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Tesis:

Coupled dynamics of multi wind turbine floating platforms

  • Autor: MARTÍN SAN ROMÁN, Raquel

  • Título: Coupled dynamics of multi wind turbine floating platforms

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72234/

  • Director/a 1º: CUERVA TEJERO, Álvaro
  • Director/a 2º: AZCONA ARMENDÁRIZ, José

  • Resumen: El desarrollo de la eólica marina flotante es de vital importancia para el aprovechamiento del gran recurso eólico disponible en zonas de aguas profundas. En cuanto al diseño del aerogenerador para emplazamientos flotantes, cada vez se están diseñando rotores de mayor potencia, con el objetivo de reducir los costes de instalación y mantenimiento, así como los de conexión a red, entre otros. La mayor parte de los diseños existentes buscan el aumento de la potencia instalada mediante el diseño de aerogeneradores de mayor tamaño. Además, existen otros prototipos de plataformas flotantes que buscan el aumento de potencia mediante soluciones con más de un aerogenerador sobre la misma plataforma flotante. Sin embargo, las herramientas estándares del estado del arte están principalmente diseñadas para evaluar aerogeneradores de un único rotor, y no permiten la simulación acoplada incluyendo fenómenos como la interacción aerodinámica entre aerogeneradores cercanos. En esta disertación se ha desarrollado un modelo integrado de cálculo aero-servohidro-elástico que permite la simulación, evaluación y diseño de conceptos de plataformas flotantes multi-aerogenerador. Este nuevo modelo, que se ha llamado MUST, se ha desarrollado partiendo del software OpenFAST y ha permitido analizar la influencia de la interacción aerodinámica entre los aerogeneradores sobre la dinámica del conjunto de plataforma flotante multi aerogenerador. En concreto, se han añadido a MUST nuevos sistemas de referencia y editando las ecuaciones de la dinámica multi cuerpo para que representen un conjunto de plataforma flotante multi-aerogenerador. Además, se ha añadido versatilidad al modelo dinámico desarrollando la posibilidad de simular aerogeneradores con rotación anti-horaria, o sistemas con torres inclinadas. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo módulo aerodinámico basado en filamentos de vorticidad denominado AeroVIEW. Este nuevo módulo se ha verificado en diferentes etapas para comprobar su capacidad de representar los diferentes fenómenos aerodinámicos que afectan a sistemas de multi-aerogeneradores flotantes. Estas etapas de verificación y validación han comenzado con la validación en un caso de aerogenerador aislado terrestre, para el cual se han usado datos del proyecto Mexnext-III y resultados experimentales de New MEXICO. A continuación, se ha validado la respuesta de un aerogenerador aislado bajo movimientos armónicos de avance (surge) y balanceo (pitch) de la plataforma flotante en los que se han usado datos del experimento UNAFLOW y resultados del proyecto OC6-Phase III. Finalmente, se han verificado los resultados para casos de configuraciones multi-aerogenerador terrestre, comparando los resultados con datos encontrados en la bibliografía. A partir de los casos de esta última verificación se han realizado además estudios paramétricos. En primer lugar, se ha analizado cómo afecta la separación entre turbinas a la potencia obtenida por cada aerogenerador. En segundo lugar, se ha analizado cómo cambian los ciclos de cargas sobre las palas por la presencia de otro aerogenerador colindante para diferentes desfases azimutales entre ellos. Finalmente, se ha analizado el efecto de la interacción aerodinámica en diferentes configuraciones bi-rotor flotante sobre la dinámica de la plataforma, y la respuesta aerodinámica del conjunto. Se ha observado, por ejemplo, un mayor acoplamiento dinámico entre el balanceo de la plataforma y el ángulo de paso comandado por el controlador en los casos bi-rotor que en el mono-rotor flotante de referencia. En cuanto al resultado aerodinámico, se ha demostrado que en configuración flotante también se produce un incremento de la potencia aerodinámica debida a la interacción entre aerogeneradores próximos. ABSTRACT The development of floating offshore wind energy is of vital importance for taking advantage of the large wind resource available in deep water areas. Regarding the design of wind turbines for floating applications, there is a tendency towards solutions with greater power per platform. This way the installation and grid connection costs, among others, can be reduced. Most of the existing designs seek to increase installed power by designing larger wind turbines. Besides, there are other prototypes of floating platforms that seek to increase power through solutions with more than one wind turbine on the same floating platform. However, standard state-of-the-art design tools are mostly designed to evaluate single-rotor wind turbines, and do not allow coupled simulation including phenomena such as the aerodynamic interaction between nearby wind turbines. In this dissertation, an integrated aero-servo-hydro-elastic model has been developed that allows the simulation, evaluation and design of multi-wind turbine floating platform concepts. The development of this model has made it possible to analyze the influence of the aerodynamic interaction between the wind turbines on the dynamics of a multi-wind turbine floating platform assembly. This new tool has been called MUST and has been developed starting from the OpenFAST software. Specifically, new reference systems have been added and the multi-body dynamic equations have been edited, in order to represent the response of a multi-wind turbine floating platform assembly. Moreover, versatility has been added to the dynamic model by developing the possibility of simulating wind turbines with counterclockwise rotation, or systems with tilted towers. Finally, a new aerodynamic module based on vortex filaments, called AeroVIEW, has been developed. This new module has been verified in different stages to verify its ability to represent the different aerodynamic phenomena that affect floating multi-wind turbine systems. These verification and validation stages have started with the validation in a case of isolated onshore wind turbine, for which data from the Mexnext-III project and experimental results from New MEXICO experiment have been used. Then, the response of an isolated wind turbine under harmonic surge and pitch movements of the floating platform has been validated using data from the UNAFLOW experiment and results from the OC6-Phase III project. Finally, the results for cases of onshore multi-wind turbine configurations have been verified, comparing the results with data found in the literature. From the cases of this last verification, parametric studies have also been carried out. First, to analyze how the separation between turbines affects the power obtained by each wind turbine. And secondly, to analyze how the load cycles on the blades change due to the effect of another co-planar wind turbine, for different azimuthal offsets between them. Finally, the effect of the aerodynamic interaction, in different floating bi-rotor configurations, on the platform dynamics and the aerodynamic response of the assembly have been analyzed. For example, a greater dynamic coupling between the platform pitch and the blade pitch angle commanded by the controller has been observed in the bi-rotor cases than in the reference floating single-rotor. Regarding the aerodynamic results, it has been shown that in a floating configuration there is also an increase in aerodynamic power due to the interaction between nearby wind turbines.