Dynamics of arrays of floating structures with shared mooring
Master thesis
Date
2023Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for marin teknikk [3472]
Abstract
Flytende vindturbiner til havs kan være en nødvendighet for ˚a redusere utslippene ettersom merav den produserte energien m˚a komme fra fornybare ressurser. Ogs˚a med høyere levestandardog industrialisering av samfunnet er det nødvendig med økt energiproduksjon. Vindturbiner sinstørrelse har økt de siste ˚arene, da det fortsatt er økonomisk ˚a øke størrelsen. De siste ˚arenehar konfliktniv˚aet mellom lokalsamfunnet og vindturbiner økt ettersom vindturbinene har blittstørre og mer utbredt. Med ˚a flytte vindturbinene p˚a havet kan konflikt med lokal samfunnetunng˚as.
Havvind kan ogs˚a bli en nødvendighet ettersom grunne havomr˚ader med høykvalitets vind erallerede utbygd. Derfor kan det bli en nødvendighet for bransjen ˚a bygge flytende havvindettersom hav dybden blir større, konkurransen minker ettersom det er flere felt ˚a velge mellomog større fleksibilitet til ˚a velge omr˚ader med høykvalitets vind. Et problem med ˚a byggeflytende vindturbiner p˚a dypt vann er at kostnaden til fortøyning systemet er betydelig. Derforhar mange forskere foresl˚att delt forankring, for ˚a senke investeringskostnaden til forankringssystemet ettersom mindre kjetting og færre ankere er nødvendig. Felles forankring kan være avspesiell interesse for mange nasjoner siden vanndybden er dyp for mange kystlinjer.Delt fortøyning er et konsept der flytende havvindturbiner kobles sammen med fortøyningsliner.Den delte fortøyningslinen reduserer lengden og antall ankere per vindturbin.Det er gjort f˚a studier p˚a delt fortøyning, ettersom det er f˚a analyseverktøy som kan analyseredelt fortøyningssystem til flytende havvind. Det største problemet er at program varer erinkompatibel med flere kontrollsystem i samme modell. Dette er et stort problem ettersomkontroll systemet regulerer vindlastene og derav dynamikken til vindturbinen. Et annet problemer at kjøre tiden øker betraktelig med flere forankringssystemer og vindturbiner i samme modell.Vindlastene er av spesiell interesse ettersom de øker simulering tiden betraktelig. Lengresimulering tid for delt fortøyning enn flytende havvind er et problem ettersom design iterasjontar lengre tid. Dette øker kostnadene for prosjektering av systemer med delt fortøyning. Det erderfor viktig ˚a sammenligne ulike numeriske modeller med ulik nøyaktighet for ˚a undersøke omanalysetiden kan reduseres, uten stor tap av nøyaktighet. Fire forankrings modeller ble valgtfra Hall og Wilson for ˚a undersøke hvordan delt fortøyning p˚avirker dynamikken til systemeneog om modeller med lavere nøyaktighet gir ett godt svar uavhengig av fortøyningsgeometri.Dedelte fortøyningstopologiene ble tilpasset VolturnUS-s, en 15 MW halvt nedsenkbar flytendehavvindturbin som er utviklet av NREL.
Resultatene viste at ˚a forenkle vinden som en kraft gir tilstrekkelige resultater, og det ermuligheter til ˚a forbedre metodikken til ˚a gi enda bedre overensstemmelse. Siden kraften blemodellert i et globalt referansesystem, har den noen problemer med store gir bevegelser. Dettekan korrigeres i en forbedret modell hvor kraften er i et lokalt referansesystem. Det kan være atdette problemet er mindre for komplisert delt fordøyingssystem ettersom gir bevegelser er merstabile. Resultatene er ogs˚a veldig p˚avirket av resonans ettersom analysene er bare en time, ogden naturlige perioden er lang. Derfor burde det blitt kjørt tre timers simulering istedenfor.Kvasi-statisk fortøyning gir tilstrekkelige resultater for delt forankringsliner og flytebevegelser,men det er viktig med gode spenningsestimater ettersom modellen er sensitiv p˚a dette. I SIMAblir minimumspenning valgt for systemet, men den er ofte ikke tilstrekkelig. Det er derforviktig ˚a sette et fornuftig maksimum og minimum spenning i hver av linene. Spenningen imotvinds fortøyningsliner kunne vært bedre for noen analyser, ettersom de er mest sensitive p˚amodellerings valg.
I dag brukes ingeniørverktøy som Turbsim og Mannsim til ˚a generere syntetiske vindfeltfor ˚a evaluere dynamikken og ytelsen til vindturbiner. De syntetiske vindfeltene er validertmed eksperimenter, men i begrensende skala. Det er derfor viktig ˚a sammenligne desyntetiske vindfeltene med eksperimentelle data for ˚a vurdere om forskjellen er viktig forflytende vindturbiner til havs. De syntetiske vind filene var sammenlignet med ≪Large eddysimulation≫ som er et høy ordens analyse verktøy. Resultatene viste at standardavviket i svaiog trim var større for LES enn de syntetiske vind feltene. Den syntetiske vindfelts modellenTurbsim, underestimerte alle bevegelsene siden standardavviket i u-komponenten til vinden varmindre enn det som var bestilt. Derfor er det vanskelig ˚a sammenligne Turbsim med LESettersom premissene er galt. I tidligere forskning hadde Turbsim større bevegelser i jag og trim,og mindre gir og svai enn Mannsim.
Taylors frosne turbulenshypotese er viktig innen aerodynamikk, spesielt for vindturbin feltog delte fortøyningssystemer, da simuleringer bruker denne hypotesen. Hypotesen antar atturbulensen forandrer seg ikke, for sm˚a avstander n˚ar vinden propagerer i rommet. Den frosneturbulensen samsvarte godt med ekte turbulens og var konservativ i giring, med liten forskjelli trim. Dessuten var det lite forskjell i fortøyningsspenningen, men frosne turbulensen var ikkekonservativt nær den nominelle vindhastigheten. Det forventes at forskjellen mellom frossen ogekte turbulens kan være betydelig for lave vindhastigheter med høy turbulensintensitet og størrevindturbiner ettersom nødvendig avstand mellom flyterne m˚a øke. Ettersom vindfeltene somble simulert hadde høy hastighet og lav turbulens intensitet, ble forskjellen liten i bevegelse,men observerbar. Det er derfor viktig med flere studier p˚a frossen turbulens, ettersom det kanp˚avirke dynamikken til flytende vind med delt fortøyning Floating offshore wind turbines could be a necessity to reduce emissions as more of the producedenergy has to come from renewable resources. Increased energy production is necessary to meetthe requirements of increased living standards and further industrialization. Floating windturbines are considered a solution to increase energy production. Wind turbines have increasedenormously in size in recent years, as increasing the hub height is still economical.As wind turbines are getting larger and wind turbine parks are getting larger, the conflictlevel between local society and wind turbines has increased. Therefore offshore wind turbinesde-escalate conflicts.
As offshore wind moves further into deeper water for licenses, less competition, and ideal wind,the relative cost of mooring systems gets higher. Lowering the mooring cost will significantlyimpact the total investment cost. In many articles, shared mooring has been proposed to lowerthe investment cost, and a few studies have been carried out to look deeper into the consequencesof shared mooring.
Shared mooring could be of special interest for many nations as the water depth is deep for manycoastlines. Shared mooring is a concept in which floating offshore wind turbines are connectedby mooring lines. The shared mooring line reduces the length and the number of anchors perfloating offshore wind turbine.
Today few analysis tools can analyze shared mooring systems for floating offshore wind, as theprograms are incompatible with several control systems. Another issue is that several windturbines must be analyzed in the same system, increasing analysis time. With long simulationtime, few shared mooring designs could be considered. It is, therefore, essential to comparedifferent numerical models of different fidelity to investigate if the analysis time could be reduced.Four topologies were chosen from Hall and Wilson linearized models to investigate how thedegrees of fidelity affect different shared mooring topologies. The shared mooring topologieswere adapted to VolturnUS-s, a 15 MW semi-submersible floating offshore wind turbine.These results show that simplifying the wind as a thrust force gives adequate results, and it ispossible to further extend the model for a better fit. Since the thrust force where modeled in aglobal reference frame, it has some problems with large yaw motions, but this could be correctedin an improved model. Nevertheless, a complex shared mooring system is very stable for yawmotions. Also, a one-hour simulation was too short, as the natural periods in the surge motionare long. It is therefore proposed to run three-hour simulations.Quasi-static mooring gives adequate results for shared mooring line tension and floater motions,but it is important with a good estimation of minimum and maximum tension for each mooringline since SIMA minimum tension is not designed for shared mooring systems. The tension inupwind mooring lines could have been better for some analysis.Today engineering tools such as Turbsim and Mannsim are used to generate synthetic windfields to evaluate the dynamics and performance of wind turbines. The synthetic wind fields arevalidated with experiments but on a limiting scale. It is, therefore, important to compare thesynthetic wind fields with experimental data to evaluate if the difference is important for floatingoffshore wind turbines. The LES standard deviation in sway and pitch was larger than the Mannturbulence generator. The motions were underestimated in Turbsim since the standard deviationin the u-component of wind was calculated to low.
Taylor’s frozen turbulence hypothesis is important in aerodynamics, especially for sharedmooring systems, as simulations use this hypothesis. The frozen turbulence did correspondwell with real turbulence and was conservative in yaw, with little difference in pitch. Also, therewas little difference in the mooring tension, but frozen turbulence was not conservatively closeto the rated wind speed. It is expected that the difference between frozen and real turbulencecould be significant for low wind speeds with high turbulence intensity and larger wind turbinesas the necessary distance between the floaters has to increas