Dynamic induction control effects on wind turbine wake and on aeroelastic performance

Interest relative to renewable energy sources (RES) has shown a growing trend over last two decades. Among RES, wind energy has assumed a role of primary importance, strongly motivated by a not fully exploited potential yet, both technologically and as installed capacity. Recently, with the expectation of lowering cost of energy (COE), increasing attention has been paid to developing control strategies for the entire wind farm. Optimization focus is now moving from single machine to clusters of turbines, exploiting their more effective positioning in relation to available space and acting on some parameters of their control laws. In order to test how these new elements are affecting power production, a detailed description of the wind farm flow is required, which should be capable of correctly resolving all aerodynamic scales in question. Analyses carried out in the present work are part of the latter area. In particular, first for an isolated turbine with low turbulence intensity (TI) and then for two aligned turbines for low, intermediate and high TI values, effect of dynamic induction control (DIC) methods, here intended as a pitch periodic collective motion (PCM), was studied both in the wake and on power production of the wind turbines system. Large Eddy Simulations (using OpenFOAM) coupled with a structural solver (FAST) employing the Actuator Line Model (ALM) were conducted and atmospheric boundary layer (ABL) was included in modelling the wind plant. Three PCM control methods have been tested, namely a full-blade sinusoidal offset, a full-blade Gaussian offset and a sinusoidal offset applied on the 10% of blade span (starting from blade tip) which, in order to be modelled, required modification of AeroDyn FAST module. Obtained results, except for rotating tip, have shown that these strategies' effectiveness is strongly related to the wind farm layout on which they are applied. Furthermore, especially for Gaussian control, it has been seen that maximum wake recovery, compared to a case with standard control technique, occurs in the near wake. Best overall results, from the aerodynamic point of view, were obtained with Gaussian control applied on upstream machine, where, compared to a conventional control, percentage power gains of 4.45% and 7% were respectively observed when second turbine was positioned at 5 and 3 diameters downstream first machine. Moreover, every time DIC was present, an increase in load oscillations was detected both in upstream and downstream turbines, even if the latter was controlled in a conventional manner. Finally, a study on physics of PCM mixing process revealed its completely different phenomenology with respect to conventional wake recovery. The latter is mainly operated by random turbulence and becomes prominent after tip vortices have become unstable. Conversely, as DIC is enabled, entire tip shear layer rolls up around the strongest tip vortex at every PCM period, building up a system of large coherent and spatially separated vortices, capable of inducing a strong mixing from 1.5/2.5 diameters, depending on PCM strategy, and lasting until a 5 diameters distance downwind DIC-equipped turbine. This mechanism, thus DIC strategies' effectiveness, did not show a dependence on TI level in the near wake.

L'interesse nei confronti delle energie rinnovabili (RES) ha mostrato un aumento continuo negli ultimi anni. Tra questi l'energia eolica ha assunto un ruolo di rilevanza sempre maggiore, motivato da un potenziale ancora non totalmente sfruttato, sia tecnologicamente sia come capacità produttiva installata. Nell’ultima decade, si è posta un'attenzione crescente sullo sviluppo di strategie di controllo relative ad interi parchi eolici, cercando di rendere più efficiente la produzione di potenza, garantendo un sempre minor costo dell'energia (COE). Il focus dell'ottimizzazione si sta ormai spostando dalla singola macchina ad insiemi di turbine, sfruttando un loro posizionamento più efficace e gestendo alcuni parametri delle loro leggi di controllo. Al fine di testare tutti gli effetti che questi nuovi elementi introducono nella produzione di energia, è necessaria una descrizione della corrente intorno al sito eolico in grado di predire correttamente tutte le scale aerodinamiche in gioco. L'analisi svolta nel presente elaborato si colloca in quest'ultimo ambito. In particolare, prima per una turbina isolata, con bassa intensità di turbolenza (TI) e poi per due turbine allineate, con valori di TI basso, intermedio e alto, si è studiato l'effetto di controlli ad induzione dinamica assiale (DIC), nel presente elaborato intesi come una variazione periodica del pitch collettivo delle pale (PCM), sia sulla scia sia sulla produzione di potenza dell'impianto eolico. Sono state condotte analisi LES (OpenFOAM) accoppiate con un solutore strutturale (FAST) adottando un modello di Linea Portante (ALM) e si è inclusa nella modellazione la presenza dello strato limite atmosferico (ABL). Le leggi di controllo sperimentate sono state un offset sinusoidale per l'intera pala, un offset Gaussiano per l'intera pala e un offset sinusoidale per una porzione pari al 10% di pala, a partire dalla tip (per l'ultima è stata necessaria una modifica del modulo aerodinamico di FAST). I risultati ottenuti, eccetto che per la tip mobile, hanno evidenziato come l'efficacia di queste strategie sia fortemente legata al layout del sito eolico. Inoltre, specialmente per il controllo Gaussiano, si è visto come il massimo recupero di velocità, rispetto ad un controllo standard, si abbia nella scia vicina. Il controllo che ha fornito i migliori risultati dal punto di vista del recupero di velocità è stato quello Gaussiano applicato sulla macchina a monte. Mostrando guadagni di potenza percentuali, rispetto al caso senza DIC, di 4.45% e 7% quando la seconda turbina veniva posizionata rispettivamente a 5 e a 3 diametri in scia alla prima. In tutti i casi in cui il DIC era presente, un aumento delle oscillazioni dei carichi è stato rilevato sia nella macchina a monte sia in quella a valle, pur essendo quest’ultima controllata in modo convenzionale. Infine, uno studio sulla fisica della scia in presenza del PCM ha rivelato come il fenomeno di re-energizzazione sia in questo caso profondamente diverso dal convenzionale recupero di velocità dovuto alla turbolenza random. Il mixing inizia immediatamente a valle del rotore ed è operato principalmente da fenomeni di induzione dovuta a grandi vortici formatisi a seguito della pulsazione dell'angolo di incidenza. Questo meccanismo e, di conseguenza, l'efficacia dei DIC, non hanno mostrato una netta dipendenza dal livello di TI.