Study of wake interactions in floating wind farms with wind tunnel experiments and FAST.Farm simulations

In a wind farm, one of the main issues is the aerodynamic interaction between the turbines due to wakes. In a floating wind farm, this phenomenon is more complex, due to the movement of the rotor caused by the waves. This aspect is important, because wakes are responsible for a good part of the energy losses of a wind farm (up to 15-20% yearly), other than for the loads on the rotors. In floating wind turbines, the waves impose a movement of the turbine, so the rotor is not fixed in space. This motion causes a change in the relative direction between the wind and the rotor plane, so the wake will be significantly different in intensity and direction compared to the bottom-fixed case, affecting performances and stresses of the turbines. In this thesis, the most important wake-related phenomena are investigated, to identify which have the largest impact on the response of a floating wind farm. Wind tunnel experiments are performed, and replicated with simulations using FAST.Farm. The results are then compared, to highlight the differences between simulations and experiments, and the reliability of the used software in these kind of setup. The outcome of this thesis is that the most important differences from the fixed configuration, in terms of stresses and generated power, appear when the upstream turbine moves along the horizontal directions transversal to the rotor axis, particularly for yaw and roll+pitch motions. An interesting result is that the periodicity of the harmonic motion of the turbines has an effect on the wake, which "pulsates" with the same periodicity of such motion, or at multiples of it, as it is visible in the thrust force spectra. These results are more evident when the distance between the turbines is higher. The reliability of FAST.Farm has proven to be good for the fixed case, while still limited for the floating scenarios: it reproduces the periodic pulsations of the wake, but the effects of the motions on the loads of the downstream turbine are hardly noticeable, differently from what seen in the wind tunnel experiments.

In un parco eolico, uno dei problemi principali è l'interazione aerodinamica tra le turbine dovuta alle scie. In un parco eolico galleggiante, questo fenomeno è più complesso, per via del movimento del rotore causato dalle onde. Questo aspetto è importante, poichè le scie sono responsabili di una buona parte delle perdite energetiche di un parco eolico (fino al 15-20% annuo), oltre che dei carichi sul rotore. Nelle turbine eoliche galleggianti, le onde impongono un movimento della turbina, perciò il rotore non è fisso nello spazio. Questo moto causa un cambio nella direzione relativa tra vento e piano del rotore, perciò la scia sarà differente per intensità e direzione rispetto al caso con turbina fissa, influenzando le prestazioni e i carichi delle turbine. In questa tesi, i fenomeni più importanti relativi alle scie sono studiati, per identificare quelli che hanno un impatto maggiore nella risposta di un parco eolico galleggiante. Sono effettuati esperimenti in galleria del vento, poi replicati con simulazioni usando FAST.Farm. I risultati sono poi messi a confronto, per evidenziare le differenze tra simulazioni ed esperimenti, e l'affidabilità del software usato in questo tipo di configurazione. L'esito di questa tesi è che le differenze più importanti rispetto alla configurazione fissa, in termini di sollecitazioni e potenza generata, appaiono quando la turbina a monte si muove lungo la direzione orizzontale trasversale all'asse del rotore, in particolare per i moti di yaw e roll+pitch. Un risultato interessante è che la periodicità del moto armonico della turbina a monte ha un effetto sulla scia, che "pulsa" con la stessa periodicità di tale moto, o a multipli di essa, come visibile negli spettri della thrust. Questi risultati sono accentuati quando la distanza tra le turbine è maggiore. L'affidabilità di FAST.Farm si è dimostrata buona per il caso fisso, mentre limitata per i casi galleggianti: riproduce le pulsazioni periodiche della scia, ma gli effetti dei moti sui carichi della turbina a valle sono difficilmente notabili, differrentemente da quanto visto negli esperimenti in galleria del vento.