Sviluppo di strumenti per l'analisi e la progettazione preliminare di aerogeneratori ad asse verticale

Currently the wind energy market is almost entirely occupied by horizontal-axis wind turbines (HAWT) and the size and yields rise every year reaching a nominal power greater than 7.5 MW with rotors of a diameter of 120 meters. Meanwhile vertical-axis wind turbines (VAWT) have never had success due to poor cost effectiveness and difficulty of design compared to the horizontal-axis models. At the present state the main disadvantage of the vertical-axis generators is that the yields are lower with respect to an horizontal-axis generators while for the same swept area the blades are longer. Some studies suggest that this difference in yield may be reduced studying specific profiles for vertical-axis wind turbines and it could even be possible to overcome, theoretically, the limit of 16/27 given by Betz theory. To this is added the possibility of controlling the inclination of the blades, which allows to increase the annual power production. Recently, the interest in these generators is reborn, as the lower performance can be compensated by a reduction of costs of construction, an easier maintenance and the possibility to operate for every wind direction without the addition of a yaw mechanism. This can be particularly advantageous in offshore applications. The aim of this paper is develop a numerical tool that allows to study the dynamic behaviour of a vertical-axis wind turbines, analysing the effect of the variation of the geometry and the different control logics on the performance and the structural loads. The ultimate goal is to provide the foundation for a future analysis of the production costs of a vertical-axis wind turbines, in order to obtain an estimation of the cost of energy and allow a comparison with the horizontal axis generators.

Attualmente il mercato dell’energia eolica è quasi interamente occupato da generatori ad asse orizzontale (Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT) le cui dimensioni e rendimenti aumentano ogni anno raggiungendo potenze nominali superiori a 7,5 MW per rotori di 120 metri di diametro, mentre i modelli ad asse verticale (Vertical Axis Wind Turbine, VAWT) non hanno mai avuto successo a causa della scarsa economicità e difficoltà di progettazione rispetto ai modelli ad asse orizzontale. Allo stato attuale delle cose il principale svantaggio dei generatori ad asse verticale è che i rendimenti risultano inferiori rispetto ai generatori ad asse orizzontale mentre le pale sono più lunghe a parità di area. Alcuni studi sostengono che questa differenza nei rendimenti possa essere colmata studiando profili appositi per questi generatori e sia addirittura possibile superare, teoricamente, il limite di 16/27 dato dalla teoria di Betz. A questo va aggiunta la possibilità di controllare l’inclinazione delle pale, permettendo un aumento della potenza annua prodotta. Recentemente l’interesse per questi generatori è quindi rinato, poiché le prestazioni inferiori possono essere compensate da una riduzione dei costi di costruzione, una più facile manutenzione e la possibilità di funzionare indipendentemente dalla direzione del vento senza aggiunta di meccanismi che ruotino la turbina. Ciò può essere particolarmente vantaggioso nelle applicazioni offshore. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare uno strumento numerico che permetta di studiare il comportamento dinamico di un generatore ad asse verticale, analizzando l’effetto sulle prestazioni e sui carichi nella struttura della scelta della geometria e delle diverse logiche di controllo. L’obiettivo finale è quello di fornire le basi per una futura analisi dei costi di produzione di un generatore ad asse verticale, in modo da ottenere una stima del costo dell’energia e permettere un confronto con i generatori ad asse orizzontale.