Experimental data analysis of wind turbine model and numerical comparison

In the last decade the research in energetic field goes towards solution that are able to produce more energy. In wind field the technological development has allowed the construction of wind turbine always bigger, but not enough to satisfy the request. In this respect the LIFES50+ project has the aim to realize a floating wind turbine to avoid the depth problem e to reach a more stable and better wind condition. The experimental tests and data analysis has the objective to verify the numerical code and study the interaction between wind and waves loads. The work of this thesis after the data collection in wind tunnel at Politecnico di Milano, has been focused on the data analysis and comparison with the simulated data obtained used a proper simulation software (FAST) that analyse the floating wind turbine model behaviour. The DTU 10MW references wind turbine has described in detail, it also reported the scaling process used to build the wind turbine model (WTM 1/75) used in the wind tunnel tests. A description of mechatronic structure and technical specification has been reported. The analysis starts from the comparison between the data obtained in wind tunnel and the simulated data that use the design condition input file. The first comparison highlights a discrepancy between the two solutions due to different operative condition used in wind tunnel test not taking into account during design process. It is necessary to write a new input FAST file. Then a sensitivity analysis has done on model parameters, and by means the change of geometrical twist parameter has been analysed the wind turbine performances replicating the same wind tunnel test condition. Then an optimization process has developed to optimize the fundamental parameters of wind turbine model performances, thrust and power coefficient and thrust force acting on the rotor. Appling this method has been reach the wished results, in accordance with the tolerance imposed. With this process has been redefined the input FAST file that characterize the WTM model of wind tunnel tests.

La ricerca in ambito energetico si è mossa negli ultimi decenni verso soluzioni che possano soddisfare una sempre maggiore richiesta di energia. Nell’ambito dello sfruttamento del vento lo sviluppo tecnologico ha permesso la creazione di imponenti generatori eolici, ma non ancora sufficiente per le richieste mondiali. A questo proposito il progetto LIFES50+ ha l’obiettivo di realizzare una turbina eolica galleggiante in modo tale da sfruttare la maggior quantità di vento che si sviluppa in mezzo al mare, non essendo più vincolati alle basse profondità. Le analisi svolte hanno l’obiettivo di verificare attraverso prove sperimentali in galleria del vento, la validazione dei codici numerici e di studiare l’interazione tra i carichi generati dal vento e dalle onde. Il lavoro svolto in questa tesi oltre alla raccolta e l’analisi dei dati sperimentali ottenuti in galleria del vento è stato quello di comparare i risultati reali del modello con dati simulati sul modello utilizzato, attraverso un software di simulazione per turbine eoliche galleggianti (FAST). Viene fornita una descrizione dettagliata della turbina eolica di riferimento DTU 10MW e dei parametri di funzionamento. È riportata una descrizione del processo di scala con le difficoltà dovute all’utilizzo del modello nell’ambiente galleria del vento, viene anche presentata la struttura meccatronica con tutti i singoli componenti del modello WTM 1/75 e le specifiche tecniche. Inizialmente vengono confrontati i risultati ottenuti con i file di input per la simulazione creati in fase di design, essendoci discrepanza tra le due soluzioni dovute alle condizioni operative utilizzate in galleria del vento è stata necessaria la riscrittura di parte dei file di input. La prima parte dell’analisi verte su un’analisi di sensitività dei parametri del modello, attraverso la modifica del twist geometrico si è andati ad analizzare le prestazioni imponendo le differenti condizioni iniziali utilizzate in galleria del vento è non presenti in fase di design dei file di input del software. Successivamente all’analisi di sensitività è stato sviluppato un processo di ottimizzazione che permettesse l’ottimizzazione dei parametri fondamentali ottenuti dalle analisi sperimenti, coefficiente di potenza e di coppia e la forza aerodinamica agente sul rotore. Applicando questo metodo di ottimizzazione si è giunti al risultato desiderato, al di sotto del livello di tolleranza imposto, in questo modo è stato ridefinito il file di input di FAST che caratterizza il modello WTM utilizzato nei test in galleria del vento.