Adapting trailing edge flap control system for HAWT : the implementation in the BEM algorithm and an economic feasibility study

The aim of this Master Thesis it to analyse a specific part of a project proposed by Vestas concerning the study of the Trailing Edge Flap smart control system for Horizontal Axis Wind Turbines. It has been particularly interesting working together with Lorenzo Cantoni, since it has allowed the comparison between the projects and their different outcomes, obtained considering the diversity of the studied domains. This analysis will concern the variation of the power output of a turbine which undergoes the application of the flap through an elaboration of data with MATLAB. Then, the effect on the axial strains is studied. After that, an economic feasibility analysis of the introduction of the flap is performed. The first part of the thesis highlights the weak effect the flap has on the power output but shows the consequences that the installation of the flap has on the axial strains undergone by the turbine’s blades. The second part of the thesis starts from this result and goes on conceiving a bigger turbine that is subjected to the same axial strains of the first one thanks to the flap. Finally, the economic analysis compares these two configurations, applying the results on a real existing turbine: The Vestas V-90 used in the wind farm of Barrow (UK). The economic analysis ends up with the result that, on that specific turbine, the implemented configuration of the flap is convenient only if it costs less than £180.069,00 per turbine.

L’obiettivo di questa Tesi di Laurea Magistrale è quello di studiare una specifica parte di un progetto proposto da Vestas. Lo studio è focalizzato sull’applicazione per pale di turbine eoliche ad asse orizzontale chiamata “smart control Trailing Edge flap”. Il progetto è stato iniziato da me e da un altro studente, Lorenzo Cantoni, il quale ha studiato il comportamento a fatica tramite computazione fluidodinamica; ovviamente il confronto tra i risultati trovati da entrambi è stato periodico durante tutta la durata del progetto. L’obiettivo di questa tesi è quello di verificare quale sia l’effetto di un ipotetico flap sulla produzione di potenza della turbina nel range di velocità del vento tra la velocità di cut-in e quella di cut-off. Questo obiettivo è stato raggiunto tramite l’implementazione di un programma su MATLAB che sfrutta l’algoritmo del Blade Element Moment (BEM). Sempre tramite MATLAB è stato poi studiato quale effetto si genera sugli sforzi assiali cui la turbina è sottoposta. Per ultimo ho eseguito un’analisi di fattibilità economica della soluzione in esame applicata ad una turbina reale e operante in un parco eolico esistente. La prima parte della tesi mette in luce il debole effetto che il flap è in grado di produrre sull’erogazione di potenza della turbina ma allo stesso tempo mostra una grande variazione per quanto riguarda gli sforzi assiali: la presenza del flap permette loro di ridursi notevolmente. La seconda parte della tesi si sviluppa dai risultati della prima e opera un confronto tra due turbine. La turbina di riferimento è la turbina operante nel parco eolico di Barrow, in Inghilterra, la Vestas V-90 3MW. La seconda turbina presa in esame è una turbina identica alla precedente, ma alla quale è stato installato il flap e incrementato il diametro, affinché il diagramma degli sforzi assiali delle due turbine risultasse simile. Confrontare queste due turbine, a parità di condizioni, permette di valutare quale possa essere un possibile costo massimo di questa tecnologia poichè risulti economicamente valida in una possibile futura applicazione. Il risultato finale garantisce questa possibilità nel caso in cui la spesa globale in conto capitale per turbina dedicata al flap sia inferiore a £180.069,00. Questo valore fornirà un riferimento per gli sviluppi futuri del progetto e permetterà una più consapevole scelta delle componenti da installare, nonché potrebbe portare alla variazione dei parametri ipotizzati in questa prima fase per variarne i risultati.