Mechatronic optimization of a wind turbine model for aeroelastic tests in the wind tunnel

A wider and wider renewable energy sources exploitation in substitution of fossil fuels is one of the principal global target in order to reduce the degree of pollution. In the last few years, among green fuels, the aeolian energy is the cheapest one, decreasing its cost of about 85% in the last 15 years. The current trend is to realize vast offshore Wind Farms which exploit the lower roughness of the surrounding area, thus, a turbulence-free wind speed profile. The offshore realization, besides higher costs than inshore wind farms, is actually a challenge for the engineering world. Lifes50+ is an European project which aims to design structures capable of house large-size floating wind turbines (10 MW) and to develop methodologies to assess the efficiency and, lastly, the energy cost associated with it. The starting point is the DTU 10 MW Reference Wind Turbine [1] and the wind turbine tested in the Politecnico di Milano's Wind Gallery [3]. The objective of the here-presented work is to realize a new aeroelastic model starting from the rigid wind turbine to run tests in the Wind Tunnel. The aerogenerator will be placed over the end-effector of a 2-dof parallel kinematic robot (surge and pitch) which will be embedded in the gallery's floor. This robot has to simulate the sea wave motion in order to replicate the installation site of the large size aerogenerator. The wind turbine model is equipped with a speed-controlled actuator for rotor rotation and with three Harmonic Drive motor reducer for the individual blades' pitch control. It will be presented a possible solution for a mechanism of collective pitch control. The use of material such as carbon fiber and aluminum alloy is essential for the structural lightning; nevertheless a trade-off between robustness - reliability of the wind turbine model and mechanical components extremisms is mandatory. The use of techniques such as the adhesion through epoxy structural glue turns out as fundamental for the obtaining of results that will be presented.

Un sempre più vasto sfruttamento di fonti di energia rinnovabili in sostituzione a sorgenti fossili è uno dei principali obiettivi mondiali per la riduzione del tasso di inquinamento globale. Negli ultimi anni tra le sorgenti green l'energia eolica è la meno costosa, abbassando negli ultimi 15 anni il suo costo di circa l'85%. La tendenza è quella di realizzare parchi eolici in mare aperto (Offshore Wind Farms) sempre più grandi, i quali sfruttano la minore rugosità del territorio circostante e, quindi, un profilo di velocità del vento privo di turbolenza. La realizzazione offshore, oltre a costi superiori rispetto a parchi inshore, costituisce una sfida impegnativa per il mondo ingegneristico. Lifes50+ è un progetto europeo che ambisce alla configurazione di strutture in grado di accogliere turbine eoliche galleggianti di grande taglia (10MW) e allo sviluppo di metodologie in grado di valutare l'efficienza e, in ultimo, il costo dell'energia a loro associato. La base di partenza è la DTU 10MW Reference Wind Turbine [1] e la turbina eolica rigida testata nella Galleria del Vento del Politecnico di Milano. L'obiettivo del lavoro qui presentato è quello di rendere aeroelastico il modello di turbina rigida con il fine di eseguire test in Galleria del vento. L'aerogeneratore verrà posizionato sull'end-effector di un robot-piattaforma a cinematica parallela a 2-gdl (surge e pitch) annegato nel pavimento di galleria. Il robot avrà il compito di simulare il moto ondoso del mare in modo da replicare il sito di installazione della turbina eolica al vero. La turbina sarà equipaggiata da un attuatore in speed-control per la movimentazione del rotore e da tre motoriduttori Harmonic Drive per il controllo individuale del pitch delle pale. Verrà presentata, inoltre, una possibile soluzione di meccanismo per il controllo collettivo del pitch delle pale (Collective Pitch Control). L'utilizzo di materiali quali fibra di carbonio e lega di alluminio performanti è risultato fondamentale per l'alleggerimento della struttura; tuttavia, un trade off tra solidità - affidabilità della turbina ed estremizzazioni delle componenti meccaniche è stato necessario. L'utilizzo di tecniche come l'incollaggio con colla epossidica strutturale si sono rivelate di fondamentale importanza per l'ottenimento dei risultati che verranno qui presentati.