Design of a 20MW two-bladed wind turbine

In recent years the need to move towards renewable energies has increased due to climate changes. From here the necessity to investigate this type of solutions, including wind energy. In this thesis a two-bladed wind turbine is compared with a three-bladed one in order to establish if it is a convenient solution. First of all a three-bladed baseline has been defined in order to make the comparison, starting from an existent baseline created in an academic environment, in order to make it realistic. From the pre-existent turbine almost all the characteristics have been maintained, except for the controller, which has been replaced by a more precise one, and the prebend, added in order to obtain a lighter solution. The obtained baseline results, in fact, lighter and cheaper with respect to the pre-existent, and thanks to the different controller, it produces a higher amount of energy per year. After the realization of the baseline, the two-bladed design has started. First, a teeter hinge (which is a torsional spring) has been added to decrease the loads on the hub, hence the spring has been sized. Then the results of the aerodynamic, prebend and structural optimizations are presented. In particular, the aerodynamic has been optimized in order to increase the dimension of the chord, this is paramount to enhance the rotor solidity. After that, the prebend has been optimized, for the same reasons for the three-bladed baseline. The maximum limit of the prebend is the same as the three-bladed, but they have a different shape, having different aerodynamic characteristics. The last step is the structural optimization, carried on in order for the blade to resist to all the loads. Eventually a comparison with the three-bladed baseline defined at the beginning of the thesis has been made. The comparison includes the power curves and key points information (such as mass of the blade, cost of energy and annual energy production), tip displacement, blade root, fatigue and ultimate loads and structural elements. Particular emphasis has been given to the three main aspects: mass, produced energy and costs. The mass of the single blade results higher with respect to the three-bladed, even if the total weight of the rotor is lower. The annual energy production is lower, as expected, since with two blades the maximum power coefficient reachable is lower. The cost of energy, that is the fundamental aspect for renewable energies, is slightly lower, but further study should be conducted to reduce it.

Negli ultimi anni l'esigenza di muoversi verso lo sviluppo di energie rinnovabili è cresciuto a causa del cambiamento climatico. Da qui è nata la necessità di investigare questo tipo di soluzioni, tra cui l'energia eolica. In questa tesi verrà confrontata una turbina eolica bipala con una turbina tripala per stabilire se sia una soluzione conveniente. Prima di tutto è stata definita una baseline tripala da usare per fare un confronto, partendo da un modello esistente progettato in ambito accademico, per creare un modello più realistico. Sono state mantenute quasi tutte le caratteristiche della turbina già esistente, tranne che per il controllo, per il quale è stata scelta una strategia più precisa e per il prebend, che è stato aggiunto per cercare di ottenere una soluzione più leggera. La baseline ottenuta risulta infatti essere più leggera ed economica rispetto a quella già esistente e, grazie al controllore diverso, produce una maggiore quantità di energia annua. Dopo aver realizzato la baseline, è iniziato il design della turbina bipala. Per prima cosa è stato aggiunta al modello una cerniera di teeter (una molla torsionale) per diminuire i carichi sul mozzo, quindi si è dovuta dimensionare anche questa. A seguire vengono presentati i risultati delle ottimizzazioni aerodinamica, del prebend e strutturale. In particolare, è stata condotta un'ottimizzazione aerodinamica per aumentare la dimensione massima della corda, questo è stato fondamentale per aumentare la solidità del rotore. Dopo di che è stato ottimizzato il prebend, per la stessa ragione per cui è stato aggiunto nella realizzazione della baseline tripala. Il limite massimo del prebend è lo stesso del tripala, ma hanno una forma diversa, avendo caratteristiche aerodinamiche diverse. L'ultima cosa da fare è stata l'ottimizzazione strutturale, condotta per permettere alla pala di resistere a tutti i carichi. Infine è stato fatto un confronto con la baseline tripala definita all'inizio di questo lavoro. Il confronto include le curve di potenza e i punti fondamentali (come massa della pala, costo dell'energia e energia prodotta annualmente), spostamento della tip, carichi in radice pala, a fatica e ultimi ed elementi strutturali. Particolare enfasi è stata data ai tre aspetti fondamentali: massa, energia prodotta e costi. La massa della singola pala risulta maggiore rispetto a quella del tripala, anche se la massa totale del rotore è minore. L'energia prodotta annualmente è minore, come ci si aspettava, poiché il coefficiente di potenza massimo raggiungibile è inferiore con due pale. Il costo dell'energia, che è l'aspetto fondamentale per le energie rinnovabili, è leggermente inferiore, ma si potrebbero condurre ulteriori studi per trovare un modo per ridurlo.