Aerodynamic and mechanical design of an offshore wind turbine prototype

Wind energy has assumed an important role in last decades. Among many different types of wind turbines available on the market, the spread of offshore plants have assumed a key role. Floating offshore wind turbines are concrete solutions in order to reduce the wind energy cost and achieve the global target of pollution reduction. A fundamental method for the study of these machines is model testing in order to promote new technologies development. The EU's The Blue Growth Farm project is moving in this direction, involving the design of a multi-purpose offshore platform that will be placed at the Natural Ocean Engineering Laboratory (NOEL). This platform will be provided with a 10 MW wind turbine in order to sustain the energy requirements for the aquaculture system included in the platform. This thesis work includes the mechatronic design of an outdoor wind turbine prototype that will be tested in Reggio Calabria, which represent an intermediate step for the design of the full-scale machine. The starting point for the model is the DTU 10 MW Reference Wind Turbine, which has been scaled with Froude theory. The different strategies used to perform the scaling process are discussed in order to obtain both an aeroelastic model and a real small-scale wind turbine. The main characteristics that this prototype must reproduce are the interactions between fluid and structure and the similarity in terms of performances, while satisfying the dimensions and masses constraints. The scaling issues regarding the differences in Reynolds numbers of the tower are discussed along with suitable corrective solutions. The mechanical design is then presented highlighting all the choices made during this process and the relevant load cases for the assessment of the components. The tower is studied in order to ensure the similarity with the full-scale structure in terms of frequencies and mode shapes. The prototype is equipped with actuation for three principal motions: nacelle yaw, main rotation axis and blade pitch. The latter is actuated considering Individual Pitch Control (IPC), adopting three Harmonic Drive. In the end, the results of the design are summarized highlighting the satisfaction of the constraints.

L'energia eolica ha assunto un ruolo molto importante negli ultimi decenni. Tra i diversi tipi di turbine eoliche disponibili sul mercato, le installazioni offshore si sono rivelate fondamentali in quanto rappresentano soluzioni concrete per la riduzione del costo dell'energia eolica e per la partecipazione al target mondiale di riduzione delle emissioni inquinanti. Una metodologia fondamentale per lo studio di queste turbine è il test di modelli scalati, con l'obiettivo di sviluppare nuove soluzioni e tecnologie. Il progetto europeo The Blue Growth Farm persegue questo intento; comprende infatti la progettazione di una piattaforma offshore multifunzione che verrà installata al Natural Ocean Engineering Laboratory (NOEL). Questa piattaforma verrà equipaggiata con una turbina eolica da 10 MW in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di un sistema di acquacultura di pesci e della piattaforma stessa. Questa tesi si pone come obiettivo la progettazione meccatronica di un prototipo di turbina eolica offshore che verrà installato e testato a Reggio calabria, il quale rappresenta uno step intermedio per la progettazione della turbina reale. Il punto di partenza di questo lavoro è la DTU 10 MW Reference Wind Turbine, la quale è stata scalata secondo Froude. Le differenti strategie usate per il procedimento di scalatura sono state valutate in modo da creare un prototipo che fosse sia un modello aeroelastico che una reale turbina eolica di piccole dimensioni. Questo prototipo deve essere in grado di riprodurre le interazioni tra il fluido e la struttura e la similitudine in termini prestazionali, soddisfacendo contemporaneamente i vincoli riguardanti le dimensioni e le masse. I problemi riguardanti la differenza tra i numeri di Reynolds, derivati dal procedimento di scalatura, sono stati valutati assieme alla presentazione di soluzioni correttive. Il design meccanico è stato ampiamente descritto, evidenziando tutte le scelte effettuate durante la progettazione e presentando le condizioni di carico rilevanti per le verifiche effettuate sui componenti. La torre del prototipo di turbina eolica è stata studiata con l'obiettivo di verificare la similitudine con la struttura reale in termini di frequenze e modi di vibrare. Per i tre assi movimentati (movimento di imbardata della nacelle, rotazione del asse principale e angolo di beccheggio delle pale) sono stati progettati i relativi azionamenti. La movimentazione dell'ultimo asse citato è stata progettata considerando la logica di controllo IPC (controllo individuale del pitch), utilizzando degli attuatori Harmonic Drive. Infine i risultati della progettazione sono stati riassunti evidenziando il rispetto dei vincoli presenti.