In recent years, floating offshore wind turbines have attracted more attention as a new renewable energy resource while bottom-fixed offshore wind turbines reach their limit of water depth. Various projects have been proposed with the rapid increase in installed floating wind power capacity, but the economic aspect remains as a biggest issue. To figure out sensible approaches for saving costs, a comparison analysis of the levelized cost of electricity (LCOE) between floating and bottom-fixed offshore wind turbines was carried out. The LCOE was reviewed from a social perspective and a cost breakdown and a literature review analysis were used to itemize the costs into its various components in each level of power plant and system integration. The results show that the highest proportion in capital expenditure of a floating offshore wind turbine results in the substructure part, which is the main difference from a bottom-fixed wind turbine. A floating offshore wind turbine was found to have several advantages over a bottom-fixed wind turbine. Although a similarity in operation and maintenance cost structure is revealed, a floating wind turbine still has the benefit of being able to be maintained at a seaport. After emphasizing the cost-reduction advantages of a floating wind turbine, its LCOE outlook is provided to give a brief overview in the following years. Finally, some estimated cost drivers, such as economics of scale, wind turbine rating, a floater with mooring system, and grid connection cost, are outlined as proposals for floating wind LCOE reduction.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권2호
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pp.980-992
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2019
This paper describes a model test and numerical simulation of a 750-kW-semi-submersible platform wind turbine under several wind and wave conditions for validation of the numerical simulation model. The semi-submersible platform was designed to support the 750-kW-wind turbine class and operate at a water depth of 50 m. The model tests were performed to estimate the performance characteristics of the wind turbine system in the wide tank of the University of Ulsan. Motions and loads of the wind turbine system under the wind and wave conditions were measured and analyzed. The NREL-FAST code was used to simulate the wind turbine system, and the results were compared with those of the test model. The results demonstrate that the numerical simulation captures noticeably the fully coupled floating wind turbine dynamic responses. Also, the model shows a good stability and small responses during waves, wind, and operation of the 750-kW-floating offshore wind turbine.
A series of coupled time domain simulations considering stochastic waves and wind based on five 1-h time-domain analyses are performed in normal operating conditions. Power performance and tower base Fore-Aft bending moment and pitching motion response of the floating spar-buoy wind turbine with 2 MW direct-drive PMSG have been analyzed by using HAWC2 that account for aero-hydro-servo-elastic time domain simulations. When the floating spar-buoy wind turbine is tilted in the wind direction, maximum of platform pitching motion is close to $4^{\circ}$. Statistical characteristics of tower base Fore-Aft bending moment of floating spar-buoy wind turbine are compared to that of land-based wind turbine. Maximum of tower base Fore-Aft bending moment of floating spar-buoy wind turbine and land-based wind is 94,448 kNm, 40,560 kNm respectively. This results is due to changes in blade pitch angle resulting from relative motion between wave and movement of the floating spar-buoy wind turbine.
In this study, the computational structural dynamic modeling of floating offshore wind turbine system is presented using efficient equivalent modeling technique. Structural dynamic behaviors of the offshore floating platform with 5MW wind turbine system have been analyzed using computational multi-body dynamics based on the finite element method. The considered platform configuration of the present offshore wind turbine model is the typical spar-buoy type. Equivalent stiffness and damping properties of the floating platform were extracted from the results of the baseline model. Dynamic responses for the floating wind turbine models are presented and compared to investigate its structural dynamic characteristics. It is important shown that the results of the present equivalent modeling technique show good and reasonable agreements with those by the fully coupled analysis considering complex floating body dynamics.
Differing from the fixed-type, the dynamic motion of floating-type offshore wind turbines is very sensitive to wind and wave excitations. Thus, the sensing and monitoring of its motion is important to evaluate the dynamic responses to the external excitation. In this context, a monitoring system for sensing and processing the wind-induced dynamic motion of spar-type floating offshore wind turbine is developed in this study. It is developed by integrating a 1/00 scale model of 2.5MW spar-type floating offshore wind turbine, water basin equipped with the wind generator, sensing and data acquisition systems, real-time CompactRIO controller and monitoring program. The scale model with the upper rotatable blades is installed within the basin by means of three mooring lines, and its translational and rotational motions are detected by 3-axis inclinometer and accelerometers and gyroscope. The detected motion signals are processed using a real-time controller CompactRIO to calculate the acceleration and tilting angle of nacelle and the attitude of floating platform. The developed monitoring system is demonstrated and validated by measuring and evaluating the time histories and trajectories of nacelle and platform motions for three different wind velocities and for eight different fairlead positions.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권1호
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pp.1-13
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2014
A new 5-MW floating offshore wind turbine moored by a spring-tensioned-leg was proposed for installation in about 50m water depth. Its substructure is a platform of the inverted conical cylinder type with massive ballast weight plate at the bottom. A 1:128 scale model was built for the preliminary engineering development. The model tests in waves and wind were carried out to estimate motion characteristics of this platform in the Ocean Engineering Wide Tank of the University of Ulsan. Its motions were measured and the RAOs were compared. The proposed floating offshore wind turbine showed a good stability and decent responses in waves, wind and operation of the wind turbine.
Offshore wind energy is gaining more and more attention during this decade. For the countries with coast sites, the water depth is significantly large. This causes attention to the floating wind turbine. Offshore wind turbines are designed and analyzed using comprehensive simulation codes that account for the coupled dynamics of the wind inflow, aerodynamics, elasticity and controls of the wind turbine, along with the incident waves, sea current, hydrodynamics, and foundation dynamics of the support structures. In this work, a three-bladed 5MW upwind wind turbine installed on a floating spar buoy in 320m of water is studied by using of fully coupled aero-hydro-servo-elastic simulation tool. Specifications of the structures are chosen from the OC3 (Offshore Code Comparison Collaboration) under "IEA Wind Annex XXIII-subtask2". The primary external conditions due to wind and waves are simulated. Certain design load case is investigated.
As the generation capacity of floating offshore wind turbines increases, the wind load applied to each turbine increases. Due to such a high wind load, the capacity of transport equipment (such as tugboats or cranes) required in the transportation and installation phases must be much larger than that of previous small-capacity wind power generation systems. However, for such an important wind load prediction method, the simple formula proposed by the classification society is generally used, and prediction through wind tunnel tests or Computational Fluid Dynamics (CFD) is rarely used, especially for a concept or initial design stages. In this study, the wind load of a 10 MW class floating offshore wind turbine was predicted by a simplified formula and compared with results of wind tunnel tests. In addition, the wind load coefficients at each stage of fabrication, transportation, and installation are presented so that it can be used during a concept or initial design stages for similar floating offshore wind turbines.
An offshore wind turbine supported by a spar buoy floating platform is the subject of this study on tower and rotor extreme loads. The platform, with a 120-meter draft and assumed to be sited in 320 meters of water, supports a 5 MW wind turbine. A baseline model for this turbine developed at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) is employed in stochastic response simulations. The support platform, along with the mooring system consisting of three catenary lines, chosen for loads modeling, is based on the "Hywind" floating wind turbine concept. Our interest lies in gaining an understanding of the dynamic coupling between the support platform motion and the turbine loads. We first investigate short-term response statistics using stochastic simulation for a range of different environmental wind and wave conditions. From this study, we identify a few "controlling" environmental conditions for which long-term turbine load statistics and probability distributions are established.
To maximize power generation and reduce the construction cost of a commercial utility-grade wind turbine, the size of the wind turbine should be large. The initial design of the 12 MW University of Ulsan(UOU) Floating Offshore Wind Turbine(FOWT) was carried out based on the 5 MW National Renewable Energy Laboratory(NREL) offshore wind turbine model. The existing 5 MW NREL offshore wind turbines have been expanded to 12 MW UOU FOWT using the geometric law of similarity and then redesigned for each factor. The resonance of the tower is the most important dynamic responses of a wind turbine, and it should be designed by avoiding resonance due to cyclic load during turbine operations. The natural frequency of the tower needs to avoid being within the frequency range corresponding to the rotational speed of the blades, 1P, and the blade passing frequency, 3P. To avoid resonance, vibration can be reduced by modifying the stiffness or mass. The direct expansion of the 5 MW wind turbine support structure caused a resonance problem with the tower of the 12 MW FOWT and the tower length and diameter was adjusted to avoid a match of the first natural frequency and 3P excitation of the tower.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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