Wind turbine design under wind farm cost model

The current trend of scaling up wind turbines to higher rated power goes along well with the focus in the energy industry on wind farms rather than single wind turbines. Offshore is the next frontier environment for designing large and efficient wind energy plants to drive the green transition. This development needs to be backed up by research on wind farm dynamics and turbine interactions. In fact, the wake shed from a rotor may heavily impact the performance of others behind it, and while higher array spacing may mitigate the issue, it would also drive up some cost elements like the electrical transmission expenses. To cut the cost of electricity coming from a wind farm, the optimization of single wind turbines needs to be driven by wind farm merit figures. To this end, the present work starts with the integration of a Cost Model for Wind Farms, CosMo-WF, into an optimization routine for wind turbines, namely Cp-Max, the main tool here employed. The open-source Floris code is chosen to perform wind farm simulation, needed to compute the global power output taking rotor wake interactions into account. This work explores the low induction strategy, with the aim of designing wind turbines that operate at sub-optimal conditions, and extract less energy from the incoming flow, so that the systems downstream can benefit from less disturbed wind conditions. The analyses here presented show that this strategy has indeed the potential to increase the cost competitiveness of large scale wind farms.

La tendenza attuale di riprogettare le turbine eoliche per potenze nominali più elevate va in parallelo con l’interesse che il mercato energetico riveste sui parchi eolici piuttosto che sui singoli aerogeneratori. L’offshore rappresenta l’ambiente di frontiera per la progettazione di vaste ed efficienti centrali eoliche che accellerino la transizione energetica. Questa crescita deve essere sostenuta con studi di ricerca sulle dinamiche interne dei parchi eolici e le interazioni tra singoli generatori. Difatti, la scia rilasciata da un rotore può avere un pesante impatto sulle prestazioni degli altri a valle, e sebbene il problema si possa mitigare distanziando maggiormente le turbine, questo aumenterebbe anche alcuni elementi di costo come le spese di trasmissione elettrica. Per abbassare il costo dell’energia elettrica prodotta da una centrale eolica, l’ottimizzazione dei singoli aerogeneratori deve essere guidata da parametri di merito pertinenti al parco eolico stesso. Pertanto, questo progetto di tesi inizia con l’integrazione di un modello di costo per parchi eolici, CosMo-WF, all’interno di un codice per l’ottimizzazione di aerogeneratori, Cp-Max, lo strumento principale qui utilizzato. Il software open-source Floris viene adoperato per simulare le dinamiche delle centrali eoliche, necessarie per calcolare la potenza complessiva prodotta tenendo in conto gli effetti delle scie dei generatori. Questo studio esplora la strategia del rotore a bassa induzione, con l’obiettivo di progettare turbine eoliche che funzionino in condizioni subottimali ed estraggano meno energia dal flusso in arrivo, in modo che gli aerogeneratori a valle possano beneficiare di condizioni di vento meno disturbate. Le analisi qui presentate mostrano che la strategia può effettivamente essere vantaggiosa in termini di costi per parchi eolici su larga scala.