Design and optimization of a modular Electro-Thermal Ice Protection System for an Horizontal Axis Wind Turbine

In this thesis, the design and optimization of a modular Electro-Thermal Ice Protection System is presented on the 5MW NREL reference wind turbine. The work moves from a previous preliminary IPS design which showed large room of improvement in terms of power consumption. The IPS is designed considering variable heat fluxes in both the stream-wise and span-wise directions. The best combination of heat fluxes and stream-wise lengths to be assigned to each heater was investigated for three different optimization objectives, addressing both limited ice formation and limited power availability constraints, where ice accretion is expected to occur. The protected region covers the outer-half part of the blade and 5 representative sections were selected, according to the BEMT, for the anti-ice simulations of a 3-hour long icing event. The optimization problem is solved by means of the MADS algorithm. Preliminary results for the optimization performed with the objective of minimizing power consumption while assuring no-ice formation highlighted the over-design of the stream-wise protected length, so an adjusted reduced covered area was proposed and analysed. Optimizations performed on the new IPS geometry pointed out interesting power savings reached in the fully evaporative IPS mode and when ice was allowed to form up to 2 cm. By imposing the limited power constraint a very large ice accretion was obtained. Furthermore, the inefficiency of a technological solution aimed at considering uniform heat fluxes along the blade span was highlighted, as temperature showed high peaks caused by unnecessarily large heat fluxes that could also lead to material degradation. A final optimized heat flux distribution, both in the stream-wise and span-wise direction is found that can guarantee low power consumption while assuring no or limited ice formation.

In questa tesi vengono presentati il design e l'ottimizzazione di un Sistema Protezione Ghiaccio Elettro-Termico applicato alla pala di una turbina NREL 5MW. Il lavoro prende spunto da una progettazione IPS precedentemente eseguita e che ha fornito parecchi spunti sul possibile miglioramento del sistema dal punto di vista del consumo energetico. L'IPS è progettato in maniera tale da produrre flussi di calore variabili sia nella direzione di apertura della pala che nella direzione di corda dei profili di cui è composta. In particolare, è stata ricercata la migliore combinazione tra i flussi di calore e le dimensioni in direzione di corda da assegnare a ogni riscaldatore componenete il sistema, analizzando tre differenti obiettivi di ottimizzazione, riguardanti sia l'imposizione di restrizioni sulla formazione di ghiaccio che l'assegnazione al sistema di una determinata potenza disponibile scelta a monte, laddove fosse prevista la formazione di ghiaccio. La zona protetta copre la metà esterna della pala e 5 sezioni rappresentative sono state selezionate come candidate, in accordo con la BEMT, per simulazioni anti-ghiaccio di un evento critico della durata di 3 ore. Il problema di ottimizzazione è stato risolto sfruttando l'algoritmo MADS. I risultati preliminari, per l'ottimizzazione effettuata con l'obiettivo di minimizzare il consumo di potenza garantendo l'assenza di formazione di ghiaccio, hanno evidenziato un over-design della lunghezza protetta in direzione della corda, di conseguenza, riducendo tale parametro, un'area protetta di dimensione inferiore è stata proposta e analizzata. Le ottimizzazioni effettuate sulla nuova geometria dell'IPS hanno mostrato degli interessanti risparmi di potenza raggiunti sia nel caso di analisi del sistema in configurazione di completa evaporazione che nel caso in cui è stata concessa la formazione di uno strato di ghiaccio fino all'altezza 2 cm. Imponendo invece un vincolo sulla potenza totale a disposizione dell'IPS, è stata riscontrata la formazione di una gran quantità di ghiaccio. Infine, è stata anche evidenziata l'inefficienza di una soluzione tecnologica volta a considerare flussi di calore uniformi nell'apertura della pala, in quanto la distribuzione di temperatura superficiale sulle sezioni ha mostrato la presenza di alti picchi causati da flussi di calore troppo elevati e in grado di condurre ad un deterioramento del materiale. Infine è stata ottenuta un'ottimale distribuzione dei flussi di calore, sia nella direzione di apertura che nella direzione di corda della pala, che garantisse un basso consumo di potenza e contemporaneamente assicurasse una limitata formazione di ghiaccio.