Design of spar-based floating offshore wind turbines: a multidisciplinary engineering perspective

As the world turns its focus on more sustainable energy solutions to mitigate the global temperature rise and its climate repercussions, offshore wind energy has emerged as as an important resource to harness the high-potential of wind energy available at open sea. The current approach adopted in the floating wind industry excludes the wind turbine from the design process of its floating system, addressing sub-system interactions only as a final verification. This philosophy may result in suboptimal configurations, ultimately proving inadequate when seeking high performance and cost-effective solutions. In recent years, the wind energy sector has increasingly advanced toward a holistic design philosophy, where the subsystems and their interactions are considered altogether, thereby accounting for the interdependence physics of the problem. In line with this trend, this work contribution consists in performing a multidisciplinary design analysis and optimization (MDAO) of different spar-based floating wind turbine configurations using the Cp-Max design suite, a well-established research tool whose computational framework was recently extended by incorporating hydrodynamic capabilities for floating offshore applications, allowing to accurately model the complex interactions that arise in floating offshore wind systems. Specifically, the present work concerns two-bladed and three-bladed 10 MW rotor configurations mounted on a spar-type foundation, investigating both cases with and without noise constraints, and examining how each rotor configuration interacts with the spar platform during the optimization process. The rotor types selection was based on their relevance in current offshore wind design trends and their contrasting dynamic behaviors, which allow a meaningful comparison in terms of key performance indicators (KPIs), although the limitations of comparing non-equivalent designs are fully recognized. The optimizations outcomes are expected to underscore the importance of addressing component interactions from the early design stages through a holistic design philosophy, effectively narrowing the gap to globally optimized solutions.

Mentre il mondo rivolge la sua attenzione verso soluzioni energetiche più sostenibili, per mitigare l'innalzamento della temperatura globale e le sue ripercussioni sul clima, l’energia eolica offshore è emersa come importante risorsa per sfruttare l'elevato potenziale dell’energia del vento disponibile in mare aperto. L’attuale approccio adottato nell’industria dell’energia eolica flottante esclude la turbina dal processo di design della struttura galleggiante, considerando le interazioni tra sottosistemi solo in una fase finale di verifica. Questa metodologia però può rivelarsi non ottimale, dimostrandosi inadeguata quando si cercano design ad alte prestazioni e con costi contenuti. In anni recenti il settore dell’energia eolica si è spostato sempre di più verso una filosofia di design olistica, dove i sottosistemi e le loro interazioni vengono considerati nel loro insieme, considerando l’interdipendenza fisica del problema. In accordo con questa tendenza, il contributo di questo lavoro consiste nello svolgere un'analisi, progettazione e ottimizzazione multidisciplinare (MDAO) di diverse configurazioni di turbine eoliche montate su fondazioni flottanti di tipologia spar; questo attraverso l’utilizzo di Cp-Max, uno strumento di design ben consolidato il cui framework computazionale è stato recentemente esteso incorporando anche capacità idrodinamiche per applicazioni flottanti offshore. Nello specifico, il presente lavoro utilizza rotori da 10 MW con configurazione bipala e tripala, montati su una base di tipo spar, analizzando entrambe le tipologie, con e senza vincoli di velocità in punta pala, ed esaminando come ogni rotore interagisce con la piattaforma spar durante il processo di ottimizzazione. La selezione di bipala e tripala è basata sulla loro importanza in attuali tendenze di design eolico offshore e i loro comportamenti dinamici differenti, che permettono un confronto significativo in termini di principali indicatori di performance (KPIs), sebbene le limitazione nel paragone tra design non equivalenti siano pienamente riconosciute. I risultati attesi dall’ottimizzazione dovrebbero evidenziare l’importanza di considerare l’interazione fra componenti già dalle prime fasi di progetto, attraverso una filosofia di design olistica, avvicinandosi a soluzioni di design ottimali a livello di sistema globale.