Wake modeling for downstream wind turbine fatigue load estimation

Due to reductions in installation and maintenance costs, wind turbines are often clus- tered in arrays, commonly referred to as wind farms. As the wind farms get denser, the generators spend increasingly more time in the wake of other turbines with negative repercussions on the power production and possibly on the loading of the machines. To reduce the effects of this phenomenon a shift in optimization perspective is necessary, from the single turbine to the overall wind farm. This is done by controlling the upstream turbines by either steering the wake away through a yaw angle misalignment or by reduc- ing the energy extracted from the wind through axial induction factor reduction so that the downstream turbines experience a more energetic and stable inflow. While a previ- ous work[1] has shown the potential of these strategies from a power production point of view, their effect on the fatigue loads of the downstream turbine is yet to be included. This thesis aims at bridging this gap by proposing a computationally light approach for evaluating fatigue loads on downstream wind turbines. To achieve this goal, firstly a very fast steady state open source code is employed to obtain the steady state wake properties of the wake generated by a state-of-the-art turbine for a range of different operational and environmental conditions. The inflow necessary for the aeroelastic software to calculate the loads history, is then obtained by dividing the wind into two regions, one with the properties of the steady state wake and added wake turbulence and another one where no wake effects are present. Through 220 aeroelastic simulations of 10 minutes each a look up table is then built and by interpolating over it the fatigue loads can be obtained for each condition in the initial domain. Results show that, for the cases considered, by operating in the wake the downstream turbine is always characterized by higher fatigue loads compared to the upstream generator. Nonetheless if compared to the uncontrolled condition, for the flapwise and fore-aft load some control combinations can reduce the DELs by respectively 8 % and 6 %.

A causa dei costi di installazione e manutenzione ridotti, le turbine eoliche sono spesso raggruppate in schiere, comunemente chiamate parchi eolici. Man mano che i parchi eolici diventano più fitti, i generatori spendono sempre più tempo nella scia di altre tur- bine con ripercussione negative sulla produzione di potenza e potenzialmente anche su i carichi delle macchine. Per ridurre gli effetti di questo fenomeno è necessario, durante l’ottimizzazione, spostare l’attenzione dalla singola turbina all’intero parco eolico. Ciò avviene controllando le turbine a monte, allontanando la scia attraverso un disallinea- mento dell’angolo di imbardata oppure riducendo l’energia estratta dal vento attraverso una riduzione del fattore di induzione assiale in modo che la turbina a valle senta un influsso più energico e stabile. Sebbene uno studio precedente [1] ha mostrato il poten- ziale di queste strategie dal punto di vista della produzione di potenza, il loro effetto sui carichi di fatica della turbina a valle non è ancora stato considerato. Questa tesi si pro- pone di colmare questa lacuna proponendo un approccio computazionalmente leggero per valutare i carichi a fatica di turbine a valle. Per questo obiettivo, in primo luogo è stato utilizzato un codice open source molto veloce per ottenere le proprietà della scia generata da una turbina allo stato dell’arte in stato stazionario per una serie di diverse condizioni operative e ambientali. L’influsso necessario per il software aeroelastico per calcolare la storia dei carichi, viene ottenuta dividendo il vento in due regioni, una con le proprietà della scia in stato stazionario e con una turbolenza di scia aumentata e un’altra in cui non sono presenti effetti di scia. Attraverso 220 simulazioni aeroelastiche di 10 minuti ciascuna, viene costruita la tabella dati e, interpolando su di essa, si possono ottenere i carichi a fatica per ogni condizione del dominio iniziale. I risultati mostrano che, per i casi considerati, lavorando nella scia, la turbina a valle è sempre caratterizzata da carichi a fatica più elevati rispetto al generatore a monte. Tuttavia, se paragonata alla condizione non controllata, per il carico flapwise e fore-aft alcune combinazioni di controllo possono ridurre i DEL rispettivamente dell’8 % e del 6 %.