A preliminary study on a wake mixing technique for wind farm control

Wind farm control is a very actual and appealing topic in the wind energy community: its benefits are a higher overall power production and a longer lifetime of the wind turbines, with a consequent reduction of the cost of energy. Many solutions have been proposed and studied in the past few years but yet have to be implemented on large scale in commercial wind farms. This thesis will focus on the most recently proposed solutions that aim at enhancing wake mixing to guarantee a faster recovery of the turbine wake. We propose a control strategy that aims at enhancing the wake mixing through a periodic collective motion of the blades, in particular a sinusoidal variation of the blade pitch angle. The enhancement of the wake mixing will be obtained thanks to the resulting cyclic variation of the thrust force on the rotor. The methodology used to study this problem is based on numerical simulations of the flow field. The first aim of this thesis is therefore to provide to the POLI-Wind research group the necessary means for performing high resolution aerodynamic numerical simulations of wind farms. The second aim is to study the effectiveness of the wake mixing enhancement technique using the aforementioned tools. The tools chosen are SOWFA and FAST, both developed by NREL for CFD simulations and wind turbine structural analysis. The effectiveness of the periodic collective motion control technique is evaluated not only in terms of wake velocity but also considering the loads induced on the blades and how they impact on the wind turbine lifetime. To measure the incidence of the loads on the turbine lifetime we decided to compute the Damage Equivalent Load caused by the activation of the wake mixing technique. According to the very preliminary results obtained it is possible to conclude that the periodic collective motion control technique can be successfully implemented to increase the overall power production of a wind farm. On the other hand, we observed a sensible increase in the damage equivalent loads on the blades. Therefore, the proposed control strategy seems effective, but its implementation must be evaluated carefully to avoid excessive loadings on the wind turbine.

Il controllo di wind farm è un argomento di grande attualità nella comunità eolica visti i notevoli benefici che porterebbe: in primis l’aumento della produzione energetica del campo eolico, ma anche un miglioramento della vita utile dell’impianto e la conseguente riduzione del costo dell'energia. Nel corso degli ultimi anni sono state proposte e studiate numerose soluzioni, ma al momento nessuna è ancora stata implementata in campi eolici commerciali. Questa tesi si concentra su una tipologia di soluzioni proposta recentemente e basata sull’idea di aumentare il rimescolamento delle scie delle turbine in modo tale da garantire un migliore flusso a valle. Abbiamo proposto una tecnica per l’aumento del rimescolamento basata sul moto periodico e collettivo delle pale, in particolare imponendo una variazione sinusoidale dell’angolo di pitch. Ne consegue una variazione ciclica della spinta sul rotore che è il meccanismo alla base dell’aumento di rimescolamento. La metodologia scelta per affrontare questo problema è basata su simulazioni numeriche del campo di moto. Il primo scopo di questa tesi è quindi dotare il gruppo di ricerca POLI-Wind degli strumenti necessari all’esecuzione di simulazioni CFD di campi eolici. Il secondo scopo è studiare l’efficacia della tecnica proposta sfruttando i suddetti strumenti. Gli strumenti selezionati sono SOWFA e FAST, due software sviluppati dal NREL rispettivamente per simulazioni CFD e analisi strutturale di turbine eoliche. L’efficacia della tecnica di controllo basata su moto periodico collettivo è stata valutata non solo in termini di velocità della scia, ma anche in termini di carichi indotti sulle pale, stimando l’impatto che possono avere sulla vita utile della turbina eolica. Per stimare l’incidenza dei carichi generati sulla vita della turbina abbiamo deciso di calcolare il Damage Equivalent Load provocato dall’attivazione della strategia di controllo per aumento del rimescolamento. Dai risultati di quest'analisi preliminare è possibile concludere che la tecnica di controllo basata su moto periodico collettivo può essere efficacemente impiegata per aumentare la produzione energetica di un campo eolico. Dal punto di vista dei carichi si è però osservato un incremento sensibile nei Damage Equivalent Loads sulle pale. Pertanto la strategia di controllo proposta sembra essere efficace, ma la sua implementazione deve essere valutata con attenzione, in modo da non incorrere in carichi eccessivi sulla turbina eolica.