Mechatronic Design of an Innovative Robotic Platform for Hybrid Wind Tunnel Testing of Floating Offshore Wind Farms

The European Union’s objective of achieving climate neutrality by 2050 promotes the development of renewable energy sources, particularly wind energy. The next step forward in the field of wind energy is represented by floating wind turbines and farms; this technology is, however, still associated with a series of engineering questions that slow down its adoption: the physics of interaction rotor-wake, wake-wake, and the management of floating wind farms are issues that have yet to be fully explored by the scientific community. This thesis contributes to this research by focusing on the mechatronic design of a two-degrees-of-freedom (DOF) robotic platform for hybrid wind tunnel testing of scaled model offshore wind turbines. This robotic platform is able to replicate the motion of a floating platform in surge and pitch DOFs. Combined with the robot, a corresponding scaled wind turbine model is designed, featuring a yaw system to optimize energy extraction by orienting the rotor with the wind direction. The four DOFs requirements in the robot-turbine assembly result from a meticulous design process based on technical specifications derived from wind tunnel tests and scaled motion spectra of full-scale floating platforms. Since the robotic platform will be used as a wave motion simulator, a reference mission is not defined a priori: for this reason, the requests in terms of motor torques, forces and velocities, and the loads in the mechanical components are obtained using a statistical approach (the Monte Carlo method), coupled with a multibody model of the system. The detailed mechatronic design phase is carried out with the final objective of obtaining a sufficiently rigid, precise and backlash-free mechanical system, employing state-of-the-art linear servo motors for actuation. A first draft of the control scheme for the robot-turbine unit is also outlined. Multiple units will be deployed on the test floor to replicate and validate management strategies for floating wind farms. Finally, a test bench is developed to ensure the chosen motor and linear encoder combination guarantees the required performance in terms of dynamic response and precision.

L’obiettivo dell’Unione europea di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050 promuove lo sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili, in particolare l’energia eolica. Il prossimo passo in avanti è rappresentato da turbine e parchi eolici galleggianti; questa tecnologia è, tuttavia, ancora associata a una serie di problemi che rallentano la sua adozione: la fisica dell’interazione rotore-scia, scia-scia, e la gestione di parchi eolici galleggianti sono questioni che devono ancora essere pienamente affrontate dalla comunità scientifica. Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno di questo filone di ricerca concentrandosi sulla progettazione meccatronica di una piattaforma robotica a due gradi di libertà (GDL) per hybrid testing in galleria del vento di modelli in scala di turbine eoliche offshore. La piattaforma robotica è in grado di replicare il movimento di una piattaforma galleggiante nel moto di surge e pitch. In combinazione con essa, è stato progettato un corrispondente modello di turbina eolica in scala, dotato di un sistema di yaw per ottimizzare l’estrazione di energia orientando il rotore con la direzione del vento. I requisiti dei quattro GDL sono il risultato di un meticoloso processo di progettazione basato sulle specifiche tecniche derivate a partire da test in galleria del vento e dagli spettri delle piattaforme galleggianti al vero. Poiché la piattaforma robotizzata sarà utilizzata come simulatore di moto ondoso, una missione di riferimento non è definita a priori: per questo motivo, le richieste in termini di coppie, forze e velocità, e i carichi nei componenti meccanici sono ottenuti utilizzando un approccio statistico (metodo Monte Carlo), accoppiato ad un modello multibody del sistema. La fase di progettazione meccatronica viene effettuata con l’obiettivo finale di ottenere un sistema meccanico sufficientemente rigido, preciso e privo di giochi, utilizzando servomotori lineari. Infine, è stato realizzato un banco di prova per garantire che la combinazione del motore scelto e dell’encoder lineare garantisca le prestazioni richieste in termini di risposta dinamica e precisione.