Turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT)

La turbina eolica ad asse orizzontale (Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT) è una delle tipologie più diffuse tra i sistemi tradizionali di conversione dell’energia eolica, grazie alla sua elevata efficienza aerodinamica. Diversi lavori sulle HAWT riguardano i vari aspetti fluidodinamici della pala del rotore, al fine di migliorarne l’efficienza e di conseguenza la produzione complessiva di energia. Sono state caratterizzate e studiate diverse soluzioni progettuali e forme di profilo, ma solo un numero limitato di studi si sofferma sull’analisi strutturale della pala, puntando principalmente alla sua caratterizzazione modale. Tuttavia, la struttura interna della pala di un rotore eolico è un aspetto essenziale della progettazione, essendo inteso a garantire la resistenza di questo enorme componente meccanico durante l’intero ciclo di vita della macchina.

Le simulazioni numeriche si basano sull’analisi di una pala in composito per la turbina eolica AOC 15/50 realizzata dai Sandia National Laboratories. Lo stesso modello ad elementi finiti viene applicato su una pala di rotore simile, ottenuta dai dati geometrici.

Al fine di sviluppare una strategia di ottimizzazione per la progettazione strutturale di una pala del rotore, che è stata denominata con l’acronimo S.O.C.R.A.TE. (Structural Optimization for Composite Rotor Air TurbinE), il presente studio combina un’analisi strutturale e un algoritmo genetico modificato. Lo scopo dell’indagine è quello di migliorare le caratteristiche strutturali della pala, riducendo sia le deformazioni massime che la massa della pala originale AOC 15/50, cambiando il metodo di laminazione dei materiali compositi.

L’ottimizzazione della pala del rotore riguarda la scelta dei materiali e la loro disposizione al fine di migliorare le prestazioni strutturali della pala. La disposizione dei materiali nel layout composito rappresenta la principale variabile progettuale del problema. La struttura della pala comprende diversi strati, ognuno dei quali è caratterizzato dal materiale adottato, dall’orientamento delle fibre e dallo spessore. Pertanto, una funzione che combina le principali deformazioni della pala e una funzione di massa rappresentano le due funzioni obiettivo del problema.

Il layout della pala in materiale composito è stato codificato in modo parametrico e ottimizzato con un algoritmo genetico. Il processo evolutivo ha richiesto la scomposizione del problema originario in quattro ottimizzazioni successive per le diverse zone di layout della pala e ogni volta il risultato di un’ottimizzazione è stato considerato come il modello iniziale per quello successivo. Le quattro fasi rappresentano le componenti strutturali della pala: la pelle esterna in composito, la matrice di rinforzo interno, la flangia del longherone e le centine.

Un’evoluzione del Fronte di Pareto Ottimale può essere notata in ogni fase di ottimizzazione. Il movimento delle soluzioni in direzione dei valori minimi delle funzioni obiettivo rappresenta un aumento delle prestazioni strutturali della pala. I miglioramenti sono visibili dopo ciascun singolo passaggio dell’ottimizzazione e diventano rilevanti al termine delle quattro ottimizzazioni.

L’intero processo di ottimizzazione ha fornito un buon miglioramento delle caratteristiche strutturali della pala in termini di peso (riduzione dell’8%) e di deformazione del lembo (riduzione del 12%), mentre si è registrato un leggero aumento della deformazione del bordo (3%). I miglioramenti sulle prestazioni sono dovuti principalmente alla scelta del materiale più resistente D155 nella struttura della pala. L’utilizzo del D155 permette una riduzione della massa totale, aumentando al contempo le proprietà strutturali della pala.