Numerical characterization of an optimization model for the layout of floating wind farms

The wind energy sector and renewable energy in general in Europe is in turmoil due to recent geopolitical changes in energy supplies. Aiming at wind energy means finding new solutions to design efficient and, above all, economically advantageous wind farms; for this reason it is necessary to study turbines, of large size and power, capable of operating in extreme conditions as in the case of off-shore turbines. However, this is not enough; in fact, it is necessary to make sure that the arrangement of these large turbines is optimized so that they are spaced far enough apart so as not to create heavy wake effects and to optimize the use of wiring and electrical apparatus. This what appears to be a large optimization problem, within which are hidden many multiple optimizations: structural, aerodynamic, aeroelastic, and economic; is handled by a software complex called Cp-Max. Its apparatus intended for economic evaluation is the CosMo-WF wind farm cost model, which was extensively used in this work, together with the open-source code Floris was chosen for wind farm simulation in order to calculate the overall power output, considering the interactions between rotor vortices. This work investigates optimizations of wind farms in different configurations of the optimizer, to compare the various results by evaluating the performance of the cost model as the type of input and modus operandi of the software itself vary. The tests and analyses that were performed and are present in this paper demonstrate the effectiveness of this cost model and its responsiveness.

Il settore dell’energia eolica e in generale dell’energia rinnovabile in Europa è in fermento grazie ai recenti cambi di rotta geopolitici sugli approvvigionamenti energetici. Puntare Sull’energia eolica significa trovare nuove soluzioni per progettare dei parchi eolici efficienti e soprattutto vantaggiosi economicamente; per questo motivo è necessario studiare delle turbine, di grandi dimensione e potenza, in grado di operare in condizioni estreme come nei casi delle turbine in mare aperto. Tuttavia questo non è sufficiente, infatti è necessario fare in modo che la disposizione di queste grandi turbine sia ottimizzata in modo che esse siano abbastanza distanziate tra loro, così da non creare pesanti effetti di scia e da ottimizzare l’utilizzo di cablaggi e apparati elettrici. Questo che sembra un grande problema di ottimizzazione, all’interno del quale sono nascosti molte ottimizzazioni multiple: strutturali, aerodinamiche, aeroelastiche ed economiche; viene gestito da un complesso software chiamato Cp-Max. Il suo apparato destinato alla valutazione economica è il modello di costo per parchi eolici CosMo-WF, il quale è stato largamente impiegato in questo lavoro, insieme al codice open-source Floris è stato scelto per la simulazione del parco eolico al fine di calcolare l’output di potenza globale, considerando le interazioni tra i vortici dei rotori. Questo lavoro indaga delle ottimizzazioni di parchi eolici in diverse configurazioni dell’ottimizzatore, così da confrontare i vari risultati valutando le performance del modello di costo al variare della tipologia di input e di modus operandi dell’software stesso. I test e le analisi che sono state svolte e sono presenti in questo lavorano dimostrano l’efficacia di questo modello di costo e la sua capacità di risposta.