Design of swept wind turbine blades for passive load alleviation

Since the first developments of modern wind power technology, the evolution in turbine size has experienced a constant shift towards larger rotors and higher towers in order to enhance energy capture and reduce the cost of energy. However, machines of greater scale are characterized by an increase in the loads acting on the blades, thereby resulting in the need for thicker and heavier structural components. This thesis analyzes one of the passive load alleviation methods, namely swept blades, which consists in the edgewise displacement of the blade outboard region in the plane of rotation. The study focuses on the full redesign of swept rotors for two different machines: a 2MW onshore wind turbine and a 10MW next generation offshore concept. An integrated design code that allows for the simultaneous optimization of blade aerodynamics and structural sizing has been used for the analysis, with the ultimate goal of finding the configuration that minimizes the cost of energy. The results of the design optimization show that by adopting swept rotors it is possible to achieve substantial load mitigation, leading to a reduction in terms of blade mass and cost. However, this technology entails a loss in the annual energy production, resulting in a slight increase in cost of energy. It is then demonstrated that significant benefits may be obtained by expanding the rotor swept area, so that power generation can be improved while maintaining similar loads to the original straight blades thanks to sweep.

Fin dai primi sviluppi della moderna tecnologia eolica, la dimensione delle turbine ha subito un costante aumento in termini di diametro del rotore e altezza della torre, con lo scopo di migliorare la capacità di produzione di potenza e ridurre il costo dell’energia. Tuttavia, macchine sempre più grandi sono caratterizzate da maggiori carichi sulle pale, i cui componenti strutturali devono quindi aumentare di spessore e di peso. Questa tesi si propone di studiare uno dei metodi passivi per alleviare i carichi agenti sulla turbina, che consiste nell’utilizzo di swept blades, ossia di pale curvate all’interno del piano di rotazione nella loro parte più esterna. Lo studio si concentra sulla completa riprogettazione di tali rotori eolici per due macchine diverse: una turbina onshore da 2MW e una offshore da 10MW, rappresentativa delle macchine di futura generazione. In entrambi i casi è stato utilizzato un codice di design che permette di integrare la massimizzazione delle prestazioni aerodinamiche con il dimensionamento ottimizzato dei componenti strutturali del rotore, per trovare la configurazione corrispondente al minimo costo dell’energia. I risultati dell’analisi mostrano che adottando rotori swept blades è possibile ridurre i carichi in maniera significativa, portando a vantaggi in termini di massa e costo delle pale. Tuttavia, dal momento che con questa tecnologia l’energia prodotta subisce un leggero calo, il costo dell’energia aumenta. Viene dimostrato quindi che particolari benefici possono essere ottenuti espandendo l’area spazzata dal rotore, in modo da incrementare la generazione di potenza mantenendo carichi simili alla configurazione originale grazie all’utilizzo di pale curve.