Design of a Two-bladed 20 MW wind Turbine with a Yaw Control Strategy

Wind is the most exponentially growing source of green energy. In the next years, together with other sustainable sourced of energy, will be fundamental for the reaching of a carbon neutral society. This is the reason why, not only the number of installed turbine is growing, but also the performances of these machines: nominal power, dimensions and complexity. Due to the high level of flexibility of the components used for this structures, of aeronautical derivation, the use of multidisciplinary optimization software has become a necessity to reduce the loads acting on the structure and its costs and to increase energy production. The goal of this project is to design a 20 MW two-bladed wind turbine controlled in yaw and compare the performance and the characteristics of this machine with an equivalent one but with the classical pitch controller. Behind the idea of using only the yaw control system there is the goal of reducing the complexity and the cost of the blade, removing the pitch control system and leaving only the yaw ones. A first 20 MW wind turbine with two blades and a yaw control strategy was structurally optimized, performing all the simulations required by the regulations in a realistic environment and verifying that the turbine is fulfilling all the safety constrains. Finally it was possible to obtain a comparison between the pitch and yaw controlled turbines, observing the difference between different aspects: thickness of the structural components, mass of the blade, produced power and cost of the energy. To protect the machine from gusts while it is in power production, two LiDARs systems have been introduced. This devices are able to forecast the arrival of high speed gusts with a sufficiently big interval of time, giving the control system the possibility of protecting the turbine. The optimization procedure permitted to understand advantages and disadvantages of the two control strategies. The machine controlled in yaw suffered in some specific simulations in which, according to the regulations, the turbine lost the connection with the electrical network: the yaw control system could not intervene and the rotor was exposed to a high speed perpendicular wind, generating high loads on the blade, especially in edgewise direction. For this reason the thickness of the structural elements of the blade had to be increased, resulting in a heavier and more expensive blade. To overcome these issues a second machine was optimized: with the introduction of batteries, the yaw control system became able to protect the turbine even in those critical simulations. This resulted in a reduction of loads and so of the thickness of many structural components. The obtained blade was lighter and cheaper and it did not require a pitch control system; but this at the cost of the introduction not only of two LiDARs, but also of a battery.

Il vento si sta affermando come la fonte energetica rinnovabile in maggiore crescita. Nei prossimi anni, assieme con altre fonti di energia sostenibili, il suo impiego sarà fondamentale per raggiungere una socità a emissioni zero. Per questa ragione non solo il numero di turbine installate sta aumentando, ma anche le performance delle stesse: potenza nominale, dimensioni e complessità. A causa dell’elevatà flessibilità delle strutture utilizzate in questo settore l’utilizzo di software multidisciplinari per l’ottimizzazione è diventato necessario per ridurre i carichi agenti sulla struttura ed il suo costo e per aumentare l’energia prodotta. Lo scopo di questa tesi è la realizzazione di una macchina da 20 MW bipala con un sistema di controllo interamente in yaw e di comparare le caratteristiche e le prestazioni di questa turbina con una macchina nella stessa configurazione ma con un sistema di controllo standard in yaw. Questo è stato fatto per poter analizzare i pro ed i contro delle due strategie di controllo appicate alle turbine. Dietro all’idea di utilizzare il solo sistema di controllo in yaw c’è l’obiettivo di ridurre la complessità ed il costo del rotore, rimuovendo il sistema di controllo in pitch e lasciando solamente quello in yaw. Una prima macchina da 20 MW bipala con sistema di controllo è stata ottimizzata strutturalmente, svolgendo tutte le simulazioni richieste dalle reegolamentazioni in un ambiente realistico e verificando che tutti i vincoli di sicurezza fossero rispettati. È stato finalmente possibile ottenere un paragone tra la macchina controllata in pitch e la macchina controllata in yaw sotto differenti punti di vista: spessore degli elementi strutturali, massa della pala, energia prodotta e costo dell’energia. Per proteggere la turbina da raffiche mentre sta producendo energia è stato necessario introdurre due sistemi LiDAR. Questi strumenti sono in grado di prevedere l’arrivo di violente raffiche sulla turbina con un intervallo di tempo sufficientemente grande da dare al sistema di controllo la possibiltà di proteggere il generatore eolico. L’ottimizzazione ha permesso di capire vantaggi e svantaggi delle due strategie di controllo. La macchina controllata in yaw ha dimostrato di soffrire in particolare alcune specifiche simulazioni nelle quali, a causa delle regolazioni, la turbina perde la connessione con la rete elettrica; per questa ragione il sitema di controllo in yaw non risultava in grado di intervenire ed il rotore risultava esposto ad un vento perpendicolare ad alta velocità, il quale generava carichi elevati sulla pala, specialmente in direzione edgewise. Per questa ragione lo spessore degli elementi strutturali necessitava di essere aumentato, accrescendo il peso ed il costo della pala. Per superare queste criticità una seconda macchina è stata ottimizzata: con l’introduzzione di una batteria, il sistema di controllo in yaw risulta in grado di proteggere la turbina anche nelle simulazioni risultate in precedenza critiche. Ciò si è tradotto in una riduzione dei carichi e di conseguenza dello spessore di molti degli elementi strutturali. La pala così ottenuta risulta essere più leggera e più economica e non richiede il sistema di controllo in pitch; tutto ciò al costo dell’introduzione non solo del sistema LiDAR, ma anche di una batteria.