Free form methodology for aero-structural optimization of wind turbine blades

The design of wind turbine blades is a multi-disciplinary task, which requires to deal with multiple objectives and constraints, often in conflict with one another. Concerning the aerodynamic design of the blade, current strategies require that the characteristics of airfoils are selected at the beginning of the process, usually under genuine two-dimensional considerentions. Subsequently, the shape and the structural properties of the blade are determined by an optimization process, which allows to maximize the blade performances in a direction which fulfills a set of active constraints. Considering that the initial choice of the airfoils can influence the final design in a substantial manner, this procedure implies some degree of uncertainty. Since the airfoils are considered frozen through the entire design process, this poses relevant limits which prevent a full exploration of the design space. This work investigates an innovative free-form approach for the aero-structural design of rotor blades. This method includes the airfoil shapes directly in the optimization process, in order to perform a simultaneous optimization of traditional design variables like chord, twist and structural elements together with the various airfoils along the blade. As a consequence, a higher level of sensitivity is expected, as much as an improved ability to explore the design domain. Since the airfoil shapes are automatically tailored to the evolution of the blade, this should result in a lower influence of the initial choice on the final configuration, leading to better performances of the blade and, eventually, of the entire wind turbine

L'idea di questo lavoro parte da alcune considerazioni riguardo lo stato dell'arte nell'ottimizzazione di pale eoliche. In particolare, per quanto riguarda il progetto aerodinamico, la pratica corrente consiste nello scegliere un set di profili alari che vengono poi assegnati alla pala a specifiche coordinate lungo l'apertura. Successivamente, il design globale della pala viene condotto per mezzo di una procedura di ottimizzazione vincolata che consente di ottenere un design ottimo in termini di alcune variabili di progetto, che tipicamente includono corda e twist della pala, così come variabili legate alla struttura. Il fatto che i vari profili non cambino durante l'ottimizzazione, pone dei seri limiti sulla reale efficacia dell'ottimizzazione, in quanto restringe significativamente il dominio di ricerca e costringe il design della pala in una direzione che dipende fortemente dai profili scelti inizialmente. Questo lavoro si propone di studiare le potenzialità di una metodologia di ottimizzazione free-form, in cui le forme dei singoli profili siano lasciate libere di variare, come ogni altra variabile interessata dall'ottimizzazione. Lo scopo del lavoro è lo sviluppo di un algoritmo di ottimizzazione che consenta il design simultaneo di pala (sia aerodinamicamente che dal punto di vista strutturale) e profili, al fine di migliorare la sensibilità dell'ottimizzatore rispetto alle variabili di progetto e consenta di ottenere miglioramenti progettuali in termini di costo dell'energia.