Hydrodynamisk studie av flytende vindturbiner i ekstreme forhold
Master thesis
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for marin teknikk [3563]
Abstract
En økende etterspørsel etter fornybare energiressurser har støttet opp under nye studier og videre utvikling av offshore flytende vindturbiner på dypt vann. Utfordringer knyttet til denne teknologien er sterk vind og høye bølger, og responsen i ekstreme værhold må karakteriserer i kombinasjoner av vind, bølger og strøm. Objektet i denne masteroppgaven var å studere to flytende vindturbiner i ekstreme værforhold, og å sammenligne deres egenskaper og utfordringer i forhold til utvalgt responsvariabler.
Basert på litteraturstudiet, ble det bestemt å fokusere på ulike retninger på vind og bølger, returperiode for værforholdene, strukturelle laster på tårnet, samt spenninger i forankringslinene i ekstreme værforhold. De to flytende vindturbinene, OC3-Hywind og WindFloat, ble modellert i GeniE, hydrodynamisk analysert i HydroD/WADAM, og i SIMA ble det utført integrert dynamisk analyse av modellene. Resultatene fra første- og andre-ordensanalysene i HydroD besto av masse-, added mass-, dempnings- og stivhetsmatriser, eksitasjonskrefter, RAO, "mean drift"-krefter, QTF og "wave drift"-dempning. Disse resulatene ble deretter importert til SIMA for videre koblet dynamisk analyse.
De numeriske modellene ble verifisert ved hjelp av resulatene fra HydroD og fritt-fall-tester i SIMA. "Mean drift"-krefter, RAO, egenperioder og QTF ble brukt for å verifisere, som generelt ga gode resultater.
Utifra resultatene fra simuleringene har OC3-Hywind størst variasjon i bevegelsene, mens WindFloat har størst maksimal bevegelse. Tårnet på OC3-Hywind tåler de ekstreme forholdene best med tanke på aksialkrefter, mens tårnet på WindFloat tåler forholdene best med tanke på bøyemomentet. Forankringslinene på WindFloat er utsatt for mindre krefter enn de på OC3-Hywind. Ulik retning på vind og bølger påvirker de strukturelle lastene i tårnet og spenningene i forankringslinene til en viss grad, mens bevegelsene til strukturene generelt ikke er påvirket. Det er kun de hydrodynamiske kreftene og forankringslinene som blir påvirket av andre-ordens bølgekrefter.
I tillegg til de overnevnte resulatene, ble effekten av "wave drift"-dempning og viskøse krefter på hivplatene til WindFloat undersøkt. Begge aspekter er foreslått for videre arbeid. Andre forslag for videre arbeid er de utvetydige resulatene med tanke på de strukturelle lastene i tårnet, samt spenningen i forankringslinene med ulike retninger på vinden i ekstreme værforhold. The increasing demand of renewable energy sources has supported investigations and developments of offshore floating wind turbines in deep waters. Challenges in deep waters involve stronger wind and waves, and the response in extreme combined wind-wave-current conditions must be characterised. The scope of this project was to investigate two selected floating wind turbine concepts in extreme environmental conditions, and to compare their response features and challenges.
Based on the literature study performed in this thesis, it was decided to focus on wind/wave misalignment, return period of the environmental conditions, structural loads in the tower, mooring line tensions and effects of second-order wave excitation forces during extreme environmental conditions. The two chosen FWTs, OC3-Hywind and WindFloat, were modelled in GeniE, hydrodynamically analysed in HydroD/WADAM, and in SIMA, integrated dynamic analyses were performed. The output from the first- and second-order analyses in HydroD consisted of mass, added mass, damping and hydrostatic stiffness matrices, excitation forces, RAOs, mean drift forces, QTFs and wave drift damping. These results were imported into SIMA for coupled dynamic analyses.
The numerical models were verified through the results from the hydrodynamic analyses in HydroD and by free decay tests in SIMA. The mean drift forces, RAOs, natural periods and QTFs were utilised in the verification which in general were deemed successful.
The OC3-Hywind FWT is subject to the largest motion variation, while WindFloat has the largest maximum offset. The tower of OC3-Hywind withstands the extreme conditions better in terms of axial force, while, in terms of bending moment, WindFloat withstands the extreme conditions better. The mooring lines of WindFloat is subject to lower tensions at the fairlead, than OC3-Hywind. The misalignment of the wind greatly affects the structural loads and the mooring line tensions, while the platform motion responses generally are not influenced. Of the analysed response variables, only the hydrodynamic forces and mooring line tensions are greatly influenced by the second-order wave forces.
In addition to the above results, the effect of wave drift damping and viscous forces on the heave plates of WindFloat were investigated. However, they are both subject to further work as only brief preliminary investigations were performed. Additional suggested further work, are the inconsistent results with regard to the structural loads in the tower and the mooring line tensions during aligned and misaligned extreme conditions.