Integration of airfoil design within a system-level optimization framework

Over the last years, wind turbine design and optimization moved towards a system-design approach, combining mid-to-high fidelity models with suitable optimization schemes in order to automatically achieve the best compromises between all design aspects. Nevertheless, the airfoil shapes along the blade have been included as part of such integrated methods only in few works, as they are usually designed in a standalone or simplified environment. The lack of a feed-back loop between the aerodynamics and the structure of the blade generally leads to a sub-optimal solution. In this background, it seems natural to investigate potential benefits of a complete free-form methodology within the consolidated Cp-Max optimization suite. This algorithm consists of a multi-level architecture where an external macro loop handles some global parameters of the wind turbine and uses them to guide a set of inner optimization procedures towards cost-minimizing solutions. The latter ultimately performs the aero-structural design of the machine and its relative control laws. In this work, it is studied the possibility to extend the design capabilities of the code by integrating the design of airfoils in its workflow. The idea is to provide a flexible tool able to perform aero-servo-structural analyses and/or optimization within a reasonable time, so that the user can immediately seize the impact of different choices. The main goal is to find innovative design trends which can improve the efficiency of wind turbines through specific airfoil shapes. All tests are conducted on a 3.35MW reference wind turbine, representing the state-of-the art machine for the onshore, low wind market. The complexity of the model is progressively augmented in the pursuit of better realism and relevant results with direct implications on the current design methodologies. At first, the focus is on keeping computational time low with a purely aerodynamic optimization of the airfoils, whose shapes are described through the CST parameterization to ensure adequate completeness, robustness and parsimoniousness. The aerodynamic design is then performed by the dedicated submodule of the program which seeks a genuine AEP maximization. The number of airfoils set "free" will be incremented gradually, moving from the tip end of the blade towards the root. The structural part is introduced later, in the form of the minimization of the blade mass when subjected to some load cases. Due to the code architecture, a lack of proper constraints will cause the optimization to try to excessively increase the aerodynamic performance, disfavoring the structural side. In this sense, the control of the airfoil design from the macro design loop is the keystone. Clearly, not all the variables describing the airfoils can be designed at macro level, so suitable global parameters must be identified to have a true multi-disciplinarity. Results will show that choosing to optimize the airfoil shape for a certain target thickness, with the latter directly controlled by the macro loop, is an effective way. In fact, the performance is expected to increase along with the blade loads, but the cost of a thicker composite structure should be counterbalanced by the improved energy production. Therefore, the optimization algorithm will hopefully be able to improve the KPI of the turbine when compared against a traditional methodology.

Nel corso degli ultimi anni la progettazione ed ottimizzazione delle turbine eoliche viene effettuata in ottica del sistema complessivo, combinando modelli a fedeltà medio-alta con schemi di ottimizzazione per ottenere in modo automatico i migliori compromessi tra tutti gli aspetti fondamentali del design. Tuttavia, le forme dei profili lungo la pala sono state incluse in tali metodi integrati solo in pochi lavori, essendo generalmente modificati in un ambiente a sé stante o semplificato. La mancanza di un anello di retroazione tra l'aerodinamica e la struttura della pala porta solitamente ad una soluzione sub-ottimale. In questo contesto, sembra naturale indagare sui potenziali benefici di una completa metodologia free-form all'interno della consolidata suite di ottimizzazione Cp-Max. Questo algoritmo presenta un'architettura multilivello in cui un macro loop esterno gestisce alcuni parametri globali della turbina e li utilizza per guidare una serie di procedure di ottimizzazione interne verso soluzioni volte alla riduzione dei costi. Quest'ultime eseguono il progetto aerostrutturale finale della macchina con le relative leggi di controllo. In questo lavoro si è studiata la possibilità di estendere le capacità di progettazione del codice integrando il design dei profili alari nel suo flusso di lavoro. L'idea di fondo è quella di fornire uno strumento flessibile in grado di eseguire analisi e/o ottimizzazioni aerostrutturali in un tempo ragionevole, di modo che l'utente possa immediatamente cogliere l'impatto delle sue scelte. Obiettivo principale è la ricerca di nuove tendenze che possano migliorare l'efficienza delle pale eoliche attraverso l'uso topico di forme aerodinamiche. Tutti i test sono condotti su una turbina di riferimento da 3.35 MW, che rappresenta una macchina dal design consolidato per siti terrestri a bassa intensità di vento. La complessità del modello è progressivamente aumentata alla ricerca di un maggiore realismo e di risultati con implicazioni dirette sulle metodologie di progettazione attuali. In un primo momento, ci si è focalizzati sull'ottimizzazione puramente aerodinamica dei profili, le forme dei quali sono descritte attraverso la parametrizzazione CST per garantire un'adeguata completezza, robustezza e parsimonia. Il design aerodinamico viene quindi eseguito dal sottomodulo dedicato del programma volto alla massimizzazione dell' AEP. Il numero di profili modificati verrà incrementato gradualmente, partendo dall'estremità libera della pala. La parte strutturale viene introdotta solo successivamente, sotto forma di minimizzazione della massa della pala quando questa viene sottoposta ad alcuni casi realistici di funzionamento. Per via dell'architettura del codice, la mancanza di vincoli adeguati farà sì che l'ottimizzazione tenti di aumentare eccessivamente le prestazioni aerodinamiche, sfavorendo il lato strutturale. Proprio per questo, il controllo del design del profilo dal loop di progettazione esterno presenta la criticità maggiore. Chiaramente, non tutte le variabili dei profili aerodinamici possono essere utilizzate a livello macro; è pertanto necessario identificare i parametri globali adatti per garantire una vera multidisciplinarietà dell'intero processo. I risultati mostreranno che una scelta efficace è quella di ottimizzare la forma del profilo alare per una certa richiesta di spessore, quest'ultimo controllato direttamente dal loop macro. Per quanto si è visto, un incremento prestazionale sarà certamente accompagnato da una maggiorazione dei carichi agenti sulle pale, ma il costo legato al conseguente ispessimento dei compositi dovrebbe essere controbilanciato dalla migliorata produzione energetica. In conclusione, ci si aspetta che l'algoritmo di ottimizzazione sia in grado di ottenere indici di performance della macchina migliori rispetto a una metodologia tradizionale.