Investigation of the effect of prescribed coupled motions in the power production of a floating offshore wind turbine

Floating offshore wind turbines are a relatively new topic in the engineering world: their design faces huge difficulties and the moving platform entails important consequences on the aerodynamics of the rotor. Many research can be found in literature about prescribed single degreeof-freedom (DOF) platform motions. Just a few about 2 DOFs motions, mostly involving surge and pitch. This MSc thesis aims at investigating the aerodynamic power response of the reference IEA 15 MW floating offshore wind turbine, in monopile configuration, under three different prescribed 2-DOFs motions, i.e. combinations of pitch, surge and yaw. In particular, the parametric analysis focuses on the rigid rotor and makes use of idealized wind conditions. Two scenarios are present: the one without controller aims at investigating pure aerodynamics effects, the one including controller aims at more realistic results. Average power is considered as main parameter for comparison. The main questions faced in the document are the following. • How are variations in the amplitude and frequencies of the prescribed motions affecting the power response of the given wind turbine? • Are new phenomena rising up due to the presence of more than one DOF active? • Is the possible phase shift among different motions a key factor to consider in the design of a floating offshore wind turbine? • Is the BEMT model still trustworthy for floating offshore wind turbines? The open-source software OpenFAST is used to answer the queries. BEMT engineering tool will be compared to OLAF, free vortex wake method provided by OpenFAST itself. Surge and pitch DOFs will be shown dominant with respect to yaw; still, also yaw can induce relevant motions and fluctuations. Therefore a floating wind turbine is more subjected to fatigue loads than the equivalent onshore machine. Considering the more realistic case that includes the controller, the platform motions can lead to higher power generation in below rated regime, but is characterized by a loss in power in rated conditions. In above rated region average power keeps being constant, although fluctuations are always present over time. Phase shift analysis brings relevant take away messages for the structural design of the machine, especially in surge and pitch coupling.

Le turbine eoliche offshore flottanti sono un argomento relativamente nuovo nel mondo dell’ingegneria: la loro progettazione affronta enormi difficoltà e la presenza di unapiattaforma mobile comporta importanti conseguenze sull’aerodinamica del rotore. Molte ricerche sui movimenti della piattaforma a singolo grado di libertà (degree-of-freedom, DOF) possono essere trovate in letteratura. Solo alcuni coinvolgono 2 DOFs, principalmente traslazione e beccheggio. Questa tesi di laurea magistrale mira a studiare la risposta in termini di potenza aerodinamica della turbina eolica offshore flottante IEA 15 MW, sottoposta a tre diversi movimenti a 2-DOFs, ovvero combinazioni di beccheggio, traslazione e imbardata. In particolare l’analisi parametrica si concentra sul rotore rigido e fa uso di condizioni di vento ideali. Sono presenti due scenari: il primo, senza controllore, mira a studiare gli effetti dell’aerodinamica pura. Il secondo, che include il controllore, mira a risultati più realistici. La potenza media è considerata parametro principale per il confronto. A seguire le principali domande affrontate nel documento. • Quanto le variazioni in frequenza e ampiezza dei movimenti imposti influenzano la potenza prodotta dal rotore? • Possono insorgere nuovi fenomeni a causa della presenza di 2-DOFs attivi? • La differenza di fase tra i movimenti imposti può essere un fattore importante nel design di pale eoliche offshore? • Il metodo ingegneristico BEMT è ancora valido per turbine eoliche offshore galleggianti? L’investigazione fa uso del software open-source OpenFAST. Il metodo ingegneristico BEMT verrà confrontato con OLAF, strumento di media affidabilità fornito da OpenFAST stesso. Tra i diversi gradi di libertà, traslazione e beccheggio sono mostrati dominanti rispetto all’imbardata; tuttavia, anche l’imbardata può indurre movimenti e fluttuazioni rilevanti. Pertanto una turbina eolica galleggiante è più soggetta a carichi di fatica rispetto all’equivalente sistema onshore. Considerando il caso più realistico che include il controllore, i movimenti della piattaforma possono portare a una maggiore produzione di energia in regime sotto-nominale, ma a una perdita di potenza in condizioni nominali. Nella regione sopra-nominale la potenza media rimane costante, anche se le fluttuazioni nel tempo sono sempre presenti. L’analisi con differenza di fase suggerisce importanti conclusioni per la progettazione strutturale della macchina, in particolare nell’accoppiamento di traslazione e beccheggio.