Make floating wind turbines see waves. Advances in floating wind turbine control and scale model experiments

Floating offshore wind is crucial for achieving the climate goals set by European Union. The price of floating wind energy is still high compared to other energy sources, but it is expected to fall rapidly in the next few years. Wind turbine control is one key area where improvements can lower the cost of energy. This thesis deals with the problem of bringing advancement to the current floating wind turbine control practice, so to achieve a lower cost of energy. Floating wind turbines are exposed to the action of wind and waves. Turbines are currently operated “in the dark”, without any real-time information about the surrounding environment, and industry-standard controllers simply react to the effect of wind and waves once these occur. The first contribution of this work is to explore a new control strategy, where information about incoming waves is included in the turbine controller and leveraged to mitigate structural loads. Core of the new control methodology is a reduced-order model of the floating turbine, that captures the fundamental dynamics driving the response to wind and waves, without the complexity of state-of-the-art simulation tools. In the last years, many advanced control strategies for floating wind turbines were designed, but their diffusion among the research community was, in general, difficult and none of them found any application in the industry so far. One reason behind this difficult progress is the lack of reliable verification and certification methods. In this regard, scale model experiments can play a key role, as they provide low-uncertainty data, at reasonable costs. Verification of any control strategy requires reproducing at small scale the global response of the floating turbine. Experience has shown this is hard to achieve in conventional wave-basin tests, where the entire floating turbine is reproduced by means of a physical scale model. One option that has recently gained the interest of several research groups, is hybrid experiments. The floating wind turbine is divided into two subsystems: one, encompasses the floating platform, the mooring lines, and waves, and it is related to the hydrodynamic problem; the other consists of the wind turbine, its control system, and the wind environment, and it is related to the aerodynamic problem. One subdomain is reproduced by means of a physical scale model and the other by a real-time numerical simulation. The last contribution of this thesis is to clarify the use of hybrid experiments in supporting the design of new control strategies and their assessment. Two hybrid experiments are examined, one in a wave basin and one in a wind tunnel. It is proved that the turbine aerodynamics, the control response, and the wind environment are reproduced with higher fidelity and lower uncertainty than in conventional model experiments.

L'eolico offshore galleggiante è ritenuto fondamentale per raggiungere gli obiettivi climatici fissati dall'Unione Europea. Tuttavia, il prezzo dell’energia eolica galleggiante è ancora elevato rispetto ad altre fonti energetiche, ma si prevede che diminuirà rapidamente nei prossimi anni. Il controllo delle turbine eoliche è un'area chiave in cui i miglioramenti possono ridurre il costo dell'energia. Questa tesi affronta il problema di portare avanzamento all'attuale pratica di controllo delle turbine eoliche galleggianti per quindi ridurre il prezzo dell’energia prodotta. Le turbine eoliche galleggianti sono soggette all'azione del vento e delle onde. Funzionano “al buio”, senza alcuna informazione in tempo reale sull'ambiente circostante, e i sistemi di controllo utilizzati attualmente reagiscono all'effetto del vento e delle onde solo dopo che questi si sono verificati. Il primo contributo di questo lavoro è esplorare una nuova strategia di controllo, in cui le informazioni sulle onde in arrivo sono incluse nel sistema di controllo della turbina e sono quindi sfruttate per mitigare i carichi strutturali. Il cuore della nuova metodologia di controllo è un modello di ordine ridotto della turbina galleggiante, che cattura le dinamiche che stabiliscono la risposta al vento e alle onde, rinunciando alla complessità degli strumenti di simulazione più diffusi. Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse strategie di controllo per turbine galleggianti, ma la loro diffusione tra la comunità di ricerca è stata, in generale, difficile e nessuna di queste ha finora trovato applicazione in progetti industriali. Uno dei motivi alla base di questo difficile progresso è la mancanza di un metodo di verifica affidabile. Gli esperimenti su modelli in scala possono svolgere un ruolo chiave, in quanto forniscono dati a bassa incertezza e a costi ragionevoli. La verifica di qualsiasi strategia di controllo richiede la riproduzione, a scala ridotta, della risposta globale della turbina galleggiante. Esperienze recenti hanno dimostrato quanto sia difficile ottenere questo risultato negli esperimenti in vasca navale condotti seguendo una metodologia tradizionale, in cui l’intera turbina galleggiante è riprodotta per mezzo di un modello in scala. Un'opzione che ha recentemente guadagnato l'interesse di diversi gruppi di ricerca è il cosiddetto esperimento ibrido. La turbina galleggiante è suddivisa in due sottosistemi: uno, comprende la piattaforma, il sistema di ormeggio e le onde, ovvero tutto ciò che è strettamente collegato al problema idrodinamico; l’altro è costituito dalla turbina eolica, dal suo sistema di controllo e dal vento atmosferico, ed è legato al problema aerodinamico. Un sottodominio viene riprodotto mediante un modello in scala e l'altro mediante una simulazione numerica in tempo reale. L'ultimo contributo di questa tesi è quello di chiarire come gli esperimenti ibridi possano supportare lo sviluppo di nuove strategie di controllo. A tal proposito, vengono esaminati due esperimenti ibridi, uno in vasca navale e uno in galleria del vento. Si dimostra che l'aerodinamica della turbina, la risposta ai controlli e le caratteristiche del vento incidente sono riprodotti con maggiore fedeltà e minore incertezza rispetto agli esperimenti tradizionali.