Analysis and design of a 20MW two-bladed wind turbine

In recent times there has been considerable interest in the development and improvement of renewable energy. Wind energy is one of the most encouraging and exponentially growing sources and together with other renewable energies will be fundamental for future energy demand. For this reason, the nominal power and size of wind turbines increase continuously as well as their complexity, due to the fact that the higher flexibility of the structural components ignites a fully aero-elastic response of the system. The use of multidisciplinary optimization software has become a necessity to reduce loads, costs and to increase energy production. The aim of this project is to analyze a 20MW two-bladed turbine to highlight the possible advantages and disadvantages with respect to a standard three-bladed turbine with the same power. The first part of the work concerns the modification of the Cp-Max multidisciplinary optimization software to allow the code to also manage two-bladed turbine models. This category of turbines needs a teeter hinge, connecting the rotor to the hub, to allow the oscillation of the rotor around its plane, thus reducing the loads transferred to the hub and the tower. To estimate correctly the turbine performances, it is necessary to identify the azimuth angle at which the static analyses are performed. However, the most important code modification concerns the computation of the clearance between the tower and the blade tip. It is essential to update the computation procedure of this constraint as the teeter hinge allows the rotor to oscillate around its axis and consequently the blade to approach the tower. The clearance is the sum of the deflection of the blade and the displacement due to the teeter angle. After these modifications, Cp-Max can also deal with two-bladed turbines and the optimization modules can be used to design the machine. The second part of the work concerns a design step-by-step of a two-bladed 20MW upwind wind turbine. The advantage of having one less blade involves a reduction of the AEP, as a consequence it is necessary to modify the external shape of the blade changing the solidity of the rotor. This procedure allows to improve the rotor aerodynamics and the energy captured. An additional step needed for a two-bladed turbine is the sizing of the stiffness of the teeter hinge. This has to be done by looking at the most critical conditions to obtain a reasonable maximum angle deflection of the hinge. Then a parametric analysis is performed comparing different combinations of up-tilt and stiffness of the teeter, by an optimization with the structural submodule of Cp-Max for each one of these combinations. Finally, a preliminary comparison is made between a two-bladed and a three-blade configuration, observing the energy captured, the mass, the cost of energy and the loads, so as to understand the possible advantages and disadvantages of the two different configurations.

Negli ultimi tempi c'è stato un notevole interesse per lo sviluppo e il miglioramento delle energie rinnovabili. L'energia eolica è una delle fonti più incoraggianti e in crescita esponenziale, e insieme ad altre energie rinnovabili sarà fondamentale per la futura domanda energetica. Per questo motivo, la potenza nominale e le dimensioni degli aerogeneratori continuano a crescere così come la loro complessità, dovuta al fatto che la maggiore flessibilità dei componenti strutturali implica una risposta aeroelastica di tutto il sistema. L'utilizzo di software di ottimizzazione multidisciplinare è diventato una necessità per ridurre i carichi, i costi e per aumentare la produzione di energia. Lo scopo di questo progetto è quello di analizzare un aerogeneratore a due pale da 20MW per evidenziare i possibili vantaggi e svantaggi rispetto ad un aerogeneratore standard a tre pale di pari potenza. La prima parte del lavoro riguarda la modifica del software di ottimizzazione multidisciplinare Cp-Max per consentire al codice di gestire anche modelli di turbina a due pale. Questa categoria di turbine necessita di una cerniera oscillante, che colleghi il rotore al mozzo, per consentire l'oscillazione del rotore attorno al suo piano, riducendo così i carichi trasferiti al mozzo e alla torre. Per stimare correttamente le prestazioni della turbina, è necessario identificare l'angolo azimutale al quale eseguire le analisi statiche. Tuttavia, la modifica del codice più importante riguarda il calcolo della distanza tra la torre e la punta della pala. È essenziale aggiornare la procedura di calcolo di questo vincolo poiché la cerniera oscillante consente al rotore di oscillare attorno al proprio asse e di conseguenza alla pala di avvicinarsi alla torre. Il gioco è la somma della flessione della pala e dello spostamento dovuto all'angolo di oscillazione. Dopo queste modifiche, Cp-Max può anche occuparsi di aerogeneratori bi-pala e i moduli di ottimizzazione possono essere utilizzati per progettare la macchina. La seconda parte del lavoro riguarda la progettazione passo passo di una turbina eolica bi-pala da 20MW con configurazione controvento. Il vantaggio di avere una pala in meno comporta una riduzione dell'AEP, di conseguenza è necessario modificare la forma esterna della pala cambiando la solidità del rotore. Questa procedura permette di migliorare l'aerodinamica del rotore e l'energia catturata. Un ulteriore passaggio necessario per una turbina a due pale è il dimensionamento della rigidità della cerniera oscillante. Ciò deve essere fatto osservando le condizioni più critiche per ottenere una ragionevole flessione angolare massima della cerniera. Quindi viene eseguita un'analisi parametrica confrontando diverse combinazioni di up-tilt e rigidità della cerniera, mediante un'ottimizzazione con il sottomodulo strutturale di Cp-Max per ciascuna di queste combinazioni. Infine, viene effettuato un confronto preliminare tra una configurazione a due pale e una a tre pale, osservando l'energia catturata, la massa, il costo dell'energia e dei carichi, in modo da comprendere i possibili vantaggi e svantaggi delle due diverse configurazioni.