System design of lightweight wind turbine rotors

The growing importance of wind power in the global energy market requires a new attitude towards plant design and optimization, which must be broadly based on a system-engineering vision. As their nominal power and size increase continuously, the physical behaviour of wind turbines becomes more complex, in particular because the higher flexibility of structural components ignites a fully aero-elastic response of the system. As a consequence, it is no longer possible to subdivide specific aspects of the design into different scopes, as this would lead to an under-representation of the physics and possible shortcomings in the final product. The design of a modern wind turbine, on the contrary, should be conducted through ad hoc multi-disciplinary algorithms, which must support a full description of the various sub-systems and a correct resolution of the cross-effects occurring between them. Furthermore, such an approach requires the impact of certain design choices on the cost of energy to be evaluated, which is the primal design driver for modern wind systems. In conclusion, system design optimization (SDO) frameworks must combine high-fidelity models of the wind plant to certain optimization techniques in order to minimize the cost of energy. Although several algorithms of this kind have been recently developed, they differ significantly in their modelling, architecture and optimization settings, and a reliable common practice has not been identified so far. In this work, we explore the concept of the system design of large wind turbines through the development of two independent SDO algorithms, which manage the design following completely different strategies. In this way, we should be able to compare the two methods and to identify the corresponding advantages and drawbacks. The first method allows the simultaneous optimization of the rotor and a set of airfoils along the blade: this feature is novel in wind turbine design, as most existing algorithms require the shapes of the airfoils to be known in advance. In our free-form construction, on the contrary, the whole 3D surface of the blade can be designed according to the specific and global needs of the optimization procedure. Although the level of modelling in this approach is quite basic, we eventually show how the possibility to unfreeze the airfoils is powerful when applied to modern wind turbine design, especially because the shapes of the airfoils play an important role on both the aerodynamic and the structural performance of the rotor. We show, then, how the optimizer can leverage on the airfoil shapes to favour one or more aspects of the design, depending on the relative costs of the rotor components. A second approach is based on the combination of high-fidelity physical models of the entire wind turbine and a multi-level design architecture. The latter features two nested layers: the outer one manages the optimization of the general features of the turbine in order to minimize the cost of energy, and is therefore ideal to conduct preliminary design studies. A series of sub-modules, then, performs the specific optimization of different components of the turbine, like the blades and the tower, according to a local merit function. We show how this second approach is particularly suited to manage detailed design applications, in which it is important that the optimal solution complies with international standards. To prove these capabilities, we show several applications: a first study aims at the integration of different passive load-alleviating techniques on a 10 MW wind turbine, in order to achieve an optimized lightweight version of the rotor. We show how significant reduction of the key loads can be obtained through different types of structural tailoring and how these advantages can be traded in favour of a reduction of the cost of energy. Subsequently, we show a second application in which different layers of the design are used in combination to conduct a full development of a reference 20 MW rotor.

La crescente importanza dell’energia eolica nel mercato globale richiede di sviluppare un nuovo approccio verso il design e l’ottimizzazione degli impianti, che sia largamente basato su una visione di sistema. Col crescere della potenza e delle dimensioni caratteristiche, il comportamento fisico delle turbine eoliche diventa più complesso, in particolare a causa della notevole flessibilità dei componenti che innesca una risposta aero-elastica completamente accoppiata. Dal punto di vista della progettazione, quindi, un approccio finora classico basato su una sequenza di steps progettuali distinti e generalmente disaccoppiati risulta inadeguato per affrontare il design di moderni aerogeneratori multi-megawatt. Infatti, una simile pratica rischia di non modellare accuratamente la fisica del problema e portare a un carente dimensionamento del prodotto finale. Al contrario, un moderno approccio al design deve necessariamente basarsi su strumenti ad-hoc, che includano algoritmi multidisciplinari in grado di supportare una completa descrizione fisica dei vari sottosistemi e dei vari effetti ed influenze che si creano tra loro. Inoltre, dal momento che il driver primario degli impianti eolici sarà sempre di più identificabile nel costo dell’energia, un adeguato approccio al design impone di valutare accuratamente l’impatto di determinate scelte progettuali sul costo globale piuttosto che su specifiche prestazioni aero-strutturali del sistema. Sebbene diversi algoritmi che sposano tale filosofia siano stati di recente proposti nella comunità scientifica di riferimento, essi sono piuttosto eterogenei nel livello di modellazione e nelle strategie di ottimizzazione supportate, col risultato che una solida pratica comune è ancora lontana dall’essere una realtà consolidata sulla quale fare affidamento. In questo progetto di ricerca, si esplora il concetto di system-engineering applicato al design di turbine eoliche di prossima generazione. Ciò viene fatto sviluppando due algoritmi di design che implementino strategie e scelte completamente diverse, in modo tale da poter avviare un confronto tra i metodi ed indentificarne i rispettivi vantaggi. Il primo approccio consente la progettazione simultanea del rotore e dei profili definiti lungo le pale: si tratta di una strategia nuova in ambito wind energy, dove tipicamente è necessario definire i profili all’inizio di un progetto. Col nuovo approccio free-form, al contrario, l’intera superficie 3D della pala può essere ottimizzata a seconda delle necessità locali e globali che emergono durante il design stesso, garantendo prestazioni migliori. Se da un lato tale approccio pone dei limiti al livello di accuratezza dei modelli numerici utilizzabili, esso introduce una nuova, potente variabile di design dal momento che le forme dei profili giocano un ruolo importante nel comportamento aero-strutturale del rotore. Come risultato principale, si dimostra che l’algoritmo gode di una maggiore autorità nelle scelte di design ed è in grado automaticamente di identificare i migliori compromessi tra efficienza aerodinamica ed integrità strutturale della pala. Un secondo approccio si basa sulla combinazione di modelli numerici di dettaglio dell’intera turbina e un’architettura di design multi-livello. Quest’ultima è basata su due cicli di design annidati: il loop esterno gestisce l’ottimizzazione di caratteristiche primarie della macchina al fine di minimizzare il costo dell’energia, ed è quindi importante per condurre un dimensionamento di alto livello della turbina. All’interno del loop interno, una serie di moduli individuali consente di condurre l’ottimizzazione di specifici sub-componenti, come per esempio il rotore o la torre, rispetto a cifre di merito locali. Questo secondo approccio è particolarmente indicato per condurre la progettazione di dettaglio della macchina, in particolare quando la soluzione finale deve necessariamente rispettare rigidi vincoli imposti dalle normative internazionali. Per dimostrare le capacità dell’algoritmo, si presentano diverse applicazioni: un primo studio riguarda l’integrazione di diverse tecniche passive di controllo nel design di un rotore da 10 MW, in modo da rendere possibile la progettazione di una sua versione più leggera. Si dimostra come, tramite diverse tecniche di accoppiamento strutturale, sia possibile ottenere una significativa riduzione dei carichi sul sistema e, in ultimo, sia possibile trasformare tale effetto in un vantaggio economico. Una seconda applicazione riguarda lo sviluppo, tramite l’uso della procedura multi-livello, di una turbina di riferimento da 20 MW.