Preliminary design of a 20 MW wind turbine

In the last years, the design of wind turbines has evolved more and more towards large machines, in order to maximize the harvested wind energy and reduce the costs. A common practice in this type of studies consists in starting from the definition of an aero-elastic turbine model derived by scaling an existing one by means of suitable scaling laws. Often, this results in an overestimation of the mass of the various sub-components of the turbine, which then encounters significant loads through their operating lifetime. Specific techniques for loads and mass reduction must be applied to these machines in order to target a sensible reduction of the cost of energy. This work is focused on the definition of a structural model for a conceptual 20 MW wind turbine through a step-by-step parametric design process in which the best performance in terms of of mass, loads, energy production and cost of energy are sought. The overall process is performed in a multi-disciplinary optimization framework that allows to consider all the relevant aspects of the design. Initially, the structural optimization of a tentative wind turbine rotor was performed. Then, a constrained optimization of the blade prebend was conducted, with relevant advantages in terms of mass reduction and improvement of the power production. Then, a passive control system for loads reduction was introduced, through the application of a certain amount of fiber rotation in the laminae of some composite blade elements: this led to further loads reduction in most of the turbine structural elements. At this point two different refinements have been explored: on one side an active control system was adopted to further reduce ultimate and fatigue loads, while on the other a parametric study on the rotor planar solidity was performed to improve the aero-structural performance of the turbine. In both cases, advantages in accordance with expectations were encountered.

Nel corso degli ultimi anni, il progetto di turbine eoliche si è spinto verso macchine di dimensioni sempre maggiori, con lo scopo di incrementare l’energia estratta dal vento e ridurre i costi. É ormai una pratica comune in questo tipo di studi, partire dalla definizione di un modello aeroelastico della turbina derivato, mediante opportune leggi di scalatura, da quello di una turbina giá esistente, di dimensioni e potenza nominale inferiori. Spesso tuttavia, il risultato é una modello eccessivamente pesante che sviluppa dei carichi rilevanti nelle varie situazioni in cui si trova ad operare. Tecniche che mirano a ridurre i carichi e la massa devono essere necessariamente adottate su queste macchine, per poter ambire ad una riduzione dei costi. Questo lavoro é incentrato sulla realizzazione di un modello strutturale di una turbina da 20 MW, al quale successivamente si sono applicate varie tecnologie con lo scopo di verificare gli eventuali vantaggi in termine di riduzione di massa e carichi, incrementi di energia annua prodotta e riduzione del costo dell’energia. Tutto ció, in un contesto di ottimizzazione multi-disciplinare che permette di tenere in considerazione tutti gli aspetti rilevanti del design. Inizialmente é stata effettuata l’ottimizzazzione strutturale del rotore della turbina. Dopodiché, un’ottimizzazione vincolata della pre-curvatura della pala é stata effettuata, con rilevanti effetti benefici per quanto riguarda la riduzione di massa e l’incremento di energia prodotta. Tuttavia, i carichi agenti sulla struttura della turbina sono aumentati a causa della maggior deflessione della pala. Si é quindi introdotto un sistema di controllo passivo che consiste nella rotazione delle fibre dei materiali compositi, con importanti riduzioni di carichi su molti elementi strutturali della macchina. A questo punto sono state appprocciate due strade differenti: da una parte si é introdotto un controllo attivo per ridurre ulteriormente i carichi ultimi e a fatica, mentre in parallelo si sono effettuati studi sulla soliditá del rotore con l’obbiettivo di incrementare la producibilitá della turbina eolica. In entrambi i casi si sono riscontrati vantaggi in accordo con le aspettative.