Dynamic modeling of a floating wind farm with a mid-fidelity code

In a world in which pollution is becoming more and more tragic, there is the necessity and the duty to find alternative and renewable ways to produce energy; one of these is represented by the wind turbines field, which is able to convert wind power into electrical one without polluting. In fact, during the last decades, the importance of wind energy field has grown exponentially thanks to the fact that, in a totally environmentally friendly and cost-effective way, it is able to produce huge amounts of energy. The principal objective of this work relies on the development of a dynamic model to study the behaviour of a small wind farm, constituted by two wind turbines, in different wind conditions and positions of them (onshore and offshore). To do that, different simulations were run thanks to the use of FAST.Farm, which is a new mid fidelity multiphysics engineering tool used to predict structural loads and performance of wind turbines in a wind farm; it is an open-source software developed by the NREL as an extension of OpenFAST. The simulations that have been run were focused on the dynamic response of the wind turbines in the onshore and bottom-fixed offshore cases; after that, other simulations have been performed considering two floating offshore wind turbines, to understand which is the effect of the sea waves. The main achieved results are the following ones: ▪ In below-rated conditions neither the type of model nor the controller parameters influence the dynamic response of the wind turbines; for above rated wind speed, higher fluctuations are shown for rotor speed and generator power in the offshore case. Moreover, for below-rated velocities a larger reduction of the mean wind speed is identified after each turbine (40% versus 20% of the above-rated case), and a double Gaussian distribution of the wake can be seen (in above-rated conditions, only a single Gaussian distribution is underlined) ▪ In the case of floating wind farms, the platform movement of WT1, due to the sea waves, affects the wind velocity seen by WT2; moreover, the waves passing through the upwind turbine modify also the ones that arrive at the downstream one, changing its dynamic response and structural loads

In un mondo in cui l'inquinamento sta diventando sempre più tragico, c'è la necessità e il dovere di trovare modi alternativi e rinnovabili per produrre energia; uno di questi è il settore delle turbine eoliche, che è in grado di convertire energia eolica in elettrica senza inquinare. Infatti, negli ultimi decenni, l'importanza del settore eolico è cresciuta esponenzialmente grazie al fatto che, in modo ecologico ed economico, è in grado di produrre enormi quantità di energia. L'obiettivo principale di questa tesi si basa sullo sviluppo di un modello dinamico per studiare il comportamento di un parco eolico costituito da due turbine eoliche, in diverse condizioni di vento e posizioni di esse (onshore e offshore). Per fare ciò, sono state eseguite diverse simulazioni grazie all'uso di FAST.Farm, uno strumento di ingegneria multi-fisica a media fedeltà utilizzato per prevedere i carichi strutturali e le prestazioni di più turbine eoliche contemporaneamente; è un software open source sviluppato dalla NREL come estensione di OpenFAST. Le simulazioni che sono state eseguite si sono concentrate sulla risposta dinamica delle turbine nei casi onshore e offshore ancorate al fondale; successivamente, sono state eseguite altre simulazioni considerando due turbine eoliche galleggianti, per capire quale sia l'effetto delle onde del mare. I principali risultati raggiunti sono i seguenti: • Per velocità di vento inferiori a quella nominale, né il tipo di modello né i parametri del controllore influenzano la risposta dinamica delle turbine eoliche; per velocità superiori, vengono mostrate fluttuazioni più elevate nella velocità del rotore e potenza del generatore nel caso offshore. Inoltre, per velocità inferiori a quella nominale, viene identificata una maggiore riduzione della velocità media del vento dopo ogni turbina (40% contro il 20% nel caso di velocità superiori), e si può vedere una doppia distribuzione gaussiana della scia (in condizioni di velocità superiore a quella nominale, è presente soltanto una singola distribuzione gaussiana) • Nel caso di parchi eolici galleggianti, il movimento della piattaforma di T1, dovuto alle onde del mare, influisce sulla velocità del vento vista da T2; inoltre, le onde che attraversano la turbina sopravento modificano anche quelle che arrivano a quella sottovento, cambiandone la risposta dinamica e i carichi strutturali