CFD analysis of active wake mixing strategies for wind farm control

Wind Farm Control is being an active and crucial field of research that aims at improving the performance of wind plants as a whole, through the coordinated control of the operations of individual turbines. In this thesis the focus is on a technique able to enhance wake dissipation through a Periodic Collective Motion of wind turbine blades, particularly through the sinusoidal variation of the blade pitch angle. The methodology to test this control method is based on high-fidelity computational fluid dynamics simulations of the flow field. The aim of this thesis is to give the POLI-Wind Laboratory insights on the wake mixing mechanism and understanding the influence of Periodic Collective Motion on power production. The tools chosen are SOWFA coupled with FAST, which have been developed by the NREL for CFD and structural analysis of wind turbines. Both softwares use the Actuator Line Model to project wind turbine forces onto the flow field. In uniform flow, PCM has been proven to be effective in two-turbines simulations and to give power gains up to 20% with respect to the Baseline case.

Il controllo del parco eolico è un campo della ricerca attivo e cruciale, il cui obiettivo è di migliorare le performance globali degli impianti eolici, attraverso il controllo coordindato delle operazioni sulle singole turbine. In questa tesi il focus è su un metodo in grado di aumentare la dissipazione della scia attraverso il moto periodico collettivo delle pale della turbina, in particolare attraverso una variazione sinusoidale dell'angolo di pitch. La metodologia per testare questo metodo di controllo è basata su simulazioni di fluidodinamica computazionale ad alta-fedeltà del campo di moto. Lo scopo di questa tesi è di dare al POLI-Wind Laboratory approfondimenti sul meccanismo di rimescolamento della scia e dell'impatto che il moto periodico collettivo ha sulla produzione di potenza. Gli strumenti scelti per fare questo sono SOWFA in accoppiamento con FAST, che sono stati svillupati da NREL per analisi CFD e strutturali delle turbine eoliche. Entrambi i software usano il modello della linea portante per proiettare le forze della turbina eolica sul campo di moto. In simulazioni con vento uniforme e due turbine, il moto periodico collettivo è stato dimostrato efficace, dando guadagni in potenza del 20% rispetto al caso base di riferimento.