Extrapolating Satellite Winds to Turbine Operating Heights

Ocean wind retrievals from satellite sensors are typically performed for the standard level of 10 m. This restricts their full exploitation for wind energy planning, which requires wind information at much higher levels where wind turbines operate. A new method is presented for the vertical extrapolation of satellite-based wind maps. Winds near the sea surface are obtained from satellite data and used together with an adaptation of the Monin–Obukhov similarity theory to estimate the wind speed at higher levels. The thermal stratification of the atmosphere is taken into account through a long-term stability correction that is based on numerical weather prediction (NWP) model outputs. The effect of the long-term stability correction on the wind profile is significant. The method is applied to Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar scenes acquired over the south Baltic Sea. This leads to maps of the long-term stability correction and wind speed at a height of 100 m with a spatial resolution of 0.02°. Calculations of the corresponding wind power density and Weibull parameters are shown. Comparisons with mast observations reveal that NWP model outputs can correct successfully for long-term stability effects and also, to some extent, for the limited number of satellite samples. The satellite-based and NWP-simulated wind profiles are almost equally accurate with respect to those from the mast. However, the satellite-based maps have a higher spatial resolution, which is particularly important in nearshore areas where most offshore wind farms are built.

The impact of geometric non-linearities on the fatigue analysis of trailing edge bond lines in wind turbine rotor blades

The accurate prediction of stress histories for the fatigue analysis is of utmost importance for the design process of wind turbine rotor blades. As detailed, transient, and geometrically non-linear three-dimensional finite element analyses are computationally weigh too expensive, it is commonly regarded sufficient to calculate the stresses with a geometrically linear analysis and superimpose different stress states in order to obtain the complete stress histories. In order to quantify the error from geometrically linear simulations for the calculation of stress histories and to verify the practical applicability of the superposition principal in fatigue analyses, this paper studies the influence of geometric non-linearity in the example of a trailing edge bond line, as this subcomponent suffers from high strains in span-wise direction. The blade under consideration is that of the IWES IWT-7.5-164 reference wind turbine. From turbine simulations the highest edgewise loading scenario from the fatigue load cases is used as the reference. A 3D finite element model of the blade is created and the bond line fatigue assessment is performed according to the GL certification guidelines in its 2010 edition, and in comparison to the latest DNV GL standard from end of 2015. The results show a significant difference between the geometrically linear and non-linear stress analyses when the bending moments are approximated via a corresponding external loading, especially in case of the 2010 GL certification guidelines. This finding emphasizes the demand to reconsider the application of the superposition principal in fatigue analyses of modern flexible rotor blades, where geometrical nonlinearities become significant. In addition, a new load application methodology is introduced that reduces the geometrically non-linear behaviour of the blade in the finite element analysis.

Wind turbine indirect ice detection and operational analysis

Wind energy is one of the most promising and fast growing sector of energy production. Wind is ecologically friendly and relatively cheap energy resource available for development in practically all corners of the world (where only the wind blows). Today wind power gained broad development in the Scandinavian countries. Three important challenges concerning sustainable development, i.e. energy security, climate change and energy access make a compelling case for large-scale utilization of wind energy. In Finland, according to the climate and energy strategy, accepted in 2008, the total consumption of electricity generated by means of wind farms by 2020, should reach 6 - 7% of total consumption in the country [1]. The main challenges associated with wind energy production are harsh operational conditions that often accompany the turbine operation in the climatic conditions of the north and poor accessibility for maintenance and service. One of the major problems that require a solution is the icing of turbine structures. Icing reduces the performance of wind turbines, which in the conditions of a long cold period, can significantly affect the reliability of power supply. In order to predict and control power performance, the process of ice accretion has to be carefully tracked. There are two ways to detect icing – directly or indirectly. The first way applies to the special ice detection instruments. The second one is using indirect characteristics of turbine performance. One of such indirect methods for ice detection and power loss estimation has been proposed and used in this paper. The results were compared to the results directly gained from the ice sensors. The data used was measured in Muukko wind farm, southeast Finland during a project 'Wind power in cold climate and complex terrain'. The project was carried out in 9/2013 - 8/2015 with the partners Lappeenranta university of technology, Alstom renovables España S.L., TuuliMuukko, and TuuliSaimaa.

ADVANCED COMPUTATIONAL MODELING OF THE INTERNAL STRUCTURE OF SMART WIND-TURBINE BLADES

Implementation of stable aeroelastic models with the ability to capture the complex features of Multi concept smartblades is a prime step in reducing the uncertainties that come along with blade dynamics. The numerical simulations of fluid structure interaction can thus be used to test a realistic scenarios comprising of full-scale blades at a reasonably low computational cost. A code which was a combination of two advanced numerical models was designed and was run with the help of paralell HPC supercomputer platform. The first model was based on a variation of dimensional reduction technique proposed by Hodges and Yu. This model was the one to record the structural response of heterogenous composite blades. This technique reduces the geometrical complexities of the heterogenous blade section into a stiffness matrix for an equivalent beam. This derived equivalent 1-D strain energy matrix is similar to the actual 3-D strain energy matrix in an asymptotic sense. As this 1-D matrix helps in accurately modeling the blade structure as a 1-D finite element problem, this substantially redues the computational effort and subsequently the computational cost that are required to model the structural dynamics at each step. Second model comprises of implementation of the Blade Element Momentum Theory. In this approach we map all the velocities and the forces with the help of orthogonal matrices that help in capturing the large deformations and the effects of rotations in calculating the aerodynamic forces. This ultimately helps us to take into account the complex flexo torsional deformations. In this thesis we have succesfully tested these computayinal tools developed by MTU’s research team lead by for the aero elastic analysis of wind-turbine blades. The validation in this thesis is majorly based on several experiments done on NREL-5MW blade, as this is widely accepted as a benchmark blade in the wind industry. Along with the use of this innovative model the internal blade structure was also changed to add up to the existing benefits of the already advanced numerical models.

Ottimizzazione di un appareto per il controllo delle condizioni climatiche nella cella per la misura della rigidità dinamica

Lo scopo di tale progetto è creare, dal sistema hardware fino alla programmazione software, un sistema che permetta da una parte il controllo autonomo delle condizioni climatiche di un ambiente, il monitoraggio e dall’altra di essere versatile, portatile e di facile utilizzo. Come esempio applicativo per il controllo delle condizioni climatiche in una teca per la misura della rigidità dinamica si andranno ad evidenziare inizialmente in cosa consistono le prove della rigidità dinamica e a cosa servono, per poi passare alla spiegazione dei fenomeni che regolano il comportamento delle miscele di aria e vapor d’acqua che permetteranno di capire le connessioni tra i fattori principali che regolano i cambiamenti climatici quali temperatura e umidità. Successivamente si andranno poi a descrivere con quali meccanismi si regola la climatizzazione degli ambienti, fino ad arrivare alla creazione di un sistema autonomo che gestisca autonomamente temperatura e umidità all’interno di una cella.

Studio ed ottimizzazione di un sistema di sbrinamento ad alto rendimento termodinamico per pompe di calore

Il mio elaborato si pone come obiettivo il miglioramento di una macchina di condizionamento atta al funzionamento a temperature inferiori allo standard nazionale (circa -20°C, -253,15 K). Il lavoro si basa sullo studio di un sistema innovativo di sbrinamento per pompe di calore ad alta efficienza che necessiti nel minor modo possibile di manutenzione, sia di facile installazione e permetta alla macchina di mantenere il rendimento intorno a valori accettabili. Dopo aver portato avanti un'analisi energetica del sistema, attraverso lo studio di diverse possibilità di sbrinamento, l'elaborato verifica che l'installazione del sistema progettato porti ad un effettivo vantaggio anche dal punto di vista economico.

Ottimizzazione di una testata per un motore diesel aeronautico

In questo elaborato di tesi ci si è occupati di riprogettare la testata del motore bicilindrico Twin Air del gruppo Fiat. La testata viene ridisegnata al fine di poter destinare questo motore, particolarmente leggero flessibile e dai bassi consumi, ad un uso aeronautico. In questa tesi si è appunto realizzata una nuova testata inserendovi 3 valvole, due di aspirazione e una di scarico, e 2 iniettori per cilinrdo. Una volta completato il disegno sono stati realizzati diversi test attraverso un software di simulazione. In particolare ci si è accertati che la camera di combustione realizzata possa resistere alle alte pressioni e temperature in gioco e che i fluidi scorrano al meglio all'interno dei condotti. Si sono utilizzati i risultati ottenuti per riprogettare iterattivamente la testa ed arrivare a un risultato finale soddisfacente.

Ottimizzazione mediante codici di calcolo open source di componenti per il settore aerospaziale

Lo scopo della presente tesi è sviluppare un ambiente per l'ottimizzazione strutturale di componenti per applicazione aerospaziale utilizzando codici open-source. In particolare, il codice Salome viene utilizzato per il disegno automatico delle strutture, il programma Code Aster permette di effettuare l'analisi agli elementi finiti del componente, mentre Octave viene utilizzato per svolgere l'ottimizzazione basata su un algoritmo euristico e per integrare fra di loro i differenti codici. Le tecniche di ottimizzazione dei componenti stanno rivestendo sempre più importanza visto che le moderne tecniche di Additive Manufacturing permettono di realizzare strutture molto complesse che un tempo non era conveniente (o possibile) realizzare con asportazione di materiale. Nella prima parte della tesi si descrivono gli strumenti software utilizzati e la loro integrazione al fine di parametrizzare la generazione di geometrie ed effettuare in modo automatico analisi strutturali. Successivamente si descrivono tre casi di studio in cui la metodologia è stata sperimentata: un primo caso di validazione in cui si è applicato il metodo alla definizione della geometria di minimo peso per una trave a sbalzo con carico concentrato, un secondo test di ottimizzazione di un longherone per aeromobile, un terzo caso applicativo legato alla ottimizzazione di un serbatoio per fluidi in pressione da utilizzare su un satellite.

Ottimizzazione e riprogettazione di un magazzino ricambi: il caso Ducati Motor Holding Spa

La Tesi tratta di un caso di studio di un magazzino ricambi in ottima di ottimizzazione e riprogettazione. Dall'analisi della situazione attuale in termini di scorte, processo e indice di saturazione volumetrico si evince come una nuova soluzione di magazzino sia l'unica strada da percorrere per fronteggiare l'attesa crescita del business. L'incremento delle vendite e allo stesso tempo il mantenimento dell'alto livello di servizio da garantire al cliente in termini di disponibilità dei codici e puntualità della consegna, sono due condizione che richiedono un innovazione di tipo radicale. Da un progetto a livello di Gruppo si arriva a definire la configurazione ideale del nuovo magazzino e si lascia ad uno sviluppo futuro l'effettiva gestione del tender per definire l'operatore logistico che porterà avanti il lavoro.

Ottimizzazione di un sistema di calcolo Voxel dosimetry e implementazione di grandezze radiobiologiche per MRT

Il presente lavoro di tesi nasce in seguito all’esperienza di tirocinio svolta presso l’Arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia. Fulcro di questo lavoro è lo sviluppo di un sistema di pianificazione della dose per il trattamento dei pazienti sottoposti a Molecular Radionuclide Therapy (MRT). Presso tale struttura ospedaliera è già stato sviluppato uno strumento che si appoggia all’ambiente di lavoro Matlab per il calcolo dosimetrico. Tale programma è chiamato VoxelMed. Si tratta di uno strumento di calcolo che lavora al così detto voxel-level, tecnica di sviluppo recente che permette il calcolo della dose assorbita all’interno di un paziente in modo più dettagliato rispetto ai metodi di calcolo basati unicamente sulla stima media per organo, tipicamente impiegati in dosimetria tradizionale. Parte del lavoro di tesi consiste nell’implementare nuove modalità di calcolo ed aggiungere ulteriori accorgimenti all’attuale versione di VoxelMed. In VoxelMed è stata poi integrata ex-novo una componente di calcolo di misure radiobiologiche, in particolare della BED. La dose assorbita non è infatti un parametro sufficiente per valutare gli effetti della radiazione sui tessuti, a parità di tipo ed energia della radiazione gli effetti possono essere molto variabili. La BED è il parametro che tiene conto della risposta del tessuto sano o cancerogeno alla radiazione. Parte del lavoro è stato svolto sperimentalmente, tramite misure con fantocci acquisiti o preparati ad hoc. In particolare si sono utilizzati diverse tipologie di fantocci, per effettuare protocolli di calibrazione dei sistemi di acquisizione, misure di curve di effetto di volume parziale e test finali di verifica. Per un ulteriore verifica delle prestazioni di calcolo si sono effettuate misurazioni su un gruppo di pazienti e si sono confrontati i risultati con quelli ottenuti dal software maggiormente utilizzato nella pratica clinica, OLINDA/EXM.

Tubular and Sector Heat Pipes with Interconnected Branches for Gas Turbine and/or Compressor Cooling

Designing turbines for either aerospace or power production is a daunting task for any heat transfer scientist or engineer. Turbine designers are continuously pursuing better ways to convert the stored chemical energy in the fuel into useful work with maximum efficiency. Based on thermodynamic principles, one way to improve thermal efficiency is to increase the turbine inlet pressure and temperature. Generally, the inlet temperature may exceed the capabilities of standard materials for safe and long-life operation of the turbine. Next generation propulsion systems, whether for new supersonic transport or for improving existing aviation transport, will require more aggressive cooling system for many hot-gas-path components of the turbine. Heat pipe technology offers a possible cooling technique for the structures exposed to the high heat fluxes. Hence, the objective of this dissertation is to develop new radially rotating heat pipe systems that integrate multiple rotating miniature heat pipes with a common reservoir for a more effective and practical solution to turbine or compressor cooling. In this dissertation, two radially rotating miniature heat pipes and two sector heat pipes are analyzed and studied by utilizing suitable fluid flow and heat transfer modeling along with experimental tests. Analytical solutions for the film thickness and the lengthwise vapor temperature distribution for a single heat pipe are derived. Experimental tests on single radially rotating miniature heat pipes and sector heat pipes are undertaken with different important parameters and the manner in which these parameters affect heat pipe operation. Analytical and experimental studies have proven that the radially rotating miniature heat pipes have an incredibly high effective thermal conductance and an enormous heat transfer capability. Concurrently, the heat pipe has an uncomplicated structure and relatively low manufacturing costs. The heat pipe can also resist strong vibrations and is well suited for a high temperature environment. Hence, the heat pipes with a common reservoir make incorporation of heat pipes into turbo-machinery much more feasible and cost effective.

Evaluation of the environmental benefits of recycling materials in the moving parts of a wind turbine using the life cycle assessment (LCA)

Wind energy is evaluated positively, from the environmental point of view, considering the wind a renewable resource to produce electricity, avoiding the use of fossil resources during operation, but not much has been studied about the impacts associated with the materials of the wind turbines. This study aims to contribute to an improved understanding of the environmental implications of the materials in the moving parts of a wind turbine and how the Eco strategies as recycling are increasingly adopted to ensure the minimization of environmental impacts. First, we investigate the moving parts of a wind turbine highlighting possible hot spots of impacts. Second, we assess the benefit of introducing recycling materials instead of the originals. © Research India Publications.

Simulation by discrete mass modeling of offshore wind turbine system with DC link

This paper presents an integrated model for an offshore wind turbine taking into consideration a contribution for the marine wave and wind speed with perturbations influences on the power quality of current injected into the electric grid. The paper deals with the simulation of one floating offshore wind turbine equipped with a permanent magnet synchronous generator, and a two-level converter connected to an onshore electric grid. The use of discrete mass modeling is accessed in order to reveal by computing the total harmonic distortion on how the perturbations of the captured energy are attenuated at the electric grid injection point. Two torque actions are considered for the three-mass modeling, the aerodynamic on the flexible part and on the rigid part of the blades. Also, a torque due to the influence of marine waves in deep water is considered. Proportional integral fractional-order control supports the control strategy. A comparison between the drive train models is presented.

Ottimizzazione dei flussi dei materiali e delle persone all'interno di un impianto di produzione. Il caso Galletti spa.

La tesi in oggetto è stata svolta presso la Galletti spa. L'obiettivo iniziale era quello di studiare un percorso all'interno dello stabilimento produttivo al fine di enfatizzare le peculiarità della produzione tenendo conto dei fattori riguardanti la sicurezza. E' stata inoltre realizzata, con l'aiuto di una agenzia di comunicazione, una piattaforma di comunicazione. Analizzando il processo produttivo è emersa un'ulteriore problematica: l'elevata quantità di work in progress stoccati a bordo linea. In particolare, in questa tesi è stata fatta un'analisi preliminare circa una linea di produzione. Sono stati analizzati, in termini di quantità, i prodotti che vengono assemblati in essa, e i codici dei semilavorati utili. In seguito sono state studiate le operazioni che vengono svolte in ogni postazione di lavoro e, in funzione del ciclo di lavoro gli sono stati assegnati i codici dei semilavorati. L'analisi si è conclusa studiando i consumi medi. Le prossime fasi dell'analisi prevedono lo studio dei volumi dei codici e di conseguenza la definizione delle aree di stoccaggio e lo studio dei lotti di produzione.