Wave influence on power production and annual energy production of a floating offshore wind turbine

The development of renewable energy technologies in the current energy mix has increased in a fast rate around the globe and they play an important role in fight the climate change. One of them is floating offshore wind turbine (FOWT), which has a clear potential for those countries characterized by deep waters. Being it still at the experimental phase, it is crucial to understand and correctly estimate the energy produced by a FOWT. This helps to drive the costs down and to encourage investments in this technology. This work tries to enrich the knowledge about the computation of the annual energy production (AEP) of a single turbine and about the sensitivity to waves of power production. In the first part, the concept of the power response operators (PROs) is initially developed. It maps the average power produced by the turbine as function of the amplitude and frequency of the platform motions. Two wind turbine models have been tested to check the robustness of the concept with respect to the design of the wind turbine and its floater. The PRO concept has been also expanded to consider the incoming waves, the platform orientation and the misalignment between the wind and wave directions. In the second part, the power production of a FOWT is computed using fully-coupled simulations in OpenFAST. The effect on the AEP by varying the metocean conditions, the floater typology, wind turbine size, the controller strategy, the unsteady aerodynamics (UA) model is studied. From the analysis of the results, both the PRO concept and the fully-coupled simulations confirm that the impact of the incoming wave on the power production is almost negligible. This is due to the floater design. The AEP is computed using different methods, but the results mostly converge to the same value, making the outcome almost independent from the method of computation. Neither the controller strategy nor the floater typology affects the AEP, but a great influence is played by the unsteady aerodynamics model. Moreover, major effects are played by wind characteristics, such as the turbulence intensity and the wind shear profile, and should be investigated in further research.

Lo sviluppo di tecnologie per le energie rinnovabili nel corrente mercato dell’energia è aumentato globalmente ad un elevato ritmo, ed esse rivestono un ruolo importante nella battaglia contro il cambiamento climatico. Una di queste tecnologie è la turbine eolica galleggiante (FOWT), che possiede un elevato potenziale per quei paesi caratterizzati da acque costiere profonde. Essendo ancora nella sua fase di sperimentazione, è cruciale comprendere e stimare correttamente l’energia prodotta. Questo aiuta a ridurre i costi e incoraggiare gli investimenti in questa tecnologia. Questa tesi cerca di arricchire la conoscenza circa il calcolo dell’energia annua prodotta (AEP) di una singola turbine eolica e l’influenza delle onde sull’estrazione di potenza. Nella prima parte, il concetto di operatore di risposta di potenza (PRO) è inizialmente sviluppato. Esso collega la potenza media prodotta da una turbina eolica in funzione dell’ampiezza e della frequenza del movimento della piattaforma. Due turbine eoliche sono state testate per verificare la robustezza del concetto rispetto alla dimensione della turbina e della tipologia di piattaforma. Il concetto di PRO è anche stato ampliato considerando l’onda, l’orientamento della piattaforma e il disallinemanto fra la direzione dell’onda e del vento. Nella seconda parte, la potenza prodotta da una FOWT è stato calcolata usando simulazioni multifisiche in OpenFAST. L’effetto sull’AEP è stato analizzato variando le condizione meteo-oceaniche, la tipologia della piattaforma, la dimensione della turbina, la strategia del controllo e il modello di aerodinamica instabile (UA). Dall’analisi dei risultati, sia i PRO sia le simulazioni confermano che l’impatto delle onde sulla produzione di potenza è trascurabile. Ciò è dovuto a come la piattaforma è progettata. L’AEP è stato calcolato usando diversi metodi, ma i risultati convergono allo stesso valore, rendendo il risultato quasi indipendente dal metodo. Né la strategia del controllo né la tipologia della piattaforma influenza l’AEP, che invece viene modificato notevolmente cambiando il modello di aerodinamica instabile. Tuttavia, maggiori variazioni sono collegati alle caratteristiche del vento, come l’intensità di turbolenza e il profilo del vento, e dovrebbero essere approfondite in ricerca futura.