Scale model design of 5MW offshore wind turbine

Wind energy is one of the fastest growing renewable energies in the world. The generation of power from wind turbines is non-polluting, it doesn’t produce any by-products. This thesis presents the development of a 1/58th model of a multi megawatt wind turbine. The model is based on a 5 MW wind turbine designed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL) commonly utilized in numerical modeling efforts. The developed model in this thesis is going to be realized in the Mechanical Department of the Politecnico di Milano in Milan, Italy. The ultimate goal of the model is to do different tests and studies on the realized model in the wind tunnel of the Politecnico di Milano. This thesis will present information on the scaling methodology used for the development of the scaled model and it will introduce the physical characteristics of the obtained model. The discussion of scaling methodology will include a presentation of scaling optimization used to have the best solution between different objectives of the model. Particular attention is paid to adequate Reynolds number, frequency scaling factor and optimal velocity scaling factor to use the maximum available range of wind velocity of the wind tunnel. This thesis will also present a detailed information on different components for the construction of the model as the main motor that will be used for power generation, the pitch motor that will regulate the pitch angles of each blade to maintain the rotational velocity of the rotor constant and equal to the rated value. The other components that have been used are discussed in the next chapters. Furthermore the thesis will propose different layouts for the construction of the model, each of them with their benefits and weakness. The last part of this thesis is dedicated to design the generator power control and in more detail the pitch control of the scaled wind turbine. With simulations for the full scale and scaled model and a comparison between the results of the pitch control for the full scale and scaled model.

Fra le varie forme di fonti di energia rinnovabile nel mondo, quello dell'eolico è uno dei settori in più rapido sviluppo. La generazione di energia dal vento è non inquinante e non produce alcuna emissione. Questa tesi presenta lo sviluppo di un modello in scala 1:58 di una turbina eolica multi-MW. Il modello si basa su una turbina eolica da 5 MW progettata dal National Renewable Energy Laboratory (NREL), comunemente utilizzata nei lavori di modellazione numerica. Il modello sviluppato in questa tesi sta per essere realizzato nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano in Italia. L'obiettivo finale del modello è quello di permettere l’esecuzione di diversi studi e test presso la Galleria del Vento del Politecnico di Milano. Questa tesi presenta informazioni sulla metodologia usata per lo sviluppo del modello in scala, specificando le caratteristiche fisiche del modello ottenuto. La discussione del metodo di scalatura include un processo di ottimizzazione utilizzato per ottenere la migliore soluzione tra i diversi obiettivi che ci si è preposti durante la costruzione del modello. Particolare attenzione è rivolta a mantenere un adeguato rapporto fra modello al vero e modello scalato in termini di numero di Reynolds e di fattore di scala della frequenza e di utilizzare la massima disponibile gamma di velocità del vento compatibilmente con i limiti della Galleria del Vento. Questa tesi presenta anche informazioni dettagliate sui diversi componenti per la costruzione del modello come il motore principale che verrà utilizzato per la generazione di energia, il motore per il controllo del pitch che regola l’angolo di ciascuna pala per mantenere la velocità di rotazione del rotore costante e pari al valore nominale. Inoltre la tesi propone diversi layout della disposizione degli organi meccanici per la costruzione del modello, ciascuno con i loro vantaggi e svantaggi. L'ultima parte di questa tesi è dedicata alla progettazione del controllo della potenza elaborata dal generatore e più in dettaglio il controllo del pitch per la turbina eolica in scala, con simulazioni effettuate a partire delle caratteristiche sia del modello di riferimento (NREL 5MW) che del modello in scala e proponendo infine un confronto fra i risultati ottenuti.