Design of a 1m-rotor wind turbine model for wind tunnel testing

Over the last years, the rising concerns over climate change, energy security, and environmental pollution have set a significant focus on the development of renewable energy sources. Among all the renewable energy sources, wind energy is by far the most promising and fastest-growing one. This translates into an increasing drive towards the development of groundbreaking and high-tech wind turbines. In this scenario wind tunnel testing of scaled wind turbine models is an extremely powerful and versatile tool in supporting the research, and it represents today a crucial step to build up more advanced structures and to analyze new control techniques. The aim of the following work is the design and characterization of a scaled model of the DTU 10MW Reference Wind Turbine. In greater detail, the model has been developed for testing purpose, to support wind farm as well as floating offshore wind turbine studies. PoliMi D1m wind turbine is conceived with a rotor diameter of 1m to fulfill the requirements dictated by the Politecnico di Milano's wind tunnel, so that the testing could be properly carried out. From the aerodynamic viewpoint, the blades have been designed to match the non dimensional thrust coefficient of the reference wind turbine at its design tip speed ratio and in its neighborhood. The model is equipped with pitch, torque and yaw actuators in order to test several control strategies in terms of maximization of power extraction as well as alleviation of fatigue loads. Moreover, it is sensorized with encoders for each actuator, and a 6-axis balance placed at the base of the nacelle, capable of measuring all the aerodynamic loads. Three different layouts for the tower unit are reported, based on the presence and the location of the yaw actuation mechanism. In conclusion, the feasibility of the DTU 10MW down-scaled model has been verified through the development of an advanced mechatronic system. However, only the results from physical tests in the wind tunnel will confirm the robustness and reliability of the designed model.

Negli ultimi anni, le crescenti preoccupazioni per il cambiamento climatico, la sicurezza energetica e l'inquinamento atmosferico hanno posto un'attenzione significativa sullo sviluppo di fonti energetiche rinnovabili. Tra tutte le fonti di energia rinnovabile, l'energia eolica è di gran lunga la più promettente e in più rapida crescita. Infatti, un crescente interesse è rivolto al continuo sviluppo di turbine eoliche sempre più innovative e altamente tecnologiche. In questo contesto, i test in galleria del vento su modelli in scala di turbine eoliche sono uno strumento estremamente potente e versatile a supporto della ricerca, e costituiscono un passaggio fondamentale per progettare e costruire strutture più avanzate e per analizzare nuove tecniche di controllo. Lo scopo del seguente lavoro è la progettazione e caratterizzazione di un modello in scala del DTU 10 MW Reference Wind Turbine. Più nel dettaglio, il modello è stato sviluppato per scopi sperimentali, quindi per supportare studi riguardanti wind farm e turbine eoliche offshore galleggianti. La turbina eolica PoliMi D1m è concepita con un rotore di diametro 1m per soddisfare i requisiti dettati dalla GVPM (Galleria del Vento Politecnico di Milano), così chè i test siano opportunamente eseguiti. Da un punto di vista aerodinamico, le pale sono state progettate per avere lo stesso coefficiente adimensionale di spinta della turbina eolica di riferimento al suo tip speed ratio nominale, e nel suo intorno. Il modello è dotato di attuatori per l'angolo di pitch, yaw e per il rotore, al fine di testare diverse logiche di controllo in termini di massimizzazione di potenza estratta e riduzione di carichi a fatica. Inoltre, è sensorizzato con encoders per ogni attuatore e una bilancia a 6 assi posizionata alla base della navicella, capace di misurare tutti i carichi aerodinamici. Sono presentate tre diverse configurazioni per la progettazione della torre, in base alla presenza e posizione del meccanismo di attuazione dell'angolo di yaw. In conclusione, è stata verificata la fattibilità di un modello in scala del DTU 10MW attraverso lo sviluppo di un sistema meccatronico avanzato. Tuttavia, solo i risultati dei test in galleria del vento confermeranno la solidità e l'affidabilità del modello progettato.