The global performance of the 5MW OC4 semisubmersible floating wind turbine in random waves was numerically simulated by using the turbine-floater-mooring fully coupled and time-domain dynamic analysis program FAST-CHARM3D. There have been many papers regarding floating offshore wind turbines but the effects of second-order wave-body interactions on their global performance have rarely been studied. The second-order wave forces are actually small compared to the first-order wave forces, but its effect cannot be ignored when the natural frequencies of a floating system are outside the wave-frequency range. In the case of semi-submersible platform, second-order difference-frequency wave-diffraction forces and moments become important since surge/sway and pitch/roll natural frequencies are lower than those of typical incident waves. The computational effort related to the full second-order diffraction calculation is typically very heavy, so in many cases, the simplified approach called Newman's approximation or first-order-wave-force-only are used. However, it needs to be justified against more complete solutions with full QTF (quadratic transfer function), which is a main subject of the present study. The numerically simulated results for the 5MW OC4 semisubmersible floating wind turbine by FAST-CHARM3D are also extensively compared with the DeepCWind model test results by Technip/NREL/UMaine. The predicted motions and mooring tensions for two white-noise input-wave spectra agree well against the measure values. In this paper, the numerical static-offset and free-decay tests are also conducted to verify the system stiffness, damping, and natural frequencies against the experimental results. They also agree well to verify that the dynamic system modeling is correct to the details. The performance of the simplified approaches instead of using the full QTF are also tested.
The global performance of the 5 MW OC4 semisubmersible floating wind turbine in random waves with or without steady/dynamic winds is numerically simulated by using the turbine-floater-mooring fully coupled dynamic analysis program FAST-CHARM3D in time domain. The numerical simulations are based on the complete second-order diffraction/radiation potential formulations along with nonlinear viscous-drag force estimations at the body's instantaneous position. The sensitivity of hull motions and mooring dynamics with varying wave-kinematics extrapolation methods above MWL(mean-water level) and column drag coefficients is investigated. The effects of steady and dynamic winds are also illustrated. When dynamic wind is added to the irregular waves, it additionally introduces low-frequency wind loading and aerodynamic damping. The numerically simulated results for the 5 MW OC4 semisubmersible floating wind turbine by FAST-CHARM3D are also extensively compared with the DeepCWind model-test results by Technip/NREL/UMaine. Those numerical-simulation results have good correlation with experimental results for all the cases considered.
The effects of BPC (blade pitch control) on FOWT (floating offshore wind turbine) motions and generated power are investigated by using a fully-coupled turbine-floater-mooring simulation program. In this regard, two example FOWTs, OC4-5MW semi-submersible FOWT and KRISO four-3MW-units FOWT, are selected since the numerical simulations of those two FOWTs have been verified against experiments in authors' previous studies. Various simulations are performed changing BPC natural frequency (BPCNF), BPC damping ratio (BPCDR), and wind speeds. Through the numerical simulations, it was demonstrated that negative damping can happen for platform pitch motions and its influences are affected by BPCNF, BPCDR, and wind speeds. If BPCNF is significantly larger than platform-pitch natural frequency, the pitch resonance can be very serious due to the BPC-induced negative-damping effects, which should be avoided in the FOWT design. If wind speed is significantly higher than the rated wind velocity, the negative damping effects start to become reduced. Other important findings are also given through systematic sensitivity investigations.
This paper presents a mooring design procedure of a floating offshore wind turbine. The environment data of south offshore area of Jeju collected from Korea Hydrographic and Oceanographic Administration(KHOA) are used for hydrodynamic analyses as environmental conditions. We considered a semi-submersible type floating wind turbine based on Offshore Code Comparison Collaborative Continuation(OC4) DeepCWind platform and National Renewable Energy Laboratory(NREL) 5 MW class wind turbine. Catenary mooring with studless chain is chosen as the mooring system. Important design decisions such as how large the nomial sizes are, how long the mooring lines are, how far the anchor points are located, are demonstrated in detail. Considering ultimate limit state and fatigue limit state based on 100-year return period and 50-year design life, respectively, longterm predictions of breaking strength and fatigue are proposed.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제5권2호
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pp.199-209
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2013
This paper presents the model test results of 3 new spar platforms which were developed based on the OC3-Hywind spar to support a 5-MW wind turbine. By changing the shape but keeping both volume and mass of OC3-Hywind spar platform, those platforms were expected to experience different hydrodynamic and hydrostatic loads. The scale models were built with a 1/128 scale ratio. The model tests were carried out in waves, including both rotating rotor effect and mean wind speed. The characteristic motions of the 3 new models were measured; Response Amplitude Operators (RAO) and significant motions were calculated and compared with those of OC3-Hywind.
In this study, a structural and fatigue strength evaluation of the Fairlead Chain Stopper (FCS) was performed as a part of the development of a disconnectable mooring system to be applied to 10MW floating offshore wind power generation systems. To estimate the load acting on the FCS, a 10 MW semi-submersible floater was designed using the 10 MW wind turbine developed by Technical University of Denmark(DTU). The minimum breaking load (MBL) of the grade R5 and 147mm mooring chain was applied for the FCS strength analysis. The fatigue load was obtained from the coupled analysis results conducted by a collaborating research institute. The structural and fatigue safety of FCS were evaluated in accordance with DNV codes. From the evaluation results, it was confirmed that the FCS satisfies the structural and fatigue safety requirements.
Abou-Rayan, Ashraf M.;Khalil, Nader N.;Afify, Mohamed S.
Ocean Systems Engineering
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제6권2호
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pp.203-216
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2016
Over recent years the offshore wind turbines are becoming more feasible solution to the energy problem, which is crucial for Egypt. In this article a three floating support structure, tension leg platform types (TLP), for 5-MW wind turbine have been considered. The dynamic behavior of a triangular, square, and pentagon TLP configurations under multi-directional regular and random waves have been investigated. The environmental loads have been considered according to the Egyptian Metrological Authority records in northern Red sea zone. The dynamic analysis were carried out using ANSYS-AQWA a finite element analysis software, FAST a wind turbine dynamic software, and MATLAB software. Investigation results give a better understanding of dynamical behavior and stability of the floating wind turbines. Results include time history, Power Spectrum densities (PSD's), and plan stability for all configurations.
This paper presents effect of aerodynamic loads on mooring line responses of a floating offshore wind turbine. A Matlab code based on blade element momentum (BEM) theory is developed to consider aerodynamic loads acting on NREL 5MW wind turbine. The aerodynamic loads are coupled with time-domain hydrodynamic analyses using one-way interaction scheme of the wave and wind loads. A semi-submersible floating platform which is from Offshore Code Comparison Collaborative Continuation(OC4) DeepCWind platform is used with catenary mooring lines simply composed of studless chain links. Average values of mooring peak tensions obtained from aerodynamic load consideration are significantly increased compared to those from simple wind drag force consideration. Consideration of aerodynamic loads also yield larger tension ranges which can be important factor to reduce fatigue life of the mooring lines.
본 논문에서는 해양 풍력발전기를 해상 크레인으로 리프팅하기 위해 두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 하였다. 운동 방정식은 강체와 탄성체가 포함된 다물체계 동역학을 기반으로 구성하였다. 외력으로는 유체정역학 힘, 규칙파에 의한 유체동역학 힘, 와이어로프의 장력, 계류력, 그리고 중력이 고려되었다. 두 개의 탄성 붐을 사용한 시뮬레이션 결과는 탄성 붐 한 개를 사용한 경우와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 5-MW(megawatt)급 해양 풍력 발전기를 해상 크레인이 리프팅하는 경우에 대해 동적 거동을 시뮬레이션하고 그 결과를 분석하였다.
Kim, Hyungjun;Jeon, Gi-Young;Choung, Joonmo;Yoon, Sung-Won
International Journal of Ocean System Engineering
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제3권4호
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pp.209-217
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2013
This paper presents a mooring design procedure for a floating offshore wind turbine. Offshore environmental data for Jeju are taken from KHOA (Korea Hydrographic and Oceanographic Administration) and used for the environmental conditions in numerical analyses. A semi-submersible-type floating wind system with a 5-MW-class wind turbine studied by the DeepCwind Consortium is applied. Catenary mooring with a studless chain is chosen as the mooring system. Design deliverables such as the nominal sizes of chain and length of the mooring line are decided by considering the long-term prediction of the breaking strength of the mooring lines where a 100-year return period is used. The designed mooring system is verified using a fatigue calculation based on rain-flow cycle counting, an S-N curve, and a Miner's damage summation of rule. The mooring tension process is obtained from time-domain motion analyses using ANSYS/AQWA.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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