Faculty of Technical Sciences

Udviklingen af flydende havvindmøller (FOWTs) præsenterer nye udfordringer for modellering af disse på grund af koblet dynamik, kompleks hydrodynamik og tilføjelsen af et fortøjningssystem til at holde positionen. Pilotprojekter og præ-kommercielle installationer af FOWTs er blevet udført siden 2009, hvilket har bevist den tekniske gennemførlighed. Den tekniske gennemførlighed er kun delvist nok til at gøre FOWTs til en stor del af energiforsyningen, hvor prisen i sidste ende er afgørende. For at sikre en økonomisk udrulning af FOWTs og for at kunne optimere systemet, er det afgørende at have præcise og effektive modelleringsteknikker.

Siden de tidlige 00'ere er der udviklet flere kommercielle, open-source og interne koder til modellering af FOWTs. De fleste koder er udviklet i vindmølleindustrien, hvor det flydende fundament er tilføjet eller udviklet udviklet i offshore-industrien, som har tilføjet en vindmølle til deres modeller. Selvom der findes mange koder, så er niveauet af offentligt tilgængelige detaljer varierende. Derudover er det småt med transparente koder med eksplicitte formuleringer af bevægelsesligningerne (EOM), som tillader en grundlæggende forståelse af den underliggende fysik.

Fokus for denne afhandling er at forstå og udvikle effektive modelleringsteknikker for fire hovedområder: (1) strukturel dynamik, (2) beregning af reaktionslaster, (3) hydrodynamik og (4) kontrol af FOWTs.

(1) Den strukturelle dynamik af det fuldt koblede FOWT system er udledt for den Effektive Lavordens Vindmølle Simulerings (ELWiS) model med analytisk dynamik ved brug af Euler-Lagrange metoden. Det er blevet vist, at denne metode er praktisk anvendelig til at opnå lineære EOM. Det er vigtigt, at lineariseringen sker som det sidste (eller efter opstilling af den kinetiske energi) for at bevare alle sande lineære led inklusiv den gyroskopiske kobling mellem rotoren og supportstrukturen. Hvis systemet ikke bliver lineariseret, vil antallet af led vokse hurtigt sammen med kompleksiteten af systemet og resultere i at ELWiS modellen med 17 frihedsgrader vil være for beregningstung til at køre på en PC. Derfor er den lineære model foretrukket og brugt, for hvilken der er et næsten perfekt match med resultater fra FAST.

(2) Tre modeller (`Internal', `AuxDOFs' and `d'Alembert') er præsenteret til beregning af reaktionslaster i hovedkomponenterne af vindmøllen. Metoden `Internal' er baseret på de interne lasters princip, hvor de resterende to er baseret på de eksterne lasters princip (indeholdende inertilaster). Metoderne er verificeret med en model af en udkraget bjælke med 10 frihedsgrader og for et fuldt FOWT system sammenholdt med resultater fra FAST. Metoden `Internal' er ikke anbefalet at bruge af to hovedårsager: (i) Metoden er afhængig af den anden og den tredje afledte af modalformerne til at beregne momenter og forskydningskræfter i Euler-Bernoulli bjælketeori. Disse er svære at opnå præsist for strukturer med store lokale tværsnitsvariationer, som er tilfældet for vingeroden. (ii) Metoden `Internal' er afhængig af at deformationerne af komponenten er tilgængelige, hvilket gør den ude af stand til at beregne reaktionslasten i de retninger, hvor komponenten er antaget stiv. Metoden `d'Alembert' tilvejebringer en effektiv og præsis måde at beregne reaktionslasterne sammenlignet med FAST.

(3) Fokus i den senere del af afhandlingen har været på at udvikle en semianalytisk hydrodynamisk model, som stemmer godt overens med resultater fra potentialstrømning af høj fidelitet. Modellen er sammensat af den almindelig kendte analytiske hydrostatiske stivhedsmatrice samt analytisk integration af Morison tillægsmasse, som tilvejebringer den fulde 6x6 tillægsmassematrice. For tillægsmassen ved sætningsbevægelser (vertikal retning) er fire forskellige ækvivalente volumener foreslået og integreret for en cylinder med en såkaldt heave plate på bunden. Den nye Type 4, der består af en torus volumen over denne heave plate, har vist sig at være den mest præsise og robuste sammenlignet med resultater fra potentialstrømningsteori. De analytiske Morison bølgelaster i frekvensdomænet er kombineret med McCamy-Fuchs analytiske løsning af diffraktionsproblemet. Denne foreslåede McCamy-Fuchs-Morison (MFM) hybridmodel anvender de horisontale McCamy-Fuchs bølgelaster på de vertikale cylindre, og de semianalytiske Morison bølgelaster er anvendt på de førnævnte heave plates. Den foreslåede seksdimensionale, semianalytiske, førsteordens bølgelastoverførselsfunktion stemmer godt overens med overførselsfunktion for potentialstrømnings bølgelaster. Dette muliggør effektive design optimering på et tidligt stadie uden brug af beregningstunge hydrodynamiske modeller baseret på potentialstrømningsteori.

(4) En god anvendelse af den foreslåede semianalytiske MFM model er undersøgelsen af en ny heave plate tunet massedæmper (HPTMD). HPTMDen består af de førnævnte heave plates monteret under bunden af hver ydre cylinder af OC4 halvt nedsænkbare platformen med en stang imellem cylindrene og de førnævnte heave plates, som fungerer som en ækvivalent fjeder. Det er vist at HPTMDen effektivt dæmper fundamentets sætnings- og rulningsbevægelser samt tårnets laterale vibrationer, hvis de førnævnte heave plates er monteret dybt, hvor de undgår det meste af bølgelasterne.