Aero-Structural Optimization of Vertical Axis Wind Turbines

Questa Tesi ha come oggetto la simulazione e l'ottimizzazione aero-strutturale di Turbine Eoliche ad Asse Verticale Darrieus. Strumenti per la simulazione aerodinamica basati su differenti tecniche sono sviluppati, migliorati rispetto allo stato dell'arte, e validati rispetto a dati sperimentali. I principali approcci considerati sono basati sui modelli Blade-Element Momentum, Vortex e Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) Computational Fluid Dynamics (CFD) bi- e tri-dimensionali. I modelli sono sviluppati tenendo a mente l'accoppiamento con un algoritmo di ottimizzazione, quindi con particolare enfasi sullo sforzo computazionale e sulla robustezza della simulazione. Uno strumento di simulazione strutturale basato sulla teoria della trave di Eulero-Bernoulli è, in aggiunta, sviluppato e validato rispetto a dati sperimentali per effettuare una efficiente simulazione aero-strutturale. I modelli validati sono accoppiati con un algoritmo di ottimizzazione per la creazione di un ciclo per l'ottenimento di configurazioni migliorate. Differenti applicazioni sono considerate, basate sui temi di ricerca più rilevati e scenari reali. Il caso particolare di una Turbina Eolica ad Asse Verticale Troposkiana è stato considerato al fine di migliorare la configurazione aerodinamica di base di un rotore da 5 MW sviluppato nell'ambito del progetto FP7 DeepWind e di valutare le prestazioni aerodinamiche del dimostratore da 1 kW con rotore inclinato. La forma del profilo per la pala di un rotore ad H da 500 kW è oggetto anch'essa di un'attività di ottimizzazione finalizzata all'aumento della produzione aerodinamica, ottenendo una nuova geometria completamente differente da quelle disponibili in letterature. Infine, gli strumenti di simulazione aerodinamica e strutturale sono accoppiati per condurre una completa ottimizzazione aero-strutturale della forma della pala e della distribuzione di corda per un rotore Troposkiano da 500 kW. Sia la produzione aerodinamica che lo stato tensionale sono considerati come obiettivi e nuove forme palari sono individuate e discusse. I risultati della Tesi, oltre all'incremento di prestazioni rispetto alle geometrie di base, provano che i cicli iterativi, ottenuti tramite l'accoppiamento di un veloce strumento di simulazione e un algoritmo di ottimizzazione, possono essere adottati nella progettazione e test di Turbine Eoliche ad Asse Verticale Darrieus, fornendo al progettista un avanzato strumento di analisi dei fenomeni aerodinamici e strutturali agenti in queste complesse macchine.