| dc.description.abstract | Vindenergi identifiseres som en del av løsningen for å tilby tilstrekkelig bærekraftig, trygg og sikker fornybar energi. Ettersom det er begrenset med passende områder på land eller nær kysten, er det et behov for flytende vindturbiner. Slike turbiner møter kraftigere værtilstander og er assosiert med større kostander, men drar også nytte av kraftigere og mer stabile vindhastigheter. For å redusere kostnadene til et overkommelig nivå, er skalafordeler og serieproduksjon nødvendig. Når antall turbiner øker, vil også antall ulykker, produksjonsfeil og uforutsette hendelser øke. Det er derfor nødvendig med en tydelig metodikk for å vurdere om og i hvilken grad flytende turbiner bør utformes med redundans.
Hovedformålet med oppgaven er å sammenligne to halvt-nedsenkbare flytere samt å utvikle og bruke metoder for å studere kritiske scenarioer. For å gjøre dette bruker oppgaven moderne numeriske verktøy for å vurdere den globale responsen til to ulike konsepter, med fokus på forskjeller i design og tårnplassering. Førti år med værdata brukes til å lage konturlinjer som beskriver vind og bølger. Simultane sannsynlighetsfordelinger som beskriver gjennomsnittlig vindhastighet, signifikant bølgehøyde og bølgeperiode er generert ved å bruke en 2-parameter Weibullfordeling, en hybrid lognormal-Weibull-fordeling og en lognormalfordeling. Flere optimaliseringsverktøy brukes til å oppskalere et flytende understell og tilpasse et forankringssystem til det valgte operasjonsstedet.
Hydrodynamiske koeffisienter fra potensialteori beregnes i frekvensdomenet ved hjelp av WADAM, inkludert dynamiske effekter av intern væske og andreordens bølgekrefter. En ren potensialteori-tilnærming identifiseres som en begrensning i studien, selv om viskøse krefter er inkludert ved å bruke Morison-dragkrefter. Python-kode brukes til å overføre koeffisienter og krefter til tidsdomenet ved å inkludere sloshing-krefter som en frekvensavhengig fjærkraft. OrcaFlex brukes til koplete aero-hydro-servo-elastiske tidsdomenesimuleringer, koblet med flere eksterne Python-funksjoner, for å muliggjøre bruk av teknikker tidligere sett i analysen av skadede skip. På grunn av modellenes kompleksitet og nyskapende metoder, utføres omfattende testing og verifisering.
Effekten av ulike nivåer av ballastfylling studeres, og effekten av intern væske på lineære og kvadratiske bølgekrefter undersøkes. De flytende vindturbinene simuleres i ulike scenarioer, inkludert driftstilstander, overlevelsestilstander og skadetilstander. Skadetilstander analyseres både i stasjonære og transiente tilstander, med fokus på vanninnstrømning og svikt i fortøyningssystemet. Analysene komplementerer og utvider tidligere forskning ved å vurdere ytterligere værtilstander, lastetilfeller og scenarier ved hjelp av nye tilnærminger.
Analytiske uttrykk viser at resonansfrekvensene for den interne væsken er godt fanget opp av WADAM, men resultatene bekrefter at amplitudene av sloshing-induserte krefter ikke beskrives godt nok innenfor lineær potensialteori. Både frekvens- og tidsdomeneberegninger viser at de anvendte skottene er konservative og muligens kan utvides for å dekke et større område uten å gå på bekostning av redundansen. For valgte design og skadetilfeller virker ett års overlevelses etter skade mindre kritisk enn overlevelses i intakt tilstand gjennom 50-års stormer, hvilket er det mest alvorlige scenarioet. Den mest tydelige forskjellen mellom konseptene er en kvasi-statisk gir mekanisme relatert til tårnplassering, som leder til uønskede koplede bevegelser i rotasjonsfrihetsgradene av konseptet med periferisk tårnplassering. Dette forverrer responsen sammenlignet med konseptet på sentral tårnplassering, som allerede er et mer konservativt design. I resultatene blir effekten av både den kvasi-statiske effekten og den dynamiske lineære sloshing-ekskitasjonskraften tydelig. Resultatene dokumenterer både økte og reduserte ekstreme verdier, gjennomsnittsverdier og standardavvik avhengig av konseptet og de valgte responsvariablene. Dette viser behovet for ytterligere analyser ved hjelp av eksperimentelle eller numeriske teknikker som er i stand til å fange opp de riktige amplitudene av effektene. | |
| dc.description.abstract | Wind energy is identified as part of the solution to provide sufficient sustainable, safe, and secure renewable energy. As there are limited available operational sites on land or with shallow depths close to shore, floating offshore wind turbines are required. These turbines face more severe environmental conditions and are associated with higher costs, but also reap the benefits of higher and more stable wind speeds. To reduce the cost to an acceptable level, economies of scale are needed along with serialized production. When the number of turbines increases, so will the number of accidents, production failures, and abnormal events. A clear methodology is therefore necessary to assess whether and to what degree floating turbines should be designed for redundancy.
The main objective of the thesis is to comparatively assess two semi-submersible designs and to develop and use methodologies for studying critical scenarios. To do so, the thesis uses state-of-the-art numerical tools to assess the global response of two different concepts, focusing on substructure design and tower placement. A joint distribution model is created for mean wind speed, significant wave height, and spectral peak period, employing a two-parameter Weibull model, a hybrid log-normal-Weibull model, and a pure log-normal model. Forty years of hourly site-specific metocean data are used to create environmental contour surfaces, describing wind and waves. Several optimization tools are used to upscale a substructure and tailor a mooring system to the selected site.
Hydrodynamic coefficients in potential theory are calculated in the frequency domain using WADAM, including dynamic effects of the internal fluid and full second-order wave excitation forces. A pure potential theory approach is identified as a limitation in the study, although viscous drag forces are included through Morison formulations. Python scripts are used to transfer coefficients and forces to the time domain by including sloshing forces as a frequency-dependent spring force. OrcaFlex is used for fully coupled aero-hydro-servo-elastic time domain simulations, coupled with multiple external Python functions, to enable the use of techniques previously seen in the analysis of damaged ships. Due to the complexity of the models and the novelty of the methodology, extensive testing and verification are performed.
The effects of different levels of ballast filling are studied, along with the effects of internal fluids on linear and quadratic transfer functions. The floating offshore wind turbines are simulated in various scenarios, including operating conditions, survival conditions, and damage conditions. Damage conditions are analyzed in transient and steady-state conditions, focusing on flooding and mooring line failure. The analysis complements and expands previous research by considering additional headings, load cases, and scenarios using new approaches.
Analytical expressions show that the resonant frequencies of internal fluids are well captured within WADAM, but the results confirm that the amplitudes of the sloshing-induced forces are not well described within a linear potential theory approach. Both frequency and time domain calculations show that the applied compartmentalization is conservative and could possibly be enlarged to cover a larger area without compromising redundancy. For selected designs and damage cases, the one-year post-damage survival conditions appear less critical than survival conditions considering intact structures in 50-year storms, which is the most severe scenario. The most striking difference between the concepts appears to be a quasi-static yaw mechanism related to the tower placement, leading to undesirable coupling effects between the rotational degrees of freedom for the peripheral tower design. This effect worsens the response compared to the center tower design, which is already a more conservative design. In the results, the impact of both the quasistatic effects and the dynamic linear sloshing excitation force becomes apparent. The results document both increased and decreased extreme values, mean values, and standard deviations depending on the concept and the selected response variables. This shows the need for further analysis, using experimental or numerical techniques capable of capturing the correct amplitudes of the effects. | |
