Analisi mediante modello BEM-CFD dei carichi aerodinamici di una turbina eolica ad asse verticale da 5MW soggetta a raffiche di vento

La ricerca sulle energie rinnovabili, e sull’energia eolica in particolare, si sta focalizzando sulle piattaforme galleggianti accoppiate con le turbine ad asse verticale, con l’obiettivo di renderle economicamente sostenibili ed efficienti. Un aspetto fondamentale della progettazione della struttura riguarda l’effetto delle raffiche, che sono per loro natura imprevedibili. Esse, pertanto, rappresentano la condizione operativa estrema che la turbina ed ogni sua componente devono sopportare, senza riportare danni. Lo studio degli effetti delle raffiche è possibile attraverso dei modelli di simulazione che, oltre a fornire risultati validi, devono anche richiedere tempi di calcolo rapidi. La presente tesi utilizza un modello ibrido BEM-CFD per predire le risposte di una turbina ad asse verticale da 5MW sottoposta a raffiche di vento. Il modello è stato validato per condizioni di vento stazionario sia sulla turbina di interesse, sia su una turbina di geometria simile ma di taglia inferiore, per la quale erano disponibili dati sperimentali. I risultati delle simulazioni svolte in presenza di raffiche rivelano che queste, specialmente quelle più brevi, generano momenti meccanici sulla struttura fino a 2 volte superiori rispetto a quelli registrati in condizioni operative standard e carichi aerodinamici di trazione e compressione sulle singole pale altrettanto maggiori; al contempo vengono rilevati picchi improvvisi di potenza, che potrebbero danneggiare le parti elettriche del sistema. L'analisi degli effetti sulla potenza e sulla forza radiale sulle pale generati dalla raffica, in funzione della posizione assunta dalle pale, evidenzia come sia fondamentale tenerne conto nel corso dello studio dei carichi che la struttura deve sopportare. Differenti posizioni angolari delle pale possono portare, infatti, a carichi superiori del 140%, o inferiori del 60% rispetto a quelli di riferimento in assenza di raffiche. Inoltre il presente lavoro mostra come l’approccio ibrido BEM-CFD possa essere utile, in fase di progetto, a prevedere non solo i carichi generati in condizioni di regime, ma anche carichi transitori periodici, quali quelli indotti dal moto della piattaforma, o carichi sporadici generati da raffiche improvvise