Modellazione numerica e prove sperimentali preliminari per un setup di tipo hardware-in-the-loop per turbine eoliche offshore galleggianti

The aim of the following work deals with the generation of a numerical code with Matlab and its implementation in a “Hardware in the Loop” real-time system able to reproduce the hydrodynamics of a floating wind turbine. The code represents several wave conditions, both regular and irregular, in order to characterize the overall wind turbine operational range. The model outputs the displacements of the two degrees of freedom of the system, surge and pitch, which are compared with the ones coming from the reference software, in order to validate the model quality. In particular, two different configurations of the floating wind turbine are presented, one with a semi-submersible platform, the other with a spar-buoy substructure, both moored to the seabed to maintain their position. First, all the terms of the hydrodynamic equation are presented and analyzed, highlighting the introduced hypotheses and the most complex features. A detailed analysis has been dedicated to finding out the optimal set of the numerical parameters, which permits to reduce the time consuming and to implement the code in real-time. After validation, the code has been implemented in a “Hardware in the Loop” software in order to reproduce the platform’s displacements in a floating wind turbine scale model validated at the Politecnico di Milano and to represent one translational and one rotational degree of freedom. The wave simulator is moved by two hydraulic actuators, whose inputs are consistent with the real-time software that elaborates the acquisitions gathered from the measurement chain. Starting from the measurements, the numerical code calculates the aerodynamic force acting on the wind turbine and adds it to the overall system’s equation of motion. Once the loop is closed, a set of experimental tests is performed (outside the Wind Tunnel) and its results are compared with the ones obtained by the numerical simulations.

Lo scopo del seguente lavoro di tesi consiste nel generare un codice numerico mediante software Matlab ed implementarlo in un sistema “Hardware in the Loop”, capace di riprodurre in tempo reale l’idrodinamica di una turbina eolica galleggiante. Il codice è in grado di rappresentare differenti condizioni di mare, sia regolare che irregolare, in modo tale da caratterizzare l’intero range operativo della turbina eolica installata. Dal modello vengono restituiti gli spostamenti dei due gradi di libertà che caratterizzano il sistema, surge e pitch, e vengono confrontati con un software di riferimento, in modo tale da validare la qualità del modello. In particolare vengono presentate due differenti configurazioni di turbina eolica flottante caratterizzate da una piattaforma, l’una semi-sommergibile e l’altra spar-buoy, entrambe ancorate al fondale con un opportuno sistema di ormeggio. Inizialmente vengono presentati ed analizzati tutti i componenti che costituiscono l’equazione idrodinamica, mettendo in risalto le ipotesi fatte ed approfondendo gli aspetti più complessi. Un’analisi approfondita è rivolta alla ricerca del set di parametri numerici ottimali, che ha permesso di ridurre il costo computazionale richiesto per l’implementazione in tempo reale. Una volta validato, il codice è stato implementato in un software “Hardware in the Loop” per riprodurre gli spostamenti della piattaforma all’interno di un modello in scala della turbina eolica galleggiante validato al Politecnico di Milano e capace di rappresentare un grado di libertà di traslazione e uno di rotazione. Il meccanismo di simulazione del moto ondoso è movimentato da due attuatori idraulici, i cui input sono consistenti con il software che in tempo reale elabora le misure acquisite dal sistema di misura. A partire da tali misure il codice numerico genera il termine di forzamento aerodinamico agente sulla turbina e lo inserisce nell’equazione di moto del sistema completo. Una volta chiuso l’anello di simulazione, sono state condotte delle prove sperimentali, fuori dalla Galleria del Vento, i cui risultati sono stati confrontati con i risultati dei medesimi test, ottenuti dalle simulazioni numeriche.