Desing optimization of wind turbines

This thesis aims at investigating the constrained aero-structural optimization of horizontal axis wind turbines. Various aspects of the design process are presented, focusing on the improvement of the classical configuration but also considering innovative solutions to extend the opportunities of design. The requirements are naturally included by constraint equations, providing feasible configuration at the end of the process. The developed methods are based on a general approach that recreates the real operative conditions. For this reason a high-fidelity simulation environment is employed to evaluate the numerous situations imposed by the international standards, making the reported procedures attractive for industrial applications. The attention is focused on the design of rotor blades and support tower, that are the most important aero-structural components in terms of cost of energy. The first chapter presents the development and implementation of the aero-structural optimization techniques. At first an introduction to the simulation environment is reported, highlighting the modeling approach shared by all of the procedures. Then the aerodynamic design of rotor blades is considered, showing how the maximization of the annual energy production can be achieved. Subsequently the optimization of the structural layout of rotor blades and tower is considered, looking for the minimum cost of energy. In order to increase the computational efficiency, a multi-layer method is adopted. The optimization is performed at coarse-level that involves efficient geometrically exact beam models, cross-sectional analyses and multibody techniques. When the optimal configuration is achieved, a refinement can be applied at fine-level by the 3D FE models. The modeling of the CAD geometry, the meshing and the definition of the FEM is a fully automated procedure performed by a dedicated tool. The interaction between the coarse and fine-layer is performed iteratively, by heuristic scaling of design requirements. Finally the attention is focused on the aero-structural design of the rotor blades. Two innovative algorithms are presented and compared with a tested one. Each method involves different user's participation and computational cost. Each design procedure is validated by meaningful test cases and the pros and cons of each approach are reported. Various test cases are reproduced, looking at different classes of wind turbines that encompass standard industrial applications and future concepts. At the end, load alleviation capabilities of passive flap are investigated. This element is a passive aeroelastic system appended to the rotor blade. An appropriate tuning of aero-structural properties forces the passive flap with the loads generated by the blade movement. Therefore no additional active components are required, limiting the negative effects on the reliability of the entire wind turbine. Moreover, the passive flap is a distributed mechanism, able to react to localized noise due to the turbulence. Preliminary analyses are performed by simplified models, intending to understand the key parameters that maximize the passive flap effectiveness. The entire operative range is explored, identifying the advantages in term of load alleviation and limiting the interference with the standard wind turbine components.

Questa ricerca considera l'ottimizzazione vincolata per il progetto aerostrutturale di aerogeneratori ad asse orizzontale. Le attività svolte sono focalizzate su diversi aspetti, prendendo in considerazione sia la configurazione classica che l'adozione di soluzioni innovative. I requisiti di progetto sono naturalmente inclusi grazie a equazioni di vincolo, permettendo di ottenere al termine del processo una soluzione fisicamente realizzabile. Si considerano le reali condizioni operative della macchina con lo scopo di sviluppare metodologie di elevata generalità. Per questa ragione, si utilizza un ambiente di simulazione ad alta fedeltà per valutare le numerose condizioni imposte dalle normative internazionali, rendendo le procedure qui sviluppate adatte per applicazioni industriali. Si considera il progetto delle pale e della torre che risultano essere i componenti aerostrutturali più influenti in termini di costo dell'energia. Il primo capitolo presenta lo sviluppo e l'implementazione delle tecniche di ottimizzazione aerostrutturali. Inizialmente si descrivono le tecniche di simulazione allo stato dell’arte, sottolineando l'approccio di modellazione condiviso da tutti i metodi. In seguito si considera l'ottimizzazione delle proprietà aerodinamiche del rotore con lo scopo di massimizzare l'energia annua prodotta. Successivamente si analizza l'ottimizzazione della configurazione strutturale delle pale e della torre, ricercando il minimo costo dell'energia. Per incrementare l'efficienza computazionale, il metodo è sviluppato su più livelli. L'ottimizzazione è effettuata a livello lasco e si basa su efficienti modelli di trave geometricamente esatta, analisi sezionale e tecniche multicorpo. Una volta ottenuta la configurazione ottima, un raffinamento può essere applicato a livello fine grazie a modelli FE tridimensionali. La generazione della geometria CAD, la procedura di mesh e la definizione del modello FE è svolta in modo totalmente automatico. L'interazione tra livello lasco e livello fine è effettuata iterativamente tramite scalatura euristica dei vincoli di progetto. Sono state quindi considerate tecniche di ottimizzazione aerostrutturali per il progetto delle pale. Si sviluppano due algoritmi e si riporta una comparativa con una procedura precedentemente validata. Ogni metodo è caratterizzato da un diverso contributo da parte dell'utente e un differente costo computazionale. Ogni algoritmo è validato grazie ad applicazioni significative che ne evidenziano i vantaggi e gli svantaggi. A tal scopo si considerano diverse classi di aerogeneratori, spaziando da applicazioni industriali a configurazioni di ricerca. Sono infine esaminate le capacità di riduzione dei carichi di una superficie mobile passiva. La superficie di controllo è in questo caso un dispositivo aeroelastico passivo installato lungo l'apertura della pala. Un appropriato dimensionamento delle proprietà aerostrutturali permette il moto del flap tramite i carichi dovuti al moto della pala stessa. Di conseguenza l'installazione di componenti attivi addizionali risulta essere non necessaria, limitando gli effetti negativi sull'affidabilità dell'intero aerogeneratore. Inoltre, l’estensione limitata del flap passivo permette a tale dispositivo di reagire alle perturbazioni locali dovute alla turbolenza. Modelli semplificati consentono di svolgere analisi preliminari per evidenziare i parametri chiave che massimizzino l'efficacia del flap. Si esamina tutto l'intervallo operativo della macchina, identificando i vantaggi in termini di riduzione dei carichi e limitando l'interferenza con i componenti standard dell'aerogeneratore.