In recent decades, renewable energy sources have emerged as viable alternatives to traditional energy sources with the aim of shifting the energy mix towards cleaner technologies. Among them, wind power stands out as one of the fastest-growing renewable technologies. Along with this increase of installed capacity, year after year, the wind industry has been developing bigger and bigger rotors to take advantage of economies of scale and lower the cost of energy. Bigger blades require thicker airfoils in the root sections to provide the appropriate mechanical resistance, but at the cost of lower aerodynamic performances due to boundary layer separation that occurs at low wind speeds on these profiles. Passive flow control devices like vortex generators appear to be a viable solution to overcome the drawbacks of thicker airfoils, by applying them on the thick sections, delaying stall behavior to increase the Annual Energy Produced. The aim of this thesis is to model the influence of vortex generators mounted on root sections of large horizontal axis wind turbine blades with a numerical approach based on the Blade Element Momentum Theory, both in single turbine and in wind farm configurations. The aerodynamic proprieties of the profile with VGs will be modeled adopting the results from a CFD modeling of the DU97W300 airfoil with and without VGs. The BEM Theory simulation of a test turbine is performed through the open-source code OpenFAST to extrapolate key performance parameters of the turbine in the two configurations: with and without VGs mounted. These parameters are then used to run a sensitivity analysis to wind regimes of the AEP increase due to the application of VGs, modeling the wind as a Weibull distribution and finding the values of its coefficients at which the VGs would theoretically give the best contribution to power production for the selected test turbine. The output of the BEM simulation will be also used to test two real-world case studies to estimate the AEP increase, using historical wind data of the selected locations to simulate the influence that the VGs would have in likely scenarios, both on a single turbine and on turbines of a wind farm. These results show how, in spite of wakes effects, the VGs would be beneficial for the AEP even in wind farms, but confirm that their contribution is strongly dependent on wind regimes and wind turbines characteristics: they register best energy production increases when mounted on wind turbines subject wind speeds below rated conditions. The proposed BEM approach can be adopted, using CFD simulation of vortex generators to characterize the performance of the airfoils, to model the influence of VGs in real case studies and find the best fields of application from a point of view of the energy produced.

Negli ultimi decenni le energie rinnovabili si sono affermate come valida alternativa alle fonti tradizionali di energia con l’obiettivo di modificare il mix energetico a favore di tecnologie più pulite. Tra queste, l’energia eolica si distingue come una delle tecnologie rinnovabili in più rapida crescita. Insieme all’aumento della capacità installata, anno dopo anno, l’industria eolica ha sviluppato rotori sempre più grandi per sfruttare le economie di scala e ridurre il costo dell’energia. Le pale più grandi richiedono profili più spessi nelle sezioni alla radice per fornire la resistenza meccanica appropriata, ma al costo di prestazioni aerodinamiche inferiori a causa della separazione dello strato limite che su questi profili si verifica a basse velocità del vento. I dispositivi di regolazione dello stallo, come i generatori di vortici, appaiono come una valida soluzione per mitigare gli effetti negativi dei profili alari più spessi, tramite l’applicazione degli stessi sulle sezioni alla radice per aumentare l’energia annuale prodotta (AEP). Lo scopo di questa tesi è quello di modellare l’influenza dei generatori di vortici montati sulle sezioni alla radice delle pale di grandi turbine eoliche ad asse orizzontale con un approccio numerico basato sulla Teoria BEM per calcolare i benefici in termini di AEP, sia in configurazione a turbina singola che in parchi eolici. Le proprietà aerodinamiche del profilo con i VGs vengono modellate con i risultati di una simulazione CFD del profilo DU97W300, con e senza VGs. La simulazione BEM di una turbina di test viene eseguita con il codice open-source OpenFAST per estrapolare i parametri di prestazione della turbina, con e senza VGs. Questi parametri sono utilizzati per eseguire un’analisi di sensibilità alle condizioni del vento dell’aumento dell’AEP derivante dall’applicazione dei VGs, modellando il vento come una distribuzione di Weibull e trovando i valori dei suoi parametri per i quali i VGs darebbero teoricamente il maggior contributo alla produzione di energia per la turbina in esame. L’aumento dell’AEP viene testato in due casi studio reali, utilizzando dati storici del vento nelle località selezionate per simulare l’influenza che i VGs avrebbero in scenari verosimili, sia su una singola turbina che in un parco eolico. Questi risul- tati mostrano come, nonostante gli effetti di scia, i VGs siano vantaggiosi anche nei parchi eolici, ma confermano che il loro contributo è fortemente dipendente dalle condizioni annuali del vento e dalle caratteristiche delle turbine: i maggiori incrementi produzione di energia vengono registrati quando le turbine eoliche sono soggette a velocità del vento inferiori alle condizioni nominali. L’approccio BEM proposto può essere adottato, utilizzando i dati della simulazione CFD dei VGs, per caratterizzare le prestazioni dei profili alari e per modellarne l’influenza in casi reali e trovare i migliori campi di applicazione da un punto di vista dell’energia prodotta.

BEM theory modeling of horizontal axis wind turbines : single turbine and wind farm configurations with application of vortex generators

Palumbo, Gianmarco
2020/2021

Abstract

In recent decades, renewable energy sources have emerged as viable alternatives to traditional energy sources with the aim of shifting the energy mix towards cleaner technologies. Among them, wind power stands out as one of the fastest-growing renewable technologies. Along with this increase of installed capacity, year after year, the wind industry has been developing bigger and bigger rotors to take advantage of economies of scale and lower the cost of energy. Bigger blades require thicker airfoils in the root sections to provide the appropriate mechanical resistance, but at the cost of lower aerodynamic performances due to boundary layer separation that occurs at low wind speeds on these profiles. Passive flow control devices like vortex generators appear to be a viable solution to overcome the drawbacks of thicker airfoils, by applying them on the thick sections, delaying stall behavior to increase the Annual Energy Produced. The aim of this thesis is to model the influence of vortex generators mounted on root sections of large horizontal axis wind turbine blades with a numerical approach based on the Blade Element Momentum Theory, both in single turbine and in wind farm configurations. The aerodynamic proprieties of the profile with VGs will be modeled adopting the results from a CFD modeling of the DU97W300 airfoil with and without VGs. The BEM Theory simulation of a test turbine is performed through the open-source code OpenFAST to extrapolate key performance parameters of the turbine in the two configurations: with and without VGs mounted. These parameters are then used to run a sensitivity analysis to wind regimes of the AEP increase due to the application of VGs, modeling the wind as a Weibull distribution and finding the values of its coefficients at which the VGs would theoretically give the best contribution to power production for the selected test turbine. The output of the BEM simulation will be also used to test two real-world case studies to estimate the AEP increase, using historical wind data of the selected locations to simulate the influence that the VGs would have in likely scenarios, both on a single turbine and on turbines of a wind farm. These results show how, in spite of wakes effects, the VGs would be beneficial for the AEP even in wind farms, but confirm that their contribution is strongly dependent on wind regimes and wind turbines characteristics: they register best energy production increases when mounted on wind turbines subject wind speeds below rated conditions. The proposed BEM approach can be adopted, using CFD simulation of vortex generators to characterize the performance of the airfoils, to model the influence of VGs in real case studies and find the best fields of application from a point of view of the energy produced.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2021
2020/2021
Negli ultimi decenni le energie rinnovabili si sono affermate come valida alternativa alle fonti tradizionali di energia con l’obiettivo di modificare il mix energetico a favore di tecnologie più pulite. Tra queste, l’energia eolica si distingue come una delle tecnologie rinnovabili in più rapida crescita. Insieme all’aumento della capacità installata, anno dopo anno, l’industria eolica ha sviluppato rotori sempre più grandi per sfruttare le economie di scala e ridurre il costo dell’energia. Le pale più grandi richiedono profili più spessi nelle sezioni alla radice per fornire la resistenza meccanica appropriata, ma al costo di prestazioni aerodinamiche inferiori a causa della separazione dello strato limite che su questi profili si verifica a basse velocità del vento. I dispositivi di regolazione dello stallo, come i generatori di vortici, appaiono come una valida soluzione per mitigare gli effetti negativi dei profili alari più spessi, tramite l’applicazione degli stessi sulle sezioni alla radice per aumentare l’energia annuale prodotta (AEP). Lo scopo di questa tesi è quello di modellare l’influenza dei generatori di vortici montati sulle sezioni alla radice delle pale di grandi turbine eoliche ad asse orizzontale con un approccio numerico basato sulla Teoria BEM per calcolare i benefici in termini di AEP, sia in configurazione a turbina singola che in parchi eolici. Le proprietà aerodinamiche del profilo con i VGs vengono modellate con i risultati di una simulazione CFD del profilo DU97W300, con e senza VGs. La simulazione BEM di una turbina di test viene eseguita con il codice open-source OpenFAST per estrapolare i parametri di prestazione della turbina, con e senza VGs. Questi parametri sono utilizzati per eseguire un’analisi di sensibilità alle condizioni del vento dell’aumento dell’AEP derivante dall’applicazione dei VGs, modellando il vento come una distribuzione di Weibull e trovando i valori dei suoi parametri per i quali i VGs darebbero teoricamente il maggior contributo alla produzione di energia per la turbina in esame. L’aumento dell’AEP viene testato in due casi studio reali, utilizzando dati storici del vento nelle località selezionate per simulare l’influenza che i VGs avrebbero in scenari verosimili, sia su una singola turbina che in un parco eolico. Questi risul- tati mostrano come, nonostante gli effetti di scia, i VGs siano vantaggiosi anche nei parchi eolici, ma confermano che il loro contributo è fortemente dipendente dalle condizioni annuali del vento e dalle caratteristiche delle turbine: i maggiori incrementi produzione di energia vengono registrati quando le turbine eoliche sono soggette a velocità del vento inferiori alle condizioni nominali. L’approccio BEM proposto può essere adottato, utilizzando i dati della simulazione CFD dei VGs, per caratterizzare le prestazioni dei profili alari e per modellarne l’influenza in casi reali e trovare i migliori campi di applicazione da un punto di vista dell’energia prodotta.
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