Dynamics of arrays of floating structures with shared mooring

Abstract

Flytende vindturbiner til havs kan være en nødvendighet for ˚a redusere utslippene ettersom mer av den produserte energien m˚a komme fra fornybare ressurser. Ogs˚a med høyere levestandard og industrialisering av samfunnet er det nødvendig med økt energiproduksjon. Vindturbiner sin størrelse har økt de siste ˚arene, da det fortsatt er økonomisk ˚a øke størrelsen. De siste ˚arene har konfliktniv˚aet mellom lokalsamfunnet og vindturbiner økt ettersom vindturbinene har blitt større og mer utbredt. Med ˚a flytte vindturbinene p˚a havet kan konflikt med lokal samfunnet unng˚as.

Havvind kan ogs˚a bli en nødvendighet ettersom grunne havomr˚ader med høykvalitets vind er allerede utbygd. Derfor kan det bli en nødvendighet for bransjen ˚a bygge flytende havvind ettersom hav dybden blir større, konkurransen minker ettersom det er flere felt ˚a velge mellom og større fleksibilitet til ˚a velge omr˚ader med høykvalitets vind. Et problem med ˚a bygge flytende vindturbiner p˚a dypt vann er at kostnaden til fortøyning systemet er betydelig. Derfor har mange forskere foresl˚att delt forankring, for ˚a senke investeringskostnaden til forankrings systemet ettersom mindre kjetting og færre ankere er nødvendig. Felles forankring kan være av spesiell 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 analysere delt fortøyningssystem til flytende havvind. Det største problemet er at program varer er inkompatibel med flere kontrollsystem i samme modell. Dette er et stort problem ettersom kontroll systemet regulerer vindlastene og derav dynamikken til vindturbinen. Et annet problem er at kjøre tiden øker betraktelig med flere forankringssystemer og vindturbiner i samme modell. Vindlastene er av spesiell interesse ettersom de øker simulering tiden betraktelig. Lengre simulering tid for delt fortøyning enn flytende havvind er et problem ettersom design iterasjon tar lengre tid. Dette øker kostnadene for prosjektering av systemer med delt fortøyning. Det er derfor viktig ˚a sammenligne ulike numeriske modeller med ulik nøyaktighet for ˚a undersøke om analysetiden kan reduseres, uten stor tap av nøyaktighet. Fire forankrings modeller ble valgt fra Hall og Wilson for ˚a undersøke hvordan delt fortøyning p˚avirker dynamikken til systemene og om modeller med lavere nøyaktighet gir ett godt svar uavhengig av fortøyningsgeometri.De delte fortøyningstopologiene ble tilpasset VolturnUS-s, en 15 MW halvt nedsenkbar flytende havvindturbin som er utviklet av NREL.

Resultatene viste at ˚a forenkle vinden som en kraft gir tilstrekkelige resultater, og det er muligheter til ˚a forbedre metodikken til ˚a gi enda bedre overensstemmelse. Siden kraften ble modellert i et globalt referansesystem, har den noen problemer med store gir bevegelser. Dette kan korrigeres i en forbedret modell hvor kraften er i et lokalt referansesystem. Det kan være at dette problemet er mindre for komplisert delt fordøyingssystem ettersom gir bevegelser er mer stabile. Resultatene er ogs˚a veldig p˚avirket av resonans ettersom analysene er bare en time, og den 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 SIMA blir minimumspenning valgt for systemet, men den er ofte ikke tilstrekkelig. Det er derfor viktig ˚a sette et fornuftig maksimum og minimum spenning i hver av linene. Spenningen i motvinds fortøyningsliner kunne vært bedre for noen analyser, ettersom de er mest sensitive p˚a modellerings valg.

I dag brukes ingeniørverktøy som Turbsim og Mannsim til ˚a generere syntetiske vindfelt for ˚a evaluere dynamikken og ytelsen til vindturbiner. De syntetiske vindfeltene er validert med eksperimenter, men i begrensende skala. Det er derfor viktig ˚a sammenligne de syntetiske vindfeltene med eksperimentelle data for ˚a vurdere om forskjellen er viktig for flytende vindturbiner til havs. De syntetiske vind filene var sammenlignet med ≪Large eddy simulation≫ som er et høy ordens analyse verktøy. Resultatene viste at standardavviket i svai og trim var større for LES enn de syntetiske vind feltene. Den syntetiske vindfelts modellen Turbsim, underestimerte alle bevegelsene siden standardavviket i u-komponenten til vinden var mindre enn det som var bestilt. Derfor er det vanskelig ˚a sammenligne Turbsim med LES ettersom 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 felt og delte fortøyningssystemer, da simuleringer bruker denne hypotesen. Hypotesen antar at turbulensen forandrer seg ikke, for sm˚a avstander n˚ar vinden propagerer i rommet. Den frosne turbulensen samsvarte godt med ekte turbulens og var konservativ i giring, med liten forskjell i trim. Dessuten var det lite forskjell i fortøyningsspenningen, men frosne turbulensen var ikke konservativt nær den nominelle vindhastigheten. Det forventes at forskjellen mellom frossen og ekte turbulens kan være betydelig for lave vindhastigheter med høy turbulensintensitet og større vindturbiner ettersom nødvendig avstand mellom flyterne m˚a øke. Ettersom vindfeltene som ble 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 kan p˚avirke dynamikken til flytende vind med delt fortøyning

Floating offshore wind turbines could be a necessity to reduce emissions as more of the produced energy has to come from renewable resources. Increased energy production is necessary to meet the requirements of increased living standards and further industrialization. Floating wind turbines are considered a solution to increase energy production. Wind turbines have increased enormously 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 conflict level between local society and wind turbines has increased. Therefore offshore wind turbines de-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 significantly impact the total investment cost. In many articles, shared mooring has been proposed to lower the investment cost, and a few studies have been carried out to look deeper into the consequences of shared mooring.

Shared mooring could be of special interest for many nations as the water depth is deep for many coastlines. Shared mooring is a concept in which floating offshore wind turbines are connected by mooring lines. The shared mooring line reduces the length and the number of anchors per floating offshore wind turbine.

Today few analysis tools can analyze shared mooring systems for floating offshore wind, as the programs are incompatible with several control systems. Another issue is that several wind turbines must be analyzed in the same system, increasing analysis time. With long simulation time, few shared mooring designs could be considered. It is, therefore, essential to compare different 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 the degrees of fidelity affect different shared mooring topologies. The shared mooring topologies were 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 is possible to further extend the model for a better fit. Since the thrust force where modeled in a global reference frame, it has some problems with large yaw motions, but this could be corrected in an improved model. Nevertheless, a complex shared mooring system is very stable for yaw motions. Also, a one-hour simulation was too short, as the natural periods in the surge motion are 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 mooring line since SIMA minimum tension is not designed for shared mooring systems. The tension in upwind mooring lines could have been better for some analysis. Today engineering tools such as Turbsim and Mannsim are used to generate synthetic wind fields to evaluate the dynamics and performance of wind turbines. The synthetic wind fields are validated with experiments but on a limiting scale. It is, therefore, important to compare the synthetic wind fields with experimental data to evaluate if the difference is important for floating offshore wind turbines. The LES standard deviation in sway and pitch was larger than the Mann turbulence generator. The motions were underestimated in Turbsim since the standard deviation in the u-component of wind was calculated to low.

Taylor’s frozen turbulence hypothesis is important in aerodynamics, especially for shared mooring systems, as simulations use this hypothesis. The frozen turbulence did correspond well with real turbulence and was conservative in yaw, with little difference in pitch. Also, there was little difference in the mooring tension, but frozen turbulence was not conservatively close to the rated wind speed. It is expected that the difference between frozen and real turbulence could be significant for low wind speeds with high turbulence intensity and larger wind turbines as the necessary distance between the floaters has to increas