Design of a two-bladed 10 MW wind turbine with teetering hub

Over the last few years, the need to move more and more towards renewable energy has led to significant growth in the size and power of wind turbines, while maintaining the main purpose of lowering the cost of energy. For this reason, the introduction and development of active or passive systems to reduce loads, costs and to increase energy production, have become a necessity. In addition, the use of multidisciplinary optimization software has been a valuable help in minimizing these merit functions. The basic idea in this work is to start from a 10 MW three-bladed wind turbine and to achieve an equivalent model with only two blades and with the addition of a teetering hinge. Afterwards, the focus shifts to a comparison of the main performances of the two-bladed rotor against those of the three-bladed one, and great efforts are dedicated to the reduction of the cost of energy of the former configuration through dedicated design studies. First a drop of the energy production is noted, which is compensated by increasing the solidity of the blades; this generates an increase in stiffness as secondary beneficial effect, which leads to a reduction of the structural mass and hence the cost of the single blade. In addition, the teetering hinge allows to absorb part of the loads from the blades and reduce their impact on hub, shaft and tower. Then the optimization of the prebend is introduced, in order to maximize the energy obtainable from the rotor. Finally, a complete tower redesign is performed for both the three-bladed and the two-bladed rotors, showing that increased fatigue loads coming from resonance can heavily affect the design of the latter. To circumvent this problem, two different constructive solutions are introduced: first adding a tuned mass damper at the top of the tower to reduce oscillations, and then modifying the tower model with the introduction of a series of external post-tensioning tendons, in order to increase the stiffness.

Nel corso degli ultimi anni, l'esigenza di spostarsi sempre di più verso l'energia rinnovabile ha portato a una crescita significativa della dimensione e della potenza delle turbine eoliche, mantenendo però lo scopo principale di abbassare il costo dell'energia. Per questo motivo, l'introduzione e lo sviluppo di sistemi attivi o passivi atti alla riduzione dei carichi, dei costi e all'aumento di energia estratta dal vento, sono diventati una necessità. Inoltre, l'utilizzo di programmi di ottimizzazione multidisciplinare è stato un valido aiuto nel processo di minimizzazione di queste funzioni di merito. L'idea di base in questo lavoro è quella di partire da una turbina eolica da 10 MW a tre pale e realizzarne un modello equivalente con una pala in meno e con l'aggiunta di una cerniera "basculante". Successivamente ci si focalizza sul confronto tra le principali prestazioni del modello a due pale con quello a tre pale, e un notevole sforzo è dedicato alla riduzione del costo dell'energia della configurazione precedente attraverso appositi studi di progettazione. Come prima cosa si nota un crollo dell'energia prodotta, che viene compensato aumentando la solidità delle pale; questo genera come effetto benefico secondario l'aumento della rigidezza, che porta a ridurre la massa strutturale e quindi il costo della singola pala. Inoltre la cerniera "basculante" permette di assorbire parte dei carichi provenienti dalle pale e ridurne l'impatto su mozzo, albero e torre. Viene poi introdotta l'ottimizzazione della curvatura della pala, al fine di massimizzare l'energia ricavabile dal rotore. Infine, viene effettuata una completa riprogettazione della torre per entrambi i modelli, tripala e bipala, mostrando come l'aumento dei carichi a fatica dovuti alla risonanza possa condizionare pesantemente il progetto di quest'ultima. Per raggirare questo problema si introducono due diverse soluzioni costruttive: prima l'aggiunta di una massa smorzante in cima alla torre per ridurne le oscillazioni, e poi la modifica del modello con l'inserimento di una serie di cavi di post-tensione esterna, allo scopo di aumentarne la rigidezza.