Streamlining complexity through creation and validation of a simplified model for an offshore floating wind turbine

This thesis investigates a simplified modeling approach for floating offshore wind turbines (FOWTs), with a particular focus on the primary dynamics affecting rotor speed and platform pitch. The developed model, based on the IEA-15MW wind turbine with the UMaine VolturnUS-S platform, provides a computationally efficient alternative to complex multi-body simulations, facilitating control strategy evaluations and initial stability analyses, which are crucial for offshore wind applications. Validation through high-fidelity simulations using OpenFAST demonstrates that the simplified model effectively captures core dynamics, such as rotor stability and platform response under typical operating conditions. Consequently, it is well-suited for preliminary design and control strategy testing. This work illustrates the potential of simplified models in markedly reducing computational demands, thereby facilitating rapid insights into FOWT behavior without compromising critical accuracy. While the model is successful in representing essential interactions, further improvements could be made by incorporating more refined hydrodynamic parameters and mooring dynamics in order to better capture complex offshore load scenarios. This study establishes a foundation for the development of a reliable and adaptable tool that, with further enhancements, has the potential to significantly advance the efficient analysis and optimization of offshore wind turbine technology.

Questa tesi propone un approccio di modellazione semplificato per le turbine eoliche offshore galleggianti (FOWT), con un’attenzione particolare alle dinamiche primarie che influenzano la velocità del rotore e il beccheggio della piattaforma. Il modello sviluppato, basato sulla turbina eolica IEA-15MW con la piattaforma UMaine VolturnUS-S, offre un’alternativa efficiente dal punto di vista computazionale alle complesse simulazioni multi-corpo, facilitando le valutazioni delle strategie di controllo e le analisi di stabilità iniziale, fondamentali per le applicazioni eoliche offshore. La convalida tramite simulazioni ad alta fedeltà con OpenFAST ha dimostrato che il modello semplificato è in grado di catturare efficacemente le dinamiche fondamentali, come la stabilità del rotore e la risposta della piattaforma in condizioni operative tipiche. Di conseguenza, il modello è adatto alla progettazione preliminare e alla verifica delle strategie di controllo. Questo lavoro dimostra il potenziale dei modelli semplificati nel ridurre significativamente i requisiti computazionali, offrendo una rapida comprensione del comportamento della FOWT senza compromettere l’accuratezza critica. Sebbene il modello riesca a rappresentare le interazioni essenziali, si potrebbero apportare ulteriori miglioramenti incorporando parametri idrodinamici e dinamiche di ormeggio più raffinati, al fine di catturare meglio i complessi scenari di carico offshore. Questo studio getta le basi per lo sviluppo di uno strumento affidabile e adattabile che, con ulteriori miglioramenti, potrebbe fare un significativo passo avanti nell’analisi e nell’ottimizzazione della tecnologia delle turbine eoliche offshore.