Enabling intelligent multi-modular concept for solar energy harvest by local control of connectors.

Abstract

Bruken av flytende multi-modulære strukturer har potensial til å bidra betydelig til å oppnå netto nullutslipp. Imidlertid er disse strukturene fortsatt i en tidlig utviklings fase og det kreves ytterligere forskning. Denne avhandlingen utforsker gjennomførbarheten av en adaptiv kontroller som kan redusere kreftene i koblinger mellom modulene, samt forhindre overdreven bevegelse av modulen ved å endre stivheten i koblingen. For å undersøke om dette er gjennomførbart, er numeriske simuleringer og eksperimenter på skalerte strukturer utført. Fire ulike tilfeller er undersøkt for å observere effekten forskjellige stivheter har. Det første tilfellet er med bare én fortøyd modul, det andre med to fortøyde moduler, det tredje med tre moduler, der to er fortøyd, og til slutt fem moduler med to fortøyde moduler. Hvor den første og siste modulen er fortøyd i det tredje og fjerde tilfellet.

Eksperimentet ble utført i Lilletanken, ved NTNU sine fasiliteter på Tyholt. Her ble modulene testet i regulære bølger med tre ulike bølgebrattheter. I lab ble strekkfjærer som koblinger mellom modulene. Ved å utføre eksperimentet kunne man sammenligne modulenes bevegelse for de forskjellige stivhetene. Resultatene skulle også brukes som til å sammenligne med simuleringene av den numeriske modellen.

Den numeriske modellen henter hydrodynamiske koeffisienter fra WADAM, som er baserer seg på potensiell strømningsteori og lineær bølgeteori. Hver modul er definert individuelt, men kreftene i koblingene beregnes basert på bevegelsen til modulene i en simulering it tidsdomenet.

Resultatene presentert i denne avhandlingen inkluderer hvordan ulik stivhet påvirker bevegelsen i jag, hiv og stamp, samt en sammenligning mellom resultatene fra simuleringene og eksperimentet. Resultatene fra simuleringene overestimerte resultatene fra eksperimentet. Men trendene er funnet å være tilstrekkelig gode til at adaptive kontrollere kan implementeres i modellen. Basert på resultatene fra eksperimentet er det foreslått en algoritme. Denne algoritmen vil bruke responsamplituden i frekvensdomenet til å velge den mest passende stivheten for en spesifikk bølgeperiode, for å minimere jag bevegelsen. Videre ble det gjennomført en simulering som visualiserer effekten av algoritmen.

Under den fjerde testen ble det observert at modulene kolliderte, noe som utgjorde et betydelig problem for de to siste modulene når de ble utsatt for høyere bølgeperioder. For å unngå slike kollisjoner, anbefales det å gjennomføre en grundig analyse for å bestemme den nødvendige stivheten for å unngå kollisjoner. Videre anbefales det å inkludere demping i den numeriske modellen. Videre foreslås det å utføre nye eksperimenter med en forbedret kobling.

The use of Floating Multi-Modular structures has the potential to significantly contribute towards achieving net zero emissions. However, these structures are still in their initial stages and require further research. This thesis explores the feasibility of an adaptive controller that can reduce connector loads and prevent excessive module movements by altering the connector stiffness. Numerical simulations and experiments on scaled-down structures with different connector stiffness have been conducted to investigate this. Four different cases have been looked into to observe the stiffness effect. The first case is with only one moored module, the second with two moored modules, the third with three modules where two were moored, and lastly, five modules with two moored modules. The first and last module was moored in the third and fourth cases.

The experiment was performed in Lilletanken, NTNU facilities at Tyholt. Here the modules were tested in regular waves with three different wave steepness. As connectors, extension springs were used. Through conducting the experiment, it is possible to observe the behavior of the module when varying levels of stiffness are applied to the connector. The results would also be compared with the simulations of the numerical model.

The numerical model obtains the hydrodynamic coefficients from WADAM based on potential flow theory and linear wave theory. Each module is defined individually, but the forces in the connectors are calculated based on the motion of the modules in a time domain simulation.

The results presented in this thesis include how the different stiffness affects the motion in surge, heave, and pitch and a comparison between the results of the simulations and the experiment. The results from the simulations overestimated the results from the experiment. But the trends are found to be good enough so adaptive controllers could be implemented in the model. Based on the experiment's results, a switching logic has been suggested. This logic will utilize the response amplitude in the frequency domain to select the most suitable stiffness for a specific wave period to minimize surge motions. A simulation visualizing the effect of the switching logic has been conducted.

During the fourth test, it was observed that the modules collided, which posed a significant issue for the two last modules when facing higher wave periods. To prevent such collisions, it is advised to conduct a thorough analysis to determine the minimum stiffness required to avoid collisions. Furthermore, including extensive damping into the numerical model is recommended. It is also suggested to perform new experiments with new connections, decreasing errors when the springs are changed.