5MW wind turbine is regarded as a promising system for offshore wind farms in the western sea of Korean. And the wind turbine is developed in many companies but not much information is known about it. In this study, aerodynamics and control characteristics depending on several control methods is reviewed on 5MW wind turbine, in which configuration data of the turbine are used from the previous study of NREL. For the calculations, GH_Bladed, which is certificated software by GL, is used and compared with data from FAST code of NREL. This study shows that how much power production, and aerodynamic performances and loads can be obtained with different controls in the operation of 5MW wind turbine, which is expected to be useful in the design of the wind turbine system.
Journal of the wind engineering institute of Korea
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v.22
no.4
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pp.163-169
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2018
In this study, wind loads exerted on the offshore wind turbine rotor in parked condition were predicted with variations of wind speeds, yaw angles, azimuth angle, pitch angles, and power of the atmospheric boundary layer profile. The calculated wind loads using blade element theorem were compared with those of estimated aerodynamic loads for the simplified blade shape. Wind loads for an NREL's 5 MW scaled offshore wind turbine rotor were also compared with those of NREL's FAST results for more verification. All of the 6-component wind loads including forces and moments along the three axis were represented on a non-rotating coordinate system fixed at the apex of rotor hub. The calculated wind loads are applicable for the dynamic analysis of the wind turbine system, or obtaining the over-turning moment at the foundation of support structure for wind turbine system.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.5
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pp.455-463
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2012
In this study, we calculate dynamic constrained force of tower top and blade root of a floating offshore wind turbine. The floating offshore wind turbine is multibody system which consists of a floating platform, a tower, a nacelle, and a hub and three blades. All of these parts are regarded as a rigid body with six degree-of-freedom(DOF). The platform and the tower are connected with fixed joint, and the tower, the nacelle, and the hub are successively connected with revolute joint. The hub and three blades are connected with fixed joint. The recursive formulation is adopted for constructing the equations of motion for the floating wind turbine. The non-linear hydrostatic force, the linear hydrodynamic force, the aerodynamic force, the mooring force, and gravitational forces are considered as external forces. The dynamic load at the tower top, rotor shaft, and blade root of the floating wind turbine are simulated in time domain by solving the equations of motion numerically. From the simulation results, the mutual effects of the dynamic response between the each part of the floating wind turbine are discussed and can be used as input data for the structural analysis of the floating offshore wind turbine.
This paper explores a series of numerical simulations of dynamic responses of multi-piles (dolphin) type substructures for 2.5MW class offshore wind turbine. Firstly computational fluid dynamics (CFD) simulation was performed to evaluate wave loads on the dolphin type substructures with the design wave condition for the west-south region of Korea. Numerical wave tank (NWT) based on CFD was adopted to generate numerically a progressive regular wave using a virtual piston type wave maker. It was found that the water-piercing area of piles of the substructure is a key parameter determining the wave load exerted in horizontal direction. In the next the dynamic structural responses of substructure members under the wave load were calculated using finite element analysis (FEA). In the FEA approach, the dynamic structural responses were able to be calculated including a deformable body effect of substructure members when wave load on each member was determined by Morison's formula. The paper numerically identifies dynamic response characteristics of dolphin type substructures for 2.5MW class offshore wind turbine.
Yi, Jin-Hak;Kim, Sun-Bin;Yoon, Gil-Lim;Andersen, Lars Vabbersgaard
Wind and Structures
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v.21
no.6
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pp.625-639
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2015
Monopiles have been most widely used for supporting offshore wind turbines (OWTs) in shallow water areas. However, multi-member lattice-type structures such as jackets and tripods are also considered good alternatives to monopile foundations for relatively deep water areas with depth ranging from 25-50 m owing to their technical and economic feasibility. Moreover, jacket structures have been popular in the oil and gas industry for a long time. However, several unsolved technical issues still persist in the utilization of multi-member lattice-type supporting structures for OWTs; these problems include pile-soil-interaction (PSI) effects, realization of dynamically stable designs to avoid resonances, and quick and safe installation in remote areas. In this study, the effects of PSI on the dynamic properties of bottom-fixed OWTs, including monopile-, tripod- and jacket-supported OWTs, were investigated intensively. The tower and substructure were modeled using conventional beam elements with added mass, and pile foundations were modeled with beam and nonlinear spring elements. The effects of PSI on the dynamic properties of the structure were evaluated using Monte Carlo simulation considering the load amplitude, scouring depth, and the uncertainties in soil properties.
The IEC standard for onshore or offshore wind turbines requires additional dummy simulations (at least 5 s) for the transient responses due to initial conditions. An increase in the dummy time causes a considerable increase in the computational cost considering multiple design spirals with several thousand design load analysis cases. A time of 30 s is typically used in practical simulations for a wind turbine design with a fixed platform. However, 30 s may be insufficient for floating offshore wind turbines (FOWT) because the platforms have lower natural frequencies, and the transient responses will last much longer. In this paper, an initial condition application algorithm is implemented for WindHydro, and the appropriate dummy simulation time is investigated based on a series of dynamic simulations of a FOWT. As a result, it is found that more than 300 s is required for the platform to have stationary motion after the initial transient responses for the FOWT under the conditions considered.
Jang, Hwa Sub;Nam, Hyun Woo;Kwak, Yeon Min;Yoon, Se Woong;Kim, Ho Sun
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.27
no.5
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pp.339-344
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2015
Suction piles have been widely used as foundations and anchor systems in offshore industry, and recently, it have been tried to be used as foundations for offshore wind turbines. Many researches have shown that stiffness of a foundation could effect dynamic responses of a offshore wind turbine so that appropriate modeling application of wind turbine foundations is recommended. In this paper, we calculate a stiffness matrix of a suction foundation through 3D FEM analysis and compare the results with the ones calculated by conventional formula for estimating stiffness of shallow foundations. And then we carry out integrated load analysis for the evaluation of dynamic responses and natural frequencies of the structure using the calculated stiffness matrix. The results shows that the effect of load in the mudline is not large, but in the case of assuming the foundation as a fixed support, the natural frequency is over-estimated up to 10%. Therefore, considering stiffness of foundations is recommended when you evaluate the natural frequencies of wind turbine structures.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.1
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pp.9-20
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2018
Due to integrated stochastic wind and wave loads, the supporting platform of a Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) has to bear six Degrees of Freedom (DOF) motion, which makes the random cyclic loads acting on the structural components, for instance the tower base, more complicated than those on bottom-fixed or land-based wind turbines. These cyclic loads may cause unexpected fatigue damages on a FOWT. This paper presents a study on short-term fatigue damage at the tower base of a 5 MW FOWT with a spar-type platform. Fully coupled time-domain simulations code FAST is used and realistic environment conditions are considered to obtain the loads and structural stresses at the tower base. Then the cumulative fatigue damage is calculated based on rainflow counting method and Miner's rule. Moreover, the effects of the simulation length, the wind-wave misalignment, the wind-only condition and the wave-only condition on the fatigue damage are investigated. It is found that the wind and wave induced loads affect the tower base's axial stress separately and in a decoupled way, and the wave-induced fatigue damage is greater than that induced by the wind loads. Under the environment conditions with rated wind speed, the tower base experiences the highest fatigue damage when the joint probability of the wind and wave is included in the calculation. Moreover, it is also found that 1 h simulation length is sufficient to give an appropriate fatigue damage estimated life for FOWT.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.28
no.1
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pp.141-152
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2022
As interest increases related to the development of eco-friendly energy, the offshore wind turbine market is growing at an increasing rate every year. In line with this, the demand for an installation vessel with large scaled capacity is also increasing rapidly. The wind turbine installation vessel (WTIV) is a fixed penetration of the spudcan in the sea-bed to install the wind turbine. At this time, a review of the spudcan is an important issue regarding structural safety in the entire structure system. In the study, we analyzed the current procedure suggested by classification of societies and new procedures reflect the new loading scenarios based on reasonable operating conditions; which is also verified through FE-analysis. The current procedure shows that the maximum stress is less than the allowable criteria because it does not consider the effect of the sea-bed slope, the leg bending moment, and the spudcan shape. However, results of some load conditions as defined by the new procedure confirm that it is necessary to reinforce the structure to required levels under actual pre-load conditions. Therefore, the new procedure considers additional actual operating conditions and the possible problems were verified through detailed FE-analysis.
Offshore wind turbines are supported by various foundations, each with its considerations in design and construction. Gravity, monopile, and suction bucket foundations encounter geotechnical issues, while jacket and tripod foundations face fatigue problems. Considering this, a gravity foundation based on a steel skirt was developed, and a monopile foundation was analyzed for Pile-Soil Interaction using the p-y curve and 3D finite element method (3D FEM). In addition, for suction bucket foundations, the effects of lateral and vertical loads were analyzed using 3D FEM and centrifuge tests. Fatigue analysis for jacket and tripod foundations was conducted using a hotspot stress approach. Some hybrid foundations and shape optimization techniques that change the shape to complement the problems of each foundation described above were assessed. Hybrid foundations could increase lateral resistance compared to existing foundations because of the combined appendages, and optimization techniques could reduce costs by maximizing the efficiency of the structure or by reducing costs and weight. This paper presents the characteristics and research directions of the foundation through various studies on the foundation. In addition, the optimal design method is presented by explaining the problems of the foundation and suggesting ways to supplement them.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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