Blade passive solutions for load mitigation on multi-megawatt wind turbines

Over the last twenty years the size of the wind turbine has increased exponentially. To satisfy this trend of growth, a simple upscaling of the existing machines is unfeasible, since the cost of a wind turbine is typically well correlated with its weight and weight with the size, following a cubic law. Load alleviation techniques help address this issue, by increasing the efficiency of the aerostructural configuration and limiting the cost grow rate of wind turbine components through the design of lighter structures and/or the reduced usage of high performance materials. The first part of the thesis describes new concepts, based on distributed appended devices used in a passive way, and trying to exploit several tuning approaches, with the goal of demonstrating that passive means of actuation can lead to enhanced performance comparable to more complex active architectures. The second part of the thesis describes the characterization of full-blade span solutions, with the goal of demonstrating via experiments the potential of this means to mitigate loads, withstanding and sometimes complementary to active control architectures. To this end, a scaled representation of a multi-megawatt wind turbine featured with Bend-Twist Coupling is realized and characterized in terms of structure, aerodynamics and loads.

Negli ultimi venti anni la dimensione delle turbine eoliche è aumentata esponenzialmente. Per soddisfare questo continuo trend di crescita, un semplice upscaling delle macchine esistenti è impraticabile, in quanto il costo di una turbina eolica è tipicamente ben correlata con il suo peso ed il peso con la dimensione, seguendo una legge cubica. Tecniche di riduzione dei carichi possono contribuire a limitare questo problema, aumentando l'efficienza della configurazione aero-strutturale e limitando il costo dei componenti delle turbine attraverso la progettazione di strutture più leggere e / o l'utilizzo ridotto di materiali ad elevate prestazioni. La prima parte della tesi descrive nuovi concetti, basati sull'utilizzo di dispositivi distribuiti annessi alla pala utilizzati in modo passivo, e cercando di sfruttare diversi approcci di taratura, con l'obiettivo di dimostrare che mezzi passivi di attuazione possono portare a prestazioni paragonabili ad architetture attive più complesse. La seconda parte della tesi descrive la caratterizzazione di soluzioni passive "a tutta estensione" annesse alla struttura delle pala, con l'obiettivo di dimostrare tramite esperimenti il ​​potenziale di questo mezzo per attenuare i carichi, e talvolta esser complementare ad architetture di controllo attivo. A questo scopo, una rappresentazione in scala di una turbina eolica multi-megawatt caratterizzata da accoppiamento flesso-torsionale è stato realizzato e caratterizzato in termini strutturali, aerodinamici e dei carichi.