Numerical tools and procedures for floating wind farms performances and stress simulation

The aim of this thesis is to investigate and present some open-source software for wind energy application. In particular the intention was to implement on a super-computer all the simulation tools required for the analysis of floating off-shore wind turbines (FOWT) as HydroDyn, OpenFAST and SOWFA. The main result are procedures and guidelines to implement steady-wind and real-wind simulations using the NREL 5 MW Reference turbine model and the mentioned software. Those instruments are presented, explained and evaluated for their possible application to on-shore, off-shore and deep-off-shore (floating) wind farms. The simulation procedure is presented with many details regarding scripts and variable declaration learned trough tens of debug runs.\\ The NREL 5 MW has been modelled together with the OC4 Semi-submersible platform and the structure RAO has been investigated trough HydroDyn varying the incoming wave direction. A spectral analysis has been made considering more than 30 degrees of freedom and studying natural frequencies coupling respect to perturbations on the platform displacements.\\ The same simulation set-up was used with both stand-alone SOWFA and SOWFA coupled with OpenFAST and HydroDyn to study differences in the output precision. Differences are produced by the aero-elastic behaviour of the turbine and by the floating platform motion. In conclusion, this work provides deep comprehension of already mentioned software capabilities and usage.

Lo scopo di questa tesi è quello di investigare e presentare alcuni software open source e la loro applicazione nell'ambito dell'energia eolica. In particolare, l'intenzione era quella di implementare su un super-computer tutti gli strumenti di simulazione necessari per l'analisi delle turbine eoliche off-shore galleggianti (FOWT) come HydroDyn, OpenFAST e SOWFA. Il risultato principale è dato dalle procedure e linee guida per implementare simulazioni con vento costante e vento reale utilizzando il modello di turbina di riferimento NREL 5 MW e i software menzionati. Questi strumenti sono presentati, spiegati e valutati per la loro possibile applicazione ai parchi eolici on-shore, off-shore e deep-off-shore (galleggianti). La procedura di simulazione viene presentata con molti dettagli relativi agli script e alle dichiarazioni variabili apprese tramite decine di tentativi di debug.\\ La NREL 5 MW è stata modellata insieme alla piattaforma OC4 Semi-submersible e il RAO della struttura è stato studiato attraverso HydroDyn variando la direzione dell'onda in arrivo. Un'analisi spettrale è stata condota su più di 30 gradi di libertà per studiare l'accoppiamento delle frequenze proprie con gli spostamenti della piattaforma. \\ La stessa configurazione di simulazione è stata utilizzata sia con SOWFA da solo sia con SOWFA, OpenFAST e HydroDyn accoppiati per studiare le differenze nella precisione dei risultati. Le differenze sono prodotte dal comportamento aerodinamico della turbina e dal movimento della piattaforma galleggiante. In conclusione, questo lavoro fornisce una profonda comprensione delle funzionalità e dell'uso dei software già menzionati.