| dc.description.abstract | Energibehovet forventes å øke vesentlig i fremtiden, og på grunn av påvirkningen på jorda må nye muligheter vurderes for å levere kostnadseffektiv, bærekraftig og grønn energi. Flytende solkraft viser mye potensial; en løsning som ikke kompromitterer romlig tilgjengelighet på jorda ved å utnytte havet som er utsatt for sollys, og med evne til å bære fotovoltaiske paneler under disse sjøforholdene.
I dag ligger nesten alle flytende soløyer i innsjøer og dammer, ueksponert for store belastninger fra omgivelsene. Målet ved å flytte dette konseptet offshore følges av betydelige tekniske utfordringer. Denne oppgaven undersøker den vertikale hydrodynamiske responsen til et nytt konsept for en flytende soløy ved hjelp av eksperimentelle metoder. Konseptet eies av Moss Maritime, bestående av en rekke hengslede, identiske, stive flytende moduler. Hengslene tillater kun relative rotasjoner, og den globale strukturen er jevnt forankret i kantene. Ideen er hentet fra et ønske om global hydrodynamisk fleksibilitet hvor konstruksjonen følger de inkommende bølgene. Et enkelt oppsett av standardmodulene, som er basert på industri-standardiserte komponenter, oppnår kostnadseffektiv, områdeutnyttelse, robusthet og lang levetid, med enkel montering av underelementer og installasjon på stedet hvor øya skal operere. Denne fasen i prosjektsyklusen inneholder mange usikkerhetsnivåer. En foreløpig konseptstudie ved eksperimentelle metoder er en passende evaluering.
Den forenklede modellen, bygget i skala 1:20, ble testet med ni hengslede identiske moduler i en enkelt rad, eksponert for enrettet bølgetog. Modellen oppnår strukturell stivhet, relativ vertikal bevegelsesfrihet og ubetydelige fortøyningseffekter. Hensikten med studiet er å avdekke mistenkte styrende og kritiske vertikale bevegelser. Kvantifisere hydrodynamiske responsamplituder i hiv og stamp, identifisere operasjonsgrensen under uregelmessige sjøtilstander, og avdekke maksimalverdier for helninger og forekomster av sjøslag. Måleinstrumentene var begrenset til tre enheter, og dermed ble den første, midtre og siste modulen målt ved hjelp av bølge-prober, akselerometre og Oqus refleksive bevegelsesfangst markører. Hovedresultatene består av bevegelsesamplitude operatorer, og 1., 2. og 3. harmoniske akselerasjoner. Modellen ble testet i regulære bølger med full-skala periode varierende fra 2 til 13 sekunder for bølge-steilheter som tilsvarer bølgehøyder fra 0.1 til 13 meter. Diss testene ble etterfulgt av flere irregulære bølgetester, bestående av topp-perioder mellom 4 og 12 sekunder med signifikante bølgehøyder fra 1 til 4.5 meter. Ytterligere regulære bølgeforsøk ble utført for en enkelt og to hengslede moduler for å undersøke koblingseffekter, og for sammenligning med en utledet teoretisk modell for en multi-kropp hydrodynamisk respons.
De eksperimentelle resultatene for regulære bølger bølgene viste god håndtering og evne til å følge de innkommende bølgene. Imidlertid ble modellen utsatt for over-topping for 13 sekunder bølgeperiode og 1/20 steilhet. Gjennom forsøkene var det små endringer i luftgapet mellom vannoverflaten og dekket, men denne egenskapen var ganske følsom for de brattere bølgene. Høyfrekvente bølger gav raske og mekaniske harmoniske rotasjoner i stamp, noe som tyder på store belastninger i hengslene og fare for utmattelse. Ingen tilsynelatende resonans ble målt eller observert, og den generelle høyeste responsen og akselerasjonene var ved den første og siste modulen i rekken. Resultatene for hiv indikerte komplett fleksibilitet for bølgeperioder større enn 5 sekunder, og 7 sekunder for stamp, hvor de begge hadde den høyeste målte responsen rundt 2 til 2.5 sekunder. Allikevel oversteg aldri vinkelen i stamp 10 grader. En generell observasjon var responsutbredelse gjennom modellen, noe som konsekvent gav en bevegelsen til en pisk. Dette understreker en forventning om større belastninger på den første og siste modulen.
Den utledede teoretiske modellen er basert på tidligere hydrodynamiske responsmetoder. Resultatene ved eksperimentell sammenligning gav lite trovertige resultater og indikerte en ugunstig praktisk bruk eller implementering på dette stadiet. Imidlertid kan teoretiske resonans- og kanselleringsdomener til en viss grad identifiseres i både de regulære og irregulære bølgetestene, men ikke alltid konsistent. Et uheldig manglende intervall av målte bølgeserier gav ikke mulighet til å fullt verifisere disse domenene.
Testene i irregulære bølger resulterte i et stort antall bølgeslag og over-topping, da to eller flere relativt bratte etterfølgende bølger eksiterte strukturen. Dette førte til høyfrekvent respons i stamp, som strukturen ikke klarte å gjennomprette hvis kommende bølger var tilstrekkelig høye. Strukturen viste seg å være mest følsom for bølge-steilhet og stamp. Bølgeslag hadde en tendens til å forplante seg gjennom hele modellen, men resultatene opprettholdt de største responsene og akselerasjonene ved den første og siste modulen. De nødvendige driftskriteriene krever derfor tilstrekkelig lange perioder med hensyn til signifikant bølgehøyde. Resultatene gav i hovedsak et foreslått trygt og usikkert domene med hensyn til disse operasjonelle havtilstandsparametrene.
Resultatene fra multi-modul soløya viser potensial, men mer arbeid og forskning er nødvendig for videreutvikling. På dette stadiet kan strukturen trygt håndtere tilstrekkelig lavfrekvente sjøstilstander. | |
| dc.description.abstract | Future energy demand is expected to increase substantially, and because of the impacts on our earth, new ways for supplying the market with cost-efficient, sustainable and green energy must be considered. Floating solar shows great promise; not compromising spatial availability by using vast open oceans exposed to sunlight, and with capability of carrying photovoltaic panels in offshore sea-conditions.
Floating solar shows great promise as a future energy supplement that does not compromise the already limited spatial availability on the earth. Vast open oceans that are exposed to sunlight could be beneficiary for floaters capable of carrying photovoltaic panels in offshore sea-conditions.
Today, nearly all floating solar is located within lakes and dams, unexposed to high environmental loads. The aim to move this concept offshore is consequently followed by significant technical challenges. This thesis examines the vertical hydrodynamic response of a new concept for a floating solar island by experimental methods. The concept is created by Moss Maritime, consisting of an array of hinged identical rigid floating modules. The hinges are restricted to only allow relative rotations, and the global structure is evenly moored at the edges. The idea is drawn from a desire for global hydrodynamic flexibility, following the incident waves. A simple layout of the standard modules, that are based on standardized components, achieves cost beneficent area effectiveness, robustness and long operational lifetime, with easy on-site fabrication of sub-elements, assembly and installation. This stage in the project cycle contains many levels of uncertainty. A preliminary concept study by experimental methods can therefore be a proper initial evaluation.
The simplified model, built in 1:20 scale, was tested with nine hinged identical modules in a single row in head waves. Achieving structural rigid stiffness, relative vertical motion flexibility and negligible mooring effects. Studying the suspected governing and critical vertical motions. Quantifying the hydrodynamic response amplitudes in heave and pitch, identifying the operational limit in terms of irregular sea-states, and uncovering maximum values of heeling, and occurrence of slamming. Instrumentation was limited to three bodies, hence measuring the first, middle and last module, using wave-probes, accelerometers and Oqus reflexive motion capture markers. Acquiring response amplitude operators, and the 1st, 2nd and 3rd harmonic accelerations. The model was tested in regular waves with full scale period varying from 2 -13s for wave-steepnesses corresponding to wave-heights ranging from 0.1-13m. Several irregular wave tests followed, studying a range of peak periods between 4 -12s with significant wave heights from 1- 4.5m. Additional regular wave tests were done for a single, and two hinged modules to examine articulation effects, and for comparison with a derived multi-body theoretical model.
The experimental results for the regular waves revealed good handling, following the tested incident waves. However, the wave with 13s period and 1/20 steepness experienced over-topping. Throughout, there were small changes in air-gap, but this property was quite sensitive to the steeper waves. High-frequency waves gave rapid and mechanical harmonic pitch rotations, suggesting large hinge loads and danger of fatigue. No apparent resonance were measured or observed, and the general highest response and accelerations were located at the first and last module. The results for heave indicated complete flexibility for wave periods greater than 5s, and 7s for pitch, where they both had the highest measured response around 2 - 2.5s. Although never exceeding 10 degrees in rotational angles. A general observation was response propagation through the model, yielding a whipping motion. Adding to the expectancy of higher loads on the first and last module in the articulated row.
The developed theoretical model is grounded in earlier multi-body hydrodynamic response methods. The results by experimental comparison yielded improper evaluation, not giving the model any sufficient confidence for practical use at this stage. However, theoretical resonance and cancellation domains can to some extent be identified in both the regular and irregular wave-tests, but not completely consistent. An unfortunate missing interval of measured wave-series yielded inability to fully verify these domains.
The irregular wave-tests gave a large number of slamming and over-topping events when two or more quite steep successive waves excited the system. Giving high-frequency excitation in pitch, of which it could not recover in sufficiently high waves. The structure proved to be most sensitive to wave-steepness and pitch. Slamming had a tendency to propagate through the entire model, but the results still maintained largest responses and accelerations at the first and last module. The necessary operational criteria demands sufficiently long periods in terms significant wave height. The results mainly gave a suggested safe and unsafe domain in terms of these operational sea-state parameters.
The results from the multi-module solar island shows potential, but more work and research are needed for further development. At this stage, the structure could confidently handle sufficiently long-period sea-states. | |
