Design optimization of a floating spar-buoy substructure with yaw-wave misalignment and fatigue constraints

The scientific community is united in attributing the recent decades climate change to greenhouse gas emissions into the atmosphere, carbon dioxide in principal. The principal instrument to fight and prevent this phenomenon is the energy transition represented by wind energy. However, it faces challenges in finding onshore locations and sometimes encounters public discontent due to its environmental and visual impact. An alternative to onshore wind energy is offshore wind energy, which offers more wind resources, installation flexibility, and social acceptance, especially near coastal areas. A growing innovation is floating wind turbines, which expand site options beyond seabed-fixed installations. However, still have to gain economic competitiveness to allow commercial market uptake and that’s why design optimization, focusing on cost reduction while ensuring optimum system performance, plays a key role in achieving these goals. A major challenge associated with these new turbines is the introduction of hydrodynamics and thus hydro-aero-elastic coupling, which requires careful analysis. Indeed, the randomness of metocean conditions coupled with the great variety of wind conditions lead to situations that can interfere with the turbine’s performance. Therefore, this thesis project, using the framework developed by POLI-Wind Wind Energy Lab in the Department of Aerospace Science and Technology, aims to better understand which are the critical loads driven by these environmental conditions to be used for an optimum design of the substructure of a 5MW wind turbine with a spar type base and a system of 3 mooring lines including a methodology for the assessment of mooring system fatigue, which is the core part, considering the full lifetime. The goal is to achieve an optimized design that minimizes costs complying with all necessary requirements. In particular, it’s showed how the introduction of fatigue constraints is mandatory to avoid failure before the turbine lifetime; therefore the design is performed with these new constraints and a comparison is done with the cases without fatigue analysis.

La comunità scientifica è concorde nell’attribuire alle emissioni di gas a effetto serra in atmosfera, in particolare di anidride carbonica, lo stravolgimento del clima degli ultimi decenni. Lo strumento principale per contrastare e prevenire tale fenomeno è rappresentato dall’energia eolica, che tuttavia si scontra con la difficoltà di trovare sedi onshore e a volte con il malcontento dei cittadini a causa dell’impatto ambientale e visivo. Un’alternativa all’energia eolica onshore è l’energia eolica offshore, che offre maggiori risorse eoliche, flessibilità di installazione e accettazione, soprattutto nelle aree costiere. La gran parte delle installazioni offshore attualmente è costituita da generatori eolici con una base fissata al fondale marino, ma una sua evoluzione sta prendendo sempre più piede: le turbine eoliche galleggianti. Tuttavia, è ancora necessario ottenere competitività economica per consentire l’adozione sul mercato commerciale, ed è per questo che l’ottimizzazione del design, concentrandosi sulla riduzione dei costi pur garantendo le prestazioni ottimali del sistema, gioca un ruolo chiave nel raggiungimento di questi obiettivi. Una sfida importante associata a queste nuove turbine è l’introduzione dell’idrodinamica e, di conseguenza, dell’accoppiamento idro-aero-elastico, che richiede un’analisi accurata. Infatti, la casualità delle condizioni metoceaniche unita alla grande varietà di condizioni di vento porta a situazioni che possono interferire con le prestazioni della turbina. Pertanto, questo lavoro, utilizzando il framework sviluppato dal POLI-Wind Wind Energy Lab presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali, mira a comprendere meglio quali siano i carichi critici determinati da queste condizioni ambientali da utilizzare per una progettazione ottimale della sottostruttura di una turbina eolica da 5 MW con una base di tipo spar e un sistema di 3 linee di ancoraggio, includendo una metodologia per la valutazione della fatica del sistema di ancoraggio considerando l’intera durata di vita. L’obiettivo di questa tesi è quindi quello di compiere un primo passo verso la realizzazione di un design ottimizzato che permetta di minimizzare i costi soddisfacendo tutti i requisiti necessari. In particolare, viene mostrato come l’introduzione dei vincoli di fatica sia obbligatoria per evitare guasti prima della durata di vita della turbina; pertanto, la progettazione viene eseguita con questi nuovi vincoli e viene effettuato un confronto con i casi senza analisi della fatica.