Autore CAMPAGNOLO, FILIPPO
Relatore BOTTASSO, CARLO LUIGI
Coordinatore VIGEVANO, LUIGI
Data 26-mar-2013
Titolo della tesi Wind tunnel testing of scaled wind turbine models: aerodynamics and beyond
Abstract in italiano L'innovazione e l'incremento del contenuto tecnologico nelle moderne turbine eoliche è stato possibile grazie all'introduzione di metodi di calcolo avanzati, che forniscono la possibilità di modellare l'interazione di più processi fisici complessi che si svolgono a diverse scale spaziali e temporali. Tuttavia, è chiaro come la capacità di progettare in modo efficace i sistemi eolici si basa, in ultima analisi, sulla fedeltà alla realtà dei modelli matematici utilizzati nelle simulazioni. Di conseguenza, vi è la necessità di convalidare tali modelli e calibrarne i parametri in modo da massimizzarne l'accuratezza. In tutti i settori della scienza, la validazione e la calibrazione dei modelli sono sempre state guidate dalla sperimentazione. Se si guarda all'energia eolica, sia in termini di singole turbine eoliche o wind-farm, prove e misurazioni condotte sul campo, sebbene estremamente preziose, presentano alcune criticità. In primo luogo, di solito è difficile avere una conoscenza completa e accurata delle condizioni di prova ambientali, che tra l'altro non possono, in generale, essere controllate, e, in secondo luogo, i costi e i tempi di prova sono spesso molto rilevanti. Per completare, coadiuvare e, quando possibile, sostituire la sperimentazione su campo, si può ricorrere all'utilizzo di modelli in scala. Infatti, sebbene con i modelli in scala sia di solito impossibile riprodurre esattamente tutti i fenomeni fisici coinvolti nel processo oggetto di studio a causa delle limitazioni legate alla scalatura, si ha un migliore controllo e conoscenza delle condizioni di prova, degli errori e dei disturbi. Inoltre, è possibile eseguire delle misure che potrebbero non essere realizzabili al vero, e, ancora più interessante, l'attività di test tipicamente richiede dei costi molto inferiori. E' quindi chiaro che la sperimentazione su modelli in scala non sostituisce né la simulazione ne le prove sul campo, ma lavora in sinergia con entrambe allo scopo di fornire strumenti di simulazione numerica validati e calibrati, oltre a migliorare la conoscenza del problema in esame e la valutazione di nuovi concetti e idee. In ambito eolico, svariati studi di ricerca relativi alla sperimentazione in galleria del vento di modelli turbina eolica possono essere trovati in letteratura. La maggior parte di questi studi si è occupata di problemi di carattere aerodinamico e hanno prodotto informazioni e misure molto preziose riguardanti le prestazioni dei rotori eolici, il comportamento dei profili alari, delle pale e della scia generata dalle stesse turbine eoliche. Tuttavia, l'aerodinamica è solo uno dei fenomeni che avviene nel processo di conversione dell'energia eolica e la cui comprensione è cruciale per una progettazione e un funzionamento ottimale delle macchine eoliche. Infatti, i carichi di progetto sulle medesime sono principalmente dettati da fenomeni transitori, dove gli effetti dei carichi inerziali ed elastici, così come le leggi di controllo in anello chiuso utilizzate per una varietà di compiti a bordo macchina, giocano un ruolo molto importante. Alla luce di queste premesse, si capisce come vi sia la possibilità di sfruttare ulteriormente i vantaggi legati alla sperimentazione in galleria del vento, che, di fatto, è in grado di supportare sia le attività di carattere prevalentemente aerodinamico che svariate indagini sperimentali relative allo studio dell'aero-servo-elasticità delle turbine eoliche. In questa tesi è stato quindi ampliato il dominio della sperimentazione nella galleria del vento su modelli in scala, andando oltre gli studi di carattere prettamente aerodinamico. A tal fine, sono stati progettati dei modelli aero-elastici in scala di un rotore eolico multi-MW, altamente strumentati e equipaggiati con sistemi di attuazione del passo pala e della coppia e capaci di fornire prestazioni aerodinamiche realistiche. La tesi riporta quindi la descrizione dettagliata dei modelli nonchè diverse applicazioni in cui gli stessi modelli sono stati coinvolti, quali lo studio della scia generata dalle macchine eoliche, nonchè lo studio della risposta della macchina in condizioni operative estreme (ad esempio forte disallineamento del vento, arresto d'emergenza successivo a guasti ai sotto-sistemi, ecc), qualcosa che è difficile da provare sul campo. I modelli sono stati inoltre usati a sostegno della ricerca relativa alle leggi di controllo e agli osservatori del vento, così come una varietà di indagini aeroelastiche è stata condotta quali lo studio dei carichi indotti dall'impatto della scia su un aerogeneratore. I modelli possono anche fornire dati sperimentali fondamentali al fine del confronto e della validazione di codici numerici (ad esempio LES, codici aeroelastici, ecc) e per testare l'efficacia delle tecniche di identificazione dei modelli. Inoltre, tra le caratteristiche uniche dell'apparato sperimentale vi sono la sperimentazione di algoritmi di controllo per wind-farm, nonché una migliore comprensione del potenziale effetto sinergico offerto dalla combinazione di tecniche di riduzione dei carichi passive e attive.
Abstract in inglese In wind energy, the increase in innovations and technological content has been possible introducing advanced computing methods, that provide the ability to model multiple complex interacting physical processes that take place at diverse spatial and temporal scales. However, it is clear as the ability to effectively design wind energy systems ultimately relies on the fidelity to reality of the mathematical models used in simulations. Consequently, there is a need to validate such models and to calibrate their parameters so as to maximize their accuracy. In all areas of science, validation and calibration have always been driven by experimentation. When looking at wind energy, both in terms of single wind turbines or wind farm system, testing and measurements conducted in the field, although invaluable, present some critical issues. First, it is usually difficult to have complete and accurate knowledge of the environmental testing conditions, which by the way cannot in general be controlled, and, secondly, costs and testing time are often quite relevant. To complement, support and, when possible, replace field testing, one can resort to the use of scaled models. In such testing conditions it is usually impossible to exactly match all relevant physics due to limitations of the scaling conditions, but a better control and knowledge of the testing conditions, errors and disturbances can be achieved. Furthermore, it may be possible to perform measurements which might not be feasible at full scale, and, even more interesting, the testing activity typically incurs in much lower costs. It is therefore clear as scaled testing does not replace simulation nor field testing, but works in synergy with both towards the goal of delivering validated and calibrated numerical simulation tools, as well as improving the knowledge of the problem at hand and evaluating new concepts and ideas. In wind energy, several research studies related to wind tunnel testing of wind turbine models can be found in the literature, but the vast majority of these latter is related to the area of aerodynamics and have produced valuable information and measurements regarding the performance of rotors and the behavior of airfoils, blades and wakes. Nonetheless, aerodynamics is only one of the phenomena that takes place in the wind energy conversion process and whose understanding is crucial for the most effective design and operation of wind turbines. In fact, design loads on wind turbines are mainly dictated by transient phenomena, where the effects of inertial and elastic loads, as well as of the closed-loop control laws used for a variety of tasks onboard the machine, play a very major role. Given the above considerations, we understand that there is the possibility to further exploit the advantages of testing in the wind tunnel, that, in fact, can support either predominantly aerodynamic activities or experimental investigations on the aeroservoelasticity of wind turbines. In this thesis, expanded scaled wind tunnel testing beyond the sole domain of aerodynamics is then proposed. To this end, aeroelastically scaled models of a multi-MW wind turbine, highly instrumented and featuring active individual pitch and torque control, have been designed so as to deliver realistic aerodynamic performance. The thesis reports detailed description of the models as well as several applications the models were involved to, as the investigation of wakes, their characteristics and modeling, or the study of the machine response in extreme operating conditions (e.g., high speed high yawed flow, emergency shut-down in high winds, response following failures of onboard sub-systems, etc.), something that is difficult to do in the field, or in support of research on advanced pitch-torque control laws, on load and wind observers, as well as a variety of other aeroelastic investigations such as the study of the effects of loads induced within a wind farm by wake impingement caused by upstream wind turbines. The models can also provide valuable benchmarks for comparison and validation of numerical codes (e.g., LES, aero-elastic codes, etc.) and for testing the effectiveness of system identification techniques. Moreover, among the unique characteristics of the presented experimental facility there are the testing of wind farm control algorithms, that can improve the wind farm efficiency by strategical control of the power extraction of the individual turbines, as well as a better understanding of the potential synergistic effect of active and passive load reduction techniques for wind turbines, thanks to the correct modeling of the aero-servo-elastic interaction.
Tipo di documento Tesi di dottorato
Appare nelle tipologie: Tesi di Dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/10589/80503