inclusion of reference wind turbine controller in wind tunnel experiments on the aerodynamic response of floating wind turbines

The outstanding growth of wind energy sector has pushed the research world to look for ever more efficient solutions, to lower the cost of energy making it economically competitive compared to other energy sources. Moreover, floating offshore wind turbines established themselves as a possible candidate to become an energy solution, with efficiency comparable to more traditional resources. In this context, wind turbine control is of utter importance to maximize power production and to guarantee safe operation of the system during its life-cycle. Also numerical tools and wind tunnel testing are now more than ever, of fundamental importance to validate new design solutions and reduce development time of new projects. This thesis deals with the implementation of an OpenFAST numerical model of the Polimi 15 MW, that is 1:100 scaled model of the IEA 15 MW Reference Wind Turbine. The control problem is introduced for the reference turbine, considering the functionalities made available by the ROSCO controller. This controller is than implemented for the Polimi 15 MW, and the response of the system is analyzed through numerical simulations, considering the response of the IEA 15 MW as a reference. The physical scaled model is then tested in wind tunnel, both in onshore and offshore configuration. The offshore configurations is made possible through an hexapod, that reproduces the motions of a floating platform due to wind loads and wave motion, in a Hardware in the Loop implementation. The wind tunnel tests results are compared to the numerical ones. Results for bottom fixed configuration shows quite good matching. Steady state operating points obtained during tests are in good agreement with the ones of the numerical model, and also with the ones of the IEA 15 MW, especially in above rated condition. Tests in offshore configuration, with imposed platform motion show contrasting results. The matching between experimental and numerical results is not always ensured, and further investigation are needed, in particular on the experimental setup.

L’eccezionale crescita del settore dell’energia eolica ha spinto la ricerca verso soluzioni sempre più efficienti, per abbassare il costo dell’energia rendendola economicamente competitiva rispetto ad altre fonti energetiche. Inoltre, le turbine eoliche galleggianti si sono affermate come un possibile candidato per diventare una fonte energetica con un’ efficienza paragonabile a risorse più tradizionali. In questo contesto, il controllo delle turbine eoliche è di fondamentale importanza per massimizzare la produzione di energia e garantire il funzionamento del sistema in condiziondi di sicurezza. Anche i software di simulazione e le prove in galleria del vento sono oggi più che mai di fondamentale importanza, per validare nuove soluzioni progettuali e ridurre i tempi di sviluppo. Questa tesi si occupa dell’implementazione di un modello numerico in OpenFAST della "Polimi 15 MW", un modello in scala 1:100 della turbina di riferimento "IEA 15 MW". Il problema del controllo di una turbina eolica viene introdotto per la turbina di riferimento, considerando le funzionalità messe a disposizione dal controllore ROSCO. Questo controllore è implementato per la Polimi 15 MW, e la risposta del sistema viene analizzata con simulazioni numeriche, considerando la IEA 15 MW come riferimento. Il modello fisico è testato in galleria del vento, sia in configurazione onshore che offshore. La configurazione offshore è resa possibile attraverso un esapode, che riproduce i movimenti di una piattaforma galleggiante dovuti alle forze aerodinamiche e al moto ondoso, in un’implementazione di tipo "Hardware in the Loop". I risultati dei test in galleria del vento sono confrontati con quelli numerici. I risultati per la configurazione onshore sono promettenti. I punti di funzionamento ottenuti durante i test sono in accordo con quelli del modello numerico, e anche con quelli della IEA 15 MW, specialmente per velocità del vento sopra la nominale. I test in configurazione offshore, con moto della piattaforma imposto, mostrano invece risultati contrastanti. La corrispondenza tra risultati sperimentali e numerici non è sempre garantita e sono necessari ulteriori studi e verifiche, in particolare sul setup sperimentale.