Hydrodynamics of offshore floating wind turbines : modeling for hardware in the loop implementation

The main purpose of the following work is to propose a numerical code able to predict the dynamics of a floating wind turbine spar-buoy platform and also to be implemented in a real time “hardware-in-the-loop” system. The numerical model is designed to solve the dynamics, both for regular and irregular sea state, of a two degrees of freedom system: surge and pitch displacements. The code is structured in different subroutines, each one deals with a different kind of phenomena involved in the hydrodynamics of a floating body maintained in its position by a mooring lines system. Concerning the memory effect term of the hydrodynamical radiation problem, that in its traditional representation consists in a convolution integral, a fundamental part of this work was dedicated to replace the highly time consuming convolution integral with a simpler state space model representation in order to make possible the implementation of the numerical code in the real time “hardware-in-the-loop” system. A set of numerical tests were performed taking as wind turbine model the OC3 Hywind. Numerical results are consistent with the ones obtained by FAST, that is considered the simulator code reference in the present day. Surge and pitch degrees of freedom were chosen in order to support the second part of the work, which consists in the implementation of the code in a 2 degrees of freedom mechanism designed for simulate floating wind turbine hydrodynamics in a wind tunnel facility. The wave simulator mechanism was designed and validated at Politecnico di Milano, and it is able to represent a translational and a rotational motion of the platform. This mechanism is designed so that a scale wind turbine model can be mounted on it, with the possibility to analyze different configurations. The wave simulator mechanism is moved by hydraulic actuators whose inputs are consistent with the real time “hardware-in-the-loop” system that elaborates the acquisitions gathered from the measurement chain. The measurement chain consists in two balances, one at tower base and the other inside the nacelle, two mems accelerometers and the control of the MTS actuators. In order to take into account the aerodynamic load into the numerical model, which provides platform displacements, a particular data processing of tower base balance and accelerometers acquisitions was performed. A set of experimental tests were performed on order to create the calibration matrix needed for this operation.

Lo scopo del seguente lavoro di tesi consiste nel proporre un modello matematico in grado di riprodurre l'idrodinamica di una turbina eolica offshore di tipo spar-buoy, e di poter essere implementato in un sistema “hardware-in-the-loop” per la simulazione in tempo reale il forzamento delle onde indotto sulla piattaforma flottante. Il modello numerico sviluppato per questo lavoro è in grado di rappresentare diversi stati di mare, sia di tipo regolare che irregolare, e in funzione di questo riprodurre gli spostamenti di un modello di piattaforma a due gradi di libertà: surge e pitch. Il codice numerico è in grado di risolvere i diversi fenomeni che che governano l'idrodinamica di una piattaforma spar-bouy mantenuta in una posizione fissa mediante un sistema di ormeggio. Per quanto concerne l'effetto memoria del termine di idrodinamico di radiazione, che nella sua formulazione classica è rappresentato da un integrale di convoluzione, gran parte di questo lavoro di tesi è stato dedicato alla trasformazione di tale termine in un semplice modello in forma di stato. Solo in questo modo è stato possibile implementare il modello numerico in un sistema “hardware-in-the-loop” per la simulazione in real time della dinamica della piattaforma. Surge e pitch sono stati scelti in modo da poter essere di supporto alla seconda parte del lavoro di tesi. Infatti un sistema a due gradi di libertà per la simulazione della dinamica delle onde, progettato e validato al Politecnico di Milano, capace di rappresentare un grado di libertà di traslazione ed uno di rotazione, è stato utilizzato come riferimento per la configurazione del modello “hardware-in-the-loop”. Questo meccanismo è stato progettato in modo che venga montato un modello in scala di turbina eolica su di esso, con la possibilità di analizzare diverse configurazioni. Il meccanismo di simulazione delle onde è movimentato da attuatori idraulici, i cui input sono consistenti con il sistema “hardware-in-the-loop” che elabora le misure acquisite dalla catena di misura. Le misure acquisite sono trasformate in un termine che rappresenta il forzamento aerodinamico agente sulla turbina e viene dunque inserito nell'equazione di moto del modello numerico. Sono state svolte delle prove sperimentali, fuori dalla galleria del vento, al fine di ottenere la matrice di taratura necessaria per questa operazione.