Development of an open source environment for the aero-structural optimization of wind turbines

An advanced open source optimization environment, for the design of Horizontal and Vertical Axis Wind Turbines, is hereby presented: several geometric parameters can be used as design variables while the proposed objective functions allow to run a multi-disciplinary study considering structural and aerodynamic analysis and the impact of the design on the total cost. In order to improve the performances of the considered wind turbine model, the airfoils can be parametrized in serveral ways and both in-house functions and open source tools are integrated in the optimization environment, based on DAKOTA. A BEM code evaluates the aerodynamic performances of the HAWT blades and it can be coupled with both FEM analysis and functions for the analysis of the cost of energy. The open source CFD code OpenFOAM has also been included, as a module, in the overall environment: a CFD analysis can be run in an completely automatic way, from the denition of the geometry, through the generation of the mesh and the solving phase to the post-processing analysis. The proposed optimization environment succeeded in improving the performances of both the considered Horizontal and Vertical Axis Wind Turbines in terms of structural, aerodynamic and cost objective functions.

Nella tesi è presentato un ambiente avanzato per l'ottimizzazione delle turbine eoliche sia ad asse orizzontale che verticale. Le variabili di design sono rappresentate da diversi parametri geometrici mentre le funzioni obiettivo implementate permettono di eseguire un’analisi multidisciplinare considerando gli aspetti strutturali, aerodinamici e l'impatto del design sul costo complessivo. Allo scopo di aumentare le prestazioni delle turbine considerate, i profili aerodinamici possono essere parametrizzati in diversi modi. Diverse funzioni appositamente sviluppate e tools open source sono stati integrati nell'ambiente di ottimizzazione, basato su DAKOTA. Un codice BEM valuta le prestazioni aerodinamiche dei modelli ad asse orizzontale e può essere accoppiato sia con codici FEM, sia con funzioni allo scopo di valutare il costo dell’energia. Il codice CFD open source OpenFOAM è stato incluso, come modulo, nell’ambiente: un analisi CFD può essere eseguita in un modo completamente automatico dalla definizione della geometria, generazione della mesh, fase di risoluzione numerica all’analisi dei risultati. L’ambiente di ottimizzazione proposto ha dimostrato di poter migliorare le prestazioni di entrambi i modelli di turbina eolica considerati, in termini di obiettivi strutturali, aerodinamici e di costo.