Design and validation of a hardware in the loop experimental rig for wind tunnel tests on offshore wind turbines

The main purpose of the following work is to propose an experimental method- ology to investigate the dynamic of floating wind turbines within a wind tunnel facility. A 2 degrees-of-freedom mechanism for wave dynamic simulations has been projected, realized and validated. This mechanism has been developed for a wind turbine model to be mounted upon, with the possibility to analyse different configurations. The experimental rig has been also installed on a rotating platform within the Politecnico di Milano wind tunnel, so that many different yaw angles, with respect to the wind inflow direction, can be experimentally investigated. The mechanism is moved by hydraulic actuators whose input are con- sistent with a real-time "hardware-in-the-loop" system that elaborates the acquisitions gathered from the measurement chain, concerning the aerody- namic forces acting upon the wind turbine itself, and combines them with the hydrodynamic forces virtually calculated by a dedicated developed algo- rithm that takes into account the characteristics of the submerged platform upon which a floating wind turbine is installed offshore. An experimental campaign has been carried out in order to test the entire system operating in different dynamic configurations. Some analysis about the aerodynamic effects of the floating wind turbine have been performed by analysing the measured forces.

Il presente lavoro si pone come obiettivo principale quello di mettere a punto e validare una metodologia sperimentale per lo studio in galleria del vento su modelli di turbine eoliche per installazioni offshore. Particolare risalto si da alle piattaforme offshore di tipo galleggiante. Il lavoro di tesi qui presentato consiste nella progettazione, nella realizzazione e nella validazione sperimentale di un meccanismo a 2 gradi di libertà sul quale è possibile installare un modello di turbine eolica opportunamente strumentato, per la rivelazione delle forze cui è soggetta e per lo studio della sua dinamica in genere. Tale meccanismo è azionato mediante due attuatori idraulici, uno per ciascun grado di libertà, in modo da poter studiare diverse condizioni di galleggiamento, garantite dall’opportuno controllo degli azionamenti stessi; in base al tipo di fissaggio del modello sul meccanismo è inoltre possibile studiare diverse configurazioni sperimentali. L’intero sistema è inoltre fissato su una piattaforma rotante in grado di cambiare l’angolo relativo rispetto alla direzione di incidenza del vento generato dalla galleria, a sua volta variabile a seconda delle esigenze sperimentali. In questo lavoro è stato inoltre predisposto la procedura di controllo in grado di eseguire una una movimentazione del moto ondoso in tempo reale, coerente con i carichi aerodinamici e idrodinamici; questo conferisce all’apparato sperimentale la capacità di testare specifiche condizioni ambientali cui è soggetta una turbina eolica offshore, a valle della definizione di un particolare stato del mare e di un determinato regime eolico. Durante le prove sperimentali, pertanto, la storia temporale del sistema di movimentazione risulta definita in base al calcolo numerico "in linea" dell’interazione fluido-struttura relativa alla parte di piattaforma immersa nell’acqua e attraverso l’elaborazione e alla retroazione dei segnali di forza misurati fisicamente mediante la strumentazione, e collegabili alla resistenza aerodinamica offerta dal modello durante il funzionamento. La scelta di progettare, presso la galleria del vento del Politecnico di Milano, un sistema di movimentazione meccanico del tipo "hardware-in-the-loop" che riproduca la dinamica delle onde combinato alla generazione di un forzamento eolico completamente controllato è coerente con la volontà di dare risalto allo studio degli aspetti aerodinamici strettamente legati alla qualità nella generazione di potenza elettrica.