura: cubierta esfØrica estudiada
en la literatura, cubierta esfØrica integrada geomØtricamente con las paredes
(planta cuadrada en el suelo) y una cubierta esfØrica acoplada a una pared
cil(cid:237)ndrica. El comportamiento del (cid:29)ujo sobre la cubierta es estudiado tam-
biØn considerando la posibilidad de la variaci(cid:243)n en la direcci(cid:243)n del viento
incidente.
- AnÆlisis del efecto de las proporciones geomØtricas del edi(cid:28)cio sobre el
(cid:29)ujo en la cubierta.
- AnÆlisis del efecto de la presencia de edi(cid:28)caciones circundantes sobre
el (cid:29)ujo del viento en la cubierta del edi(cid:28)cio objetivo.
Las contribuciones de la presente Tesis Doctoral pueden resumirse en:
- Se demuestra que los modelos de turbulencia RANS obtienen mejores
resultadosparalasimulaci(cid:243)ndelvientoalrededordeedi(cid:28)cacionesempleando
los coe(cid:28)cientes propuestos por Crespo y los propuestos por Bechmann y
Słrensen que empleando los coe(cid:28)cientes estÆndar.
- Se demuestra que la estimaci(cid:243)n de la energ(cid:237)a cinØtica turbulenta del