Integrated design and LCOE minimization of floating wind turbines

The growing global interest in floating wind energy highlights the need for specific design procedures tailored to floating wind turbines (FWTs). This thesis adopts a systems engineering approach, focusing on optimizing the entire system rather than individual components, to minimize the Levelized Cost of Energy (LCOE). The study develops a framework for designing FWTs by balancing computational efficiency and result accuracy. Aerodynamic and hydrodynamic modelling aspects are analyzed separately and combined into a coupled time-domain simulation environment. The aerodynamic models within the in-house aero-servo-elastic solver (Cp-Lambda) are enhanced and validated through wind tunnel experiments under typical platform motions. Hydrodynamic modelling routines utilize a frequency-domain potential flow solver to determine platform hydrodynamic coefficients. Open-source hydrodynamic libraries (HydroDyn and MoorDyn) are coupled with multi-body simulations, while a reduced-order model enables efficient static simulations to capture system behavior under various operating conditions. This integrated aero-hydro-servo-elastic simulator, along with platform parameterization and modeling techniques, forms the foundation for a preliminary structural optimization framework. Herewith, the substructure design of the NREL 5MW turbine with the OC3 Hywind Spar is optimized, evaluating performance under extreme environmental conditions. The results demonstrate significant cost reductions for substructures and highlight the need for fully integrated system design. To extend this approach, rotor and tower designs are integrated within the in-house wind turbine design suite. The process follows a sequence of optimization steps, beginning with the co-design of blade aerodynamics and substructures, followed by controller design and structural sizing of blades and towers. The methodology is applied to a 10-MW turbine, initially designed for fixed-bottom applications, which is optimized for floating conditions. The results reveal significant changes in rotor aerodynamics and structural design, underscoring the interdependence of system components in FWTs. This emphasizes the importance of multidisciplinary design techniques for optimal system performance. The thesis also broadens its scope to wind farm-level design, aiming to minimize LCOE of the entire floating wind power plant. A wind farm cost model is developed, integrating scalable cost functions with engineering models to accurately capture turbine interactions without excessive computational cost. This tool supports preliminary micro-siting and layout optimization during early project phases and facilitates the integration of wind farm cost considerations into turbine design. A case study demonstrates the tool’s capabilities by optimizing a floating wind farm off the Atlantic coast of the Iberian Peninsula. Sensitivity analyses reveal that varying the distance-to-shore constraint, which reflects wind farm visibility concerns, significantly affects LCOE. The developed tool aims to bridge the gap between developers and local authorities, streamlining permitting and zoning processes. In conclusion, the research establishes a robust design methodology for floating wind turbines and wind farms, emphasizing system-level optimization and interdisciplinary approaches. The findings contribute to advancing floating wind energy technologies and achieving cost-effective, sustainable energy solutions.

Il crescente interesse globale per l'energia eolica galleggiante evidenzia la necessità di procedure di progettazione specifiche su misura per le turbine eoliche galleggianti (FWT). Questa tesi adotta un approccio di ingegneria dei sistemi, focalizzandosi sull'ottimizzazione dell'intero sistema piuttosto che sui singoli componenti, per ridurre al minimo il costo livellato dell'energia (LCOE). Lo studio sviluppa un framework per la progettazione di FWT bilanciando l'efficienza computazionale e l'accuratezza dei risultati. Gli aspetti di modellazione aerodinamica e idrodinamica vengono analizzati separatamente e combinati in un ambiente di simulazione accoppiato nel dominio del tempo. I modelli aerodinamici all'interno del risolutore aero-servo-elastico interno (Cp-Lambda) vengono migliorati e convalidati tramite esperimenti in galleria del vento con tipici movimenti della piattaforma. Le routine di modellazione idrodinamica utilizzano un risolutore di flusso potenziale nel dominio della frequenza per determinare i coefficienti idrodinamici della piattaforma. Le librerie idrodinamiche open source (HydroDyn e MoorDyn) sono accoppiate a simulazioni multi-corpo, mentre un modello di ordine ridotto consente simulazioni statiche efficienti per catturare il comportamento del sistema in varie condizioni operative. Questo simulatore aero-idro-servo-elastico integrato, insieme alle tecniche di parametrizzazione e modellazione della piattaforma, costituisce la base per un quadro di ottimizzazione strutturale preliminare. Con ciò, la progettazione della sottostruttura della turbina NREL da 5 MW con OC3 Hywind Spar è ottimizzata, valutando le prestazioni in condizioni ambientali estreme. I risultati dimostrano significative riduzioni dei costi per le sottostrutture e sottolineano la necessità di una progettazione di sistema completamente integrata. Per estendere questo approccio, i progetti di rotore e torre sono integrati nella suite di progettazione interna della turbina eolica. Il processo segue una sequenza di fasi di ottimizzazione, a partire dalla progettazione congiunta dell'aerodinamica delle pale e delle sottostrutture, seguita dalla progettazione del controller e dal dimensionamento strutturale di pale e torri. La metodologia è applicata a una turbina da 10 MW, inizialmente progettata per applicazioni a fondo fisso, che è ottimizzata per condizioni di galleggiamento. I risultati rivelano cambiamenti significativi nell'aerodinamica del rotore e nella progettazione strutturale, sottolineando l'interdipendenza dei componenti del sistema nelle FWT. Ciò sottolinea l'importanza delle tecniche di progettazione multidisciplinari per prestazioni di sistema ottimali. La tesi amplia inoltre il suo ambito alla progettazione a livello di parco eolico, mirando a ridurre al minimo l'LCOE dell'intero impianto eolico galleggiante. Viene sviluppato un modello di costo del parco eolico, integrando funzioni di costo scalabili con modelli di ingegneria per catturare con precisione le interazioni delle turbine senza costi computazionali eccessivi. Questo strumento supporta la micro-localizzazione preliminare e l'ottimizzazione del layout durante le prime fasi del progetto e facilita l'integrazione delle considerazioni sui costi del parco eolico nella progettazione della turbina. Uno studio di caso dimostra le capacità dello strumento ottimizzando un parco eolico galleggiante al largo della costa atlantica della penisola iberica. Le analisi di sensibilità rivelano che la variazione del vincolo di distanza dalla riva, che riflette le preoccupazioni sulla visibilità del parco eolico, influisce in modo significativo sull'LCOE. Lo strumento sviluppato mira a colmare il divario tra sviluppatori e autorità locali, semplificando i processi di autorizzazione e zonizzazione. In conclusione, la ricerca stabilisce una solida metodologia di progettazione per turbine eoliche galleggianti e parchi eolici, enfatizzando l'ottimizzazione a livello di sistema e gli approcci interdisciplinari. I risultati contribuiscono a far progredire le tecnologie dell'energia eolica galleggiante e a raggiungere soluzioni energetiche sostenibili ed economiche.