La domanda globale di energia eolica sta aumentando rapidamente e sta acquisendo sempre più importanza come risorsa energetica, dato l'interesse crescente per le energie rinnovabili. Le risorse eoliche offshore hanno attirato un'attenzione significativa e, rispetto alle risorse eoliche terrestri, sembrano essere più promettenti per lo sviluppo. I venti marini sono generalmente più forti e più affidabili e grazie agli enormi miglioramenti della tecnologia, il mare è diventato un hot spot per nuovi design e metodi di installazione per le turbine eoliche. C'è molto interesse in questo campo, poiché si ritiene che svolga un ruolo importante nel futuro dell'eolico offshore. Vari carichi dinamici vengono trasmessi dalla torre della turbina eolica alla sua piattaforma: carico del vento, carico delle onde del mare, carico dinamico dovuto al rotore, effetti di schermatura del vento della pala sulla torre che crea un carico ciclico. Per una turbina eolica offshore che opera sulla superficie del mare in continua evoluzione, è quindi fondamentale studiare il comportamento dinamico a cui è soggetta la struttura e in che modo la complessa interazione dei carichi delle onde e del vento influisca sul sistema. Un robusto processo di progettazione deve garantire che la frequenza naturale dell'intero sistema non si avvicini alle frequenze dei carichi ambientali imposti. In caso contrario, si potrebbe amplificare la risposta dinamica della struttura, portando a maggiori deflessioni della torre che possono compromettere le prestazioni della turbina eolica. Le turbine eoliche galleggianti sono supportate da strutture galleggianti e, quindi, hanno 6 gradi di libertà, che possono essere eccitate da carichi di onde, vento e correnti oceaniche. L'intero sistema è ormeggiato e stabilizzato mediante un sistema di molle e contrappesi. Sono strutture relativamente grandi che variano tra 5000 e 10.000 tonnellate per un'unità da 2 a 5 MW. Le turbine eoliche galleggianti sono soggette a carichi di vento e anche la struttura di supporto è soggetta a carichi idrodinamici, innescando un comportamento non lineare complesso dovuto alla combinazione di questi carichi. I carichi del vento che agiscono sulle pale della turbina eolica vengono trasmessi alla piattaforma galleggiante attraverso i componenti rotore- navicella e le torri; allo stesso tempo, anche la tensione di ormeggio ricevuta dal sistema di ormeggio viene trasmessa alla piattaforma galleggiante. Questi influenzano la risposta dinamica della piattaforma mobile. D'altra parte, il movimento della piattaforma galleggiante a sua volta provoca un movimento relativo tra la piattaforma e le pale della turbina eolica, influenzando le forze aerodinamiche sulle pale. Le reazioni tra le varie componenti della struttura sono complesse e accoppiate, rendendo la risposta dinamica del sistema FOWT difficile da prevedere e piena di sfide. Il sistema di accoppiamento pale-torre-piattaforma non è lineare, elemento di novità rispetto alle strutture tradizionali. Sono stati condotti esperimenti di alta qualità per esaminare la risposta dinamica della turbina eolica offshore. Sono stati condotti esperimenti utilizzando le strutture del DHI (Danish Hydraulic Institute) nell'ambito dell'iniziativa EU-Hydralab + Integrated Infrastructure Initiative utilizzando una turbina eolica di riferimento NREL 5MW in scala 1:40 (RWT) posta su piattaforma galleggiante OC3-Hywind, un concetto sviluppato da Statoil della Norvegia costituito da un unico cilindro verticale di grande diametro. Sono stati simulati diversi carichi dinamici che agiscono sulla turbina eolica galleggiante offshore, derivanti da una combinazione di attacchi di onde regolari e irregolari a cresta lunga ortogonali (0°) e obliqui (20°) alla struttura e diversi carichi del vento. Gli effetti delle alte frequenze non sono stati considerati in questo documento e la ricerca considera la torre della turbina eolica come un corpo rigido, quindi solo i sei gradi di libertà della piattaforma sono considerati per calcolare la risposta a bassa frequenza della piattaforma. Sono state implementate tecniche di elaborazione del segnale sui dati acquisiti al fine di valutare le principali proprietà dinamiche della struttura offshore. In primo luogo, è stata studiata la risposta strutturale dopo l'applicazione di un impulso, consentendo di ottenere la frequenza naturale di ciascun grado di libertà a cui è soggetta la struttura offshore e di identificare i rapporti di smorzamento modale. Successivamente, sono stati presentati i risultati relativi alle onde regolari, con incidenza ortogonale alla struttura; i test selezionati hanno considerato un'onda regolare con lo stesso periodo al fine di analizzare l'influenza dell'altezza dell'onda senza carico del vento e con un carico del vento che consente al rotore della turbina eolica di raggiungere la condizione nominale. Sono state effettuate analisi di spostamenti, rotazioni, accelerazioni, risposta delle forze della struttura galleggiante e delle linee di ormeggio. I risultati mostrano che la maggior parte della risposta dinamica longitudinale si verifica alla frequenza dell'onda con un contributo minore, ma non trascurabile, alle frequenze del corpo rigido, in contrasto con la risposta dinamica laterale in cui le frequenze del corpo rigido sono predominanti. The present paper describes the experiences gained from the design methodology and operation of a 3D physical model experiment aimed to investigate the dynamic behaviour of a spar buoy floating offshore wind turbine. The physical model consists in a Froude-scaled NREL 5MW reference wind turbine (RWT) supported on the OC3-Hywind floating platform. Experimental tests have been performed at Danish Hydraulic Institute (DHI) offshore wave basin within the European Union-Hydralab+ Initiative, in April 2019. The floating wind turbine model has been subjected to a combination of regular and irregular wave attacks and different wind loads. Measurements of displacements, rotations, accelerations, forces response of the floating model and at the mooring lines have been carried out. First, free decay tests have been analysed to obtain the natural frequency and the modal damping ratios of each degree of freedom governing the offshore. Then, the results concerning regular waves, with orthogonal incidence to the structure, are presented. The results show that most of longitudinal dynamic response occurs at the wave frequency and most of lateral dynamic response occurs at rigid-body frequencies.

PHYSICAL MODEL TESTS ON SPAR BUOY FOR OFFSHORE FLOATING WIND ENERGY CONVERSION

Belloli M.;Taruffi F.;Leone E.;Fontanella A.;Muggiasca S.;
2020-01-01

Abstract

La domanda globale di energia eolica sta aumentando rapidamente e sta acquisendo sempre più importanza come risorsa energetica, dato l'interesse crescente per le energie rinnovabili. Le risorse eoliche offshore hanno attirato un'attenzione significativa e, rispetto alle risorse eoliche terrestri, sembrano essere più promettenti per lo sviluppo. I venti marini sono generalmente più forti e più affidabili e grazie agli enormi miglioramenti della tecnologia, il mare è diventato un hot spot per nuovi design e metodi di installazione per le turbine eoliche. C'è molto interesse in questo campo, poiché si ritiene che svolga un ruolo importante nel futuro dell'eolico offshore. Vari carichi dinamici vengono trasmessi dalla torre della turbina eolica alla sua piattaforma: carico del vento, carico delle onde del mare, carico dinamico dovuto al rotore, effetti di schermatura del vento della pala sulla torre che crea un carico ciclico. Per una turbina eolica offshore che opera sulla superficie del mare in continua evoluzione, è quindi fondamentale studiare il comportamento dinamico a cui è soggetta la struttura e in che modo la complessa interazione dei carichi delle onde e del vento influisca sul sistema. Un robusto processo di progettazione deve garantire che la frequenza naturale dell'intero sistema non si avvicini alle frequenze dei carichi ambientali imposti. In caso contrario, si potrebbe amplificare la risposta dinamica della struttura, portando a maggiori deflessioni della torre che possono compromettere le prestazioni della turbina eolica. Le turbine eoliche galleggianti sono supportate da strutture galleggianti e, quindi, hanno 6 gradi di libertà, che possono essere eccitate da carichi di onde, vento e correnti oceaniche. L'intero sistema è ormeggiato e stabilizzato mediante un sistema di molle e contrappesi. Sono strutture relativamente grandi che variano tra 5000 e 10.000 tonnellate per un'unità da 2 a 5 MW. Le turbine eoliche galleggianti sono soggette a carichi di vento e anche la struttura di supporto è soggetta a carichi idrodinamici, innescando un comportamento non lineare complesso dovuto alla combinazione di questi carichi. I carichi del vento che agiscono sulle pale della turbina eolica vengono trasmessi alla piattaforma galleggiante attraverso i componenti rotore- navicella e le torri; allo stesso tempo, anche la tensione di ormeggio ricevuta dal sistema di ormeggio viene trasmessa alla piattaforma galleggiante. Questi influenzano la risposta dinamica della piattaforma mobile. D'altra parte, il movimento della piattaforma galleggiante a sua volta provoca un movimento relativo tra la piattaforma e le pale della turbina eolica, influenzando le forze aerodinamiche sulle pale. Le reazioni tra le varie componenti della struttura sono complesse e accoppiate, rendendo la risposta dinamica del sistema FOWT difficile da prevedere e piena di sfide. Il sistema di accoppiamento pale-torre-piattaforma non è lineare, elemento di novità rispetto alle strutture tradizionali. Sono stati condotti esperimenti di alta qualità per esaminare la risposta dinamica della turbina eolica offshore. Sono stati condotti esperimenti utilizzando le strutture del DHI (Danish Hydraulic Institute) nell'ambito dell'iniziativa EU-Hydralab + Integrated Infrastructure Initiative utilizzando una turbina eolica di riferimento NREL 5MW in scala 1:40 (RWT) posta su piattaforma galleggiante OC3-Hywind, un concetto sviluppato da Statoil della Norvegia costituito da un unico cilindro verticale di grande diametro. Sono stati simulati diversi carichi dinamici che agiscono sulla turbina eolica galleggiante offshore, derivanti da una combinazione di attacchi di onde regolari e irregolari a cresta lunga ortogonali (0°) e obliqui (20°) alla struttura e diversi carichi del vento. Gli effetti delle alte frequenze non sono stati considerati in questo documento e la ricerca considera la torre della turbina eolica come un corpo rigido, quindi solo i sei gradi di libertà della piattaforma sono considerati per calcolare la risposta a bassa frequenza della piattaforma. Sono state implementate tecniche di elaborazione del segnale sui dati acquisiti al fine di valutare le principali proprietà dinamiche della struttura offshore. In primo luogo, è stata studiata la risposta strutturale dopo l'applicazione di un impulso, consentendo di ottenere la frequenza naturale di ciascun grado di libertà a cui è soggetta la struttura offshore e di identificare i rapporti di smorzamento modale. Successivamente, sono stati presentati i risultati relativi alle onde regolari, con incidenza ortogonale alla struttura; i test selezionati hanno considerato un'onda regolare con lo stesso periodo al fine di analizzare l'influenza dell'altezza dell'onda senza carico del vento e con un carico del vento che consente al rotore della turbina eolica di raggiungere la condizione nominale. Sono state effettuate analisi di spostamenti, rotazioni, accelerazioni, risposta delle forze della struttura galleggiante e delle linee di ormeggio. I risultati mostrano che la maggior parte della risposta dinamica longitudinale si verifica alla frequenza dell'onda con un contributo minore, ma non trascurabile, alle frequenze del corpo rigido, in contrasto con la risposta dinamica laterale in cui le frequenze del corpo rigido sono predominanti. The present paper describes the experiences gained from the design methodology and operation of a 3D physical model experiment aimed to investigate the dynamic behaviour of a spar buoy floating offshore wind turbine. The physical model consists in a Froude-scaled NREL 5MW reference wind turbine (RWT) supported on the OC3-Hywind floating platform. Experimental tests have been performed at Danish Hydraulic Institute (DHI) offshore wave basin within the European Union-Hydralab+ Initiative, in April 2019. The floating wind turbine model has been subjected to a combination of regular and irregular wave attacks and different wind loads. Measurements of displacements, rotations, accelerations, forces response of the floating model and at the mooring lines have been carried out. First, free decay tests have been analysed to obtain the natural frequency and the modal damping ratios of each degree of freedom governing the offshore. Then, the results concerning regular waves, with orthogonal incidence to the structure, are presented. The results show that most of longitudinal dynamic response occurs at the wave frequency and most of lateral dynamic response occurs at rigid-body frequencies.
2020
floating wind turbine
hydrodynamic behavior
offshore structures
spar buoy
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11311/1203891
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