Structural and economic feasibility analysis of a 3.4 MW wooden wind turbine

This thesis analyses, from the main design perspectives, the feasibility of a wind turbine with tower and blades made entirely of spruce wood. The objective is to identify the most critical issues and, where possible, to propose effective solutions. The first part of the work discusses the reasons behind considering wood as an innovative material, followed by an in-depth look at how it is modelled for engineering purposes. The rheological model of wood is presented, which is a strongly orthotropic material, along with the adopted failure criterion, namely the Tsai-Wu criterion. The first analysis carried out is the structural one, performed using a finite element approach through two-dimensional FEM simulations with a DTU code called BECAS, applied to both the blade and the tower. The sectional loads used as inputs for the FEM simulations are obtained from OpenFAST, a code capable of simulating the aeroelastic behaviour of the turbine. Starting from the design of the IEA 3.4 MW turbine, a new design suitable for wood was then identified. This analysis revealed that the structural limit is markedly reached in the blade: the resulting new design is not feasible along its entire length, while the tower shows a considerably more realistic structural feasibility. Once the new design was defined, the machine’s behaviour was studied in terms of aerodynamic performance using the FASTTool code, also evaluating how the new turbine responds to the control strategy. Finally, a brief techno-economic analysis was carried out to highlight how the use of wood affects the LCOE and whether this solution offers greater benefits for onshore or offshore applications.

In questa tesi verrà analizzata, dai principali punti di vista progettuali, la fattibilità di una turbina eolica con torre e pale interamente realizzate in legno di abete. L’obiettivo è evidenziare le maggiori criticità e proporre, per quanto possibile, soluzioni risolutive. Nella prima parte dell’elaborato verranno discusse le ragioni che portano a considerare il legno come soluzione innovativa, per poi approfondire come questo materiale viene modellizzato a scopi ingegneristici. Verrà presentato il modello reologico del legno, che è un materiale fortemente ortotropo, e il criterio di rottura adottato, ovvero il criterio di Tsai-Wu. La prima analisi del progetto è quella strutturale, condotta con un approccio agli elementi finiti tramite simulazioni FEM bidimensionali attraverso un codice fornito dalla DTU chiamato BECAS, sia per la pala che per la torre. I carichi sezionali da imporre alle simulazioni FEM sono ottenuti da OpenFAST, un codice in grado di simulare il comportamento aeroelastico della turbina. A partire dal design della turbina IEA da 3.4 MW, è stato quindi individuato un nuovo design adatto all’utilizzo del legno. Questa analisi ha evidenziato un marcato raggiungimento del limite strutturale nella pala: il nuovo design ottenuto non risulta realizzabile sull’intera lunghezza della stessa, mentre la fattibilità della torre appare molto più realistica dal punto di vista strutturale. Una volta definito il nuovo design, è stato studiato il comportamento della macchina in termini di prestazioni aerodinamiche tramite il codice FASTTool, valutando anche come la nuova turbina risponde alla strategia di controllo. Infine, è stata condotta una breve analisi tecnico-economica per evidenziare come l’utilizzo del legno influenzi il LCOE e se questa soluzione comporti maggiori vantaggi per applicazioni onshore o offshore.