| dc.description.abstract | Denne masteroppgaven undersøker hvordan endringer av ulike design parametere påvirker bevegelsene og de interne lastene fra bølger til en halvt nedsenkbar flytende 10 MW vindturbin. Hensikten med undersøkelsen er å optimere skroget med tanke på kostnad, mens krav til styrke og sikkerhet er overholdt. Det er et økende behov for fornybar energi. Havvind har flere fordeler i forhold til landbasert, og nyere studier viser at potensialet er enormt. Mesteparten av dette potensialet er fra områder med dypt vann, hvor flytende strukturer er fordelaktig. For at flytende havvind skal kunne konkurrere med andre energikilder må det være konkurransedyktig på pris. En parameterstudie er derfor gjennomført for å bedre forstå hvordan design parameterne påvirker oppførselen til strukturen og hvordan designet kan forbedres.
Den halvt nedsenkbare WindFloat plattformen ble valgt som grunndesign og ble oppskalert for å bære en 10 MW referanse vindturbin. I studien har skroget blitt gjort parametrisk ved å definere fire hoveddimensjoner: 1) søylediameteren, 2) dypgangen, 3) avstanden mellom søylene og 4) størrelsen på hivplatene. I tillegg har effekten av en vindindusert krengevinkel på oppførselen til plattformen blitt undersøkt.
Førsteordens, potensialteori programmet Wadam ble brukt for å beregne hydrodynamisk tilleggsmasse, demping og eksitasjons laster på søylene og hivplatene. Masse- og stivhetsegenskapene ble beregnet i MATLAB. For å forenkle beregningene ble bevegelsene og de interne lastene beregnet i frekvensdomenet. De hydrodynamiske lastene på bjelkene mellom søylene og de viskøse kreftene på hivplatene ble inkludert ved linearisering av Morisons likning. Ved å evaluere en parameter av gangen, ble påvirkningen på de hydrostatiske og bølgeinduserte responsene til strukturen studert. Standardavviket til bevegelsene, nacelle akselerasjonene og de interne lastene for hvert design og tre ulike sjøtilstander ble brukt for å sammenligne plattformene.
Den viktigste funnet fra parameterstudien er at stålmassen kan reduseres med 28 % ved å: 1) redusere søylediameteren og hivplate størrelsen, 2) øke avstanden mellom søylene, og 3) redusere dypgangen. Det forbedrede designet har lavere interne laster, like bevegelser og litt høyere akselerasjoner i nacellen i forhold til det første, oppskalerte designet. En lavere søylediameter og større avstand mellom søylene reduserer stålvekten, mens plattformen opprettholder nok stivhet til å motvirke momentet fra vindturbinen. Å øke avstanden mellom søylene ga ikke større bøyemoment i tverrsnittet. Det skal nevnes at stivt legeme er antatt og bjelkene mellom søylene var ikke med i beregningene av interne laster. En mindre søylediameter øker hiv og stamp bevegelsene og nacelle akselerasjonene. Imidlertid, kan da også hivplatene reduseres i størrelse mens hiv egenperioden holdes utenfor bølgeenergi området. Mindre hivplater minker bevegelsene og nacelle akselerasjonene mer enn ved å øke søylediameteren. Både mindre søylediameter og hivplater reduserer bøyemomentet i tverrsnittet. Å øke dypgangen er det mest effektive for å redusere bevegelsene og nacelle akselerasjonene, på bekostning av mer stål og høyere splittkrefter mellom søylene.
Det viktigste funnet fra analysene med krengevinkel ga 31 % økning i standardavviket til nacelle akselerasjonene når en krengevinkel på -10 grader ble brukt. Potensial bølgekreftene er følsomme for endringer i dypgangen til hivplatene når plattformen krenger, spesielt ved høyere frekvenser i bølgeenergi området. Kraften i hiv-retning ble doblet ved en bølgefrekvens på en rad/s når plattformen ble krenget 10 grader. | |
| dc.description.abstract | This thesis explores how the change of specific design parameters impact the wave-induced motions and internal hull loads of a semi-submersible floating 10 MW wind turbine platform. The purpose of the investigation is to optimize the hull form to minimize cost, while complying with strength and safety requirements. The need for more sustainable energy sources is increasing. Offshore wind brings several advantages over onshore, and recent studies show that the potential for harvesting offshore wind energy is huge. Most of this potential comes from deep water sites, where floating structures are advantageous. However, for floating wind to compete with other energy sources it needs to be cost-competitive. Therefore, a parametric study is carried out to better understand how the design parameters influence the responses of the structure and how the design could be improved.
The WindFloat semi-submersible platform was chosen as the baseline design for the study and upscaled to support a 10 MW reference wind turbine. In this study, the hull was parameterized by defining four main dimensions: 1) the column diameter, 2) the draft, 3) the distance between the columns, and 4) the heave plate size. Also, the effect of a wind-induced mean tilt angle on the responses was investigated.
The first-order potential theory program Wadam was used to calculate the hydrodynamic added mass, damping, and excitation loads on the columns and heave plates. The mass and restoring properties were calculated in MATLAB. To simplify calculations, the motions and internal hull loads were calculated in the frequency domain. The hydrodynamic loads on the truss members connecting the columns and viscous loads on the heave plates were included by linearizing Morison’s equation. Evaluating one parameter at the time, the influence on the hydrostatic properties and wave-induced responses was studied. The standard deviations of the motions, nacelle accelerations, and internal hull loads for each design and three environmental conditions were used to compare the designs.
The most significant finding from the parametric study shows that a 28 % reduction in steel mass can be achieved by: 1) reduce the column diameter and heave plate size, 2) increase the distance between the columns, and 3) reduce the draft. Further, the improved design has lower internal loads, similar motions, and slightly higher nacelle accelerations compared to the initial upscaled design. A smaller column diameter and a larger distance between the columns reduces the steel mass while still counteracting the overturning moment from the wind turbine thrust. Increasing the distance between the columns did not result in a higher bending moment in the cross-section. It should be noted that a rigid body is assumed, and the truss members were not included in the sectional load analysis. A smaller column diameter increases the heave and pitch motions and nacelle accelerations. However, the heave plates could then also be reduced in size while keeping the heave natural period outside the wave energy range. Smaller heave plates decrease motions and nacelle accelerations more than by increasing the column diameter. Both reducing the column diameter and heave plate size decrease the cross-sectional bending moment. Increasing the draft is the most efficient parameter for reducing the motions and nacelle acceleration, at the cost of increased steel mass and higher split forces between the columns.
The most important finding from the mean tilt analysis shows a 31 % increase in the nacelle acceleration standard deviation when analyzing the structure with a -10 degrees tilt angle. The potential wave loads are sensitive to the vertical displacement of the heave plates when the platform is tilted, especially at higher frequencies in the wave energy range. The heave force was doubled for a wave frequency of one rad/s when the platform was tilted 10 degrees. | |
