Aero-structural wind turbine rotor optimization for high-turbulence environment

Traditional wind turbine rotor design routines make use of standardized wind models defined in international regulations. In certain cases, such as sites with complex topography, the wind conditions experienced by a wind turbine may differ significantly from those considered in the standards. A common feature of flows over complex terrain is higher turbulence. Neglecting this difference in the design phase may lead to subpar performance in sites with high atmospheric turbulence. This study explores the influence of turbulence on the optimal rotor design, focusing specifically on the rotor solidity. The optimizations are performed with the Cp-Max wind turbine design code, with the goal of minimizing the Levelized Cost of Energy (LCOE). The reference model is based on a Leitwind LTW-80 1 MW wind turbine. Since the original design does not necessarily constitute an optimal solution in the context of Cp-Max, a preliminary optimization is needed to create a baseline solution, against which the results at higher turbulence can be compared. The work is divided in three parts. The first phase deals with the creation of a mathematical model representing the real wind turbine as close as possible. The second stage addresses the optimization of said model in Cp-Max, while keeping the rotor solidity and inflow turbulence of the original design. The third part concerns the optimization of the rotor at higher turbulence levels. The study of the optimal rotor solidity is accomplished by means of a parametric analysis, whereby an aero-structural optimization is performed on a grid of solidity-turbulence values. The analysis of the results reveals that the trend of the LCOE with respect to both solidity and turbulence is dominated by that of the Annual Energy Production, while the trends of blade mass and cost have negligible influence. The curves of the LCOE as a function of solidity at the different turbulence levels exhibit an approximately U-shaped profile, with a shallow minimum at around 95-110% of the original solidity. The data show a slight progression of the point of minimum LCOE towards lower solidity as turbulence increases, but the high relative uncertainty in the curves warrants further research to confirm the results.

Le procedure tradizionali per la progettazione di rotori di aerogeneratori si servono di modelli di vento standardizzati e codificati nelle normative internazionali. In casi specifici, come ad esempio in siti dall'orografia complessa, le condizioni del vento possono differire notevolmente da quelle considerate negli standard. Una caratteristica comune di tali flussi è un livello di turbolenza elevato. Trascurare questa differenza in fase di progettazione potrebbe portare a prestazioni inferiori alle aspettative in siti ad alta turbolenza. Questo studio si occupa di analizzare l'effetto della turbolenza sul design ottimale del rotore, con particolare riferimento all'ottimizzazione della solidità rotore. Le ottimizzazioni sono realizzate con il codice di progettazione di turbine eoliche Cp-Max, con lo scopo di minimizzare il costo livellato dell'energia (LCOE). Il modello di riferimento è basato su una turbina eolica Leitwind LTW-80 da 1 MW. Dal momento che la macchina originale non costituisce necessariamente una soluzione ottima in Cp-Max, una prima ottimizzazione è necessaria per creare un modello base con cui comparare le soluzioni a turbolenza elevata. Il lavoro è diviso in tre parti. La prima riguarda la creazione di un modello matematico che riproduca la turbina originale il più fedelmente possibile. La seconda parte affronta l'ottimizzazione iniziale di tale modello, mantenendo gli stessi valori di solidità rotore e turbolenza del progetto originale. La terza fase concerne l'ottimizzazione del rotore con livelli di turbolenza più alti. Lo studio della solidità ottimale avviene attraverso un'analisi parametrica, nel quale un'ottimizzazione aero-strutturale separata viene effettuata per ciascun punto di una griglia di valori di solidità e turbolenza. L'analisi dei risultati rivela che l'andamento del LCOE rispetto a solidità e turbolenza è dominato da quello della produzione annua di energia (AEP), mentre le tendenze di costo e massa pala influiscono in maniera trascurabile. Le curve del LCOE in funzione della solidità per i diversi livelli di turbolenza hanno un profilo ad U, con un ampio minimo attorno al 95-110% della solidità originale. I dati mostrano una debole tendenza allo spostamento del minimo LCOE verso solidità più basse all'aumentare della turbolenza, ma l'elevata incertezza relativa delle curve richiede ulteriori studi per confermare i risultati.