Daeseong, Lim;S.W., Kim;Jeong-Hyun, Yoon;Seo-ho, Lee
Ocean Systems Engineering
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v.12
no.4
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pp.461-477
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2022
Dynamic Positioning (DP) is a system that uses computer-controlled thrusters, propellers, and other propulsion devices to automatically maintain a vessel's position and heading. In this study, a wind turbine installation vessel with DP capabilities was proposed for use in mild environmental conditions in the Yellow Sea. The thruster arrangements of the vessel were analyzed in relation to wind and current loads, and it was found that a four-corner arrangement of thrusters provided the best position-keeping performance. The vessel's DP control performance was also analyzed in relation to the increased environmental load caused by the presence of a wind turbine, using a capability plot. The vessel's performance was evaluated in three different states: floating with no load, during the loading of a wind turbine and suction buckets, and after the wind turbine has been installed. The use of 750 kW and 1,000 kW thrusters was also considered, and the environmental loads in the Saemangeum coastal area and the environmental load when a 5-Megawatt wind turbine is on board were assessed. The study concluded that at least four thrusters should be used for DP to safely manage the installation process of wind turbines.
Recent alarming acceleration of global warming has made power generations using renewable energy to be in the middle of the spotlight. Korean government has also announced that it will make the related industry to be nation's one of main export items with high investments to low carbon green growth industry. To achieve this goal of exporting the renewable energy power generation system beyond domestic use, internationally acceptable rules should be applied and the three step processes of design, performance assessment and certification should follow international standards. Corresponding this international requests, IEC(International Electrotechnical Commission) is conducting the establishment of rules in TC88 for technical requirements of wind turbines. Design life-time of a wind turbine is required to be at least 20 years. In the meantime, the wind turbine will experience a lot of load cases such as extreme loads and fatigue loads which will include several typhoons per year and extreme gusts with 50 years recurrence period as well as endless turbulence flow. Therefore, IEC 61400-1 specifies design load cases to be considered in the wind turbine design and requires the wind turbine to withstand the load cases in various operational situations. It thus appears that the examination of contents and decisions discussed in the international standard committee will help people in the field of offshore wind energy and ocean energy converters.
As the demands for offshore wind power generation systems on a large scale have grown dramatically, and extensive developments in PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) and DFIG (Doubly-fed Induction Generator) wind turbine system have been going on. However, the wind power systems have been more sophisticated, and their reliability becomes critical issues. Averagely, wind turbines have shut down for about a week per year for repairs and maintenance. Especially the high speed gearbox of DFIG is inevitable components for high power generation, but becomes one of the critical failures. In this paper, a new reliable gearless wind turbine structure is proposed. The gearless wind turbine can operate on a maximum power points by controlling the speed of a rotational stator. The proposed approach is verified by PSIM simulations, resulting in increased energy reliability.
Park, Hyeon Jin;Oh, Min Kyu;Park, Soonok;Yoo, Jeonghoon
Wind and Structures
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v.34
no.3
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pp.291-301
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2022
Although mostly used in wind turbine market, single rotor wind turbines have problems with transportation and installation costs due to their large size. In order to solve such problems, multi-rotor wind turbine is being proposed; however, light weight design of multi-rotor wind turbine is required considering the installation at offshore or deep sea. This study proposes the systematic design process of the multi-rotor wind turbine focused on its supporting structure with simultaneous consideration of static and dynamic behaviors in an ideal situation. 2D and successive 3D topology optimization process based on the density method were applied to minimize the compliance of supporting structure. To realize the conceptual design obtained by topology optimization for manufacturing feasibility, the derived 3D structure was modified to have shell structures and optimized again through parametric design using the design of experiments and the response surface method for detail design of their thicknesses and radii. The resultant structure was determined to satisfy the stress and the buckling load constraint as well as to minimize the weight and the resultant supporting structure were verified numerically.
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.
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.
As the demand for reducing carbon emissions increases, efforts to reduce the usage of fossil fuels and research on renewable energy are also increasing. Among the various renewable energy harvesting techniques, the floating offshore wind turbine has several advantages. Compared to other technologies, it has fewer installation limitations due to interference with human activity. Additionally, a large wind turbine farm can be constructed in the open ocean. Therefore, it is important to conduct motion analysis of floating offshore wind turbines in waves during the initial stage of conceptual design. In this study, a frequency motion analysis was conducted on a semi-submersible type floating offshore wind turbine. The analysis focused on the effects of varying trim on the motion characteristics. Specifically, motion response analysis was performed on heave, roll, and pitch. Natural period analysis confirmed that changing the trim angle did not significantly affect the heave and pitch motions, but it did have a regular impact on the roll motion.
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.16
no.2
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pp.130-137
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2013
The more accurate numerical analysis is needed, The more important to arrange nodes and elements properly on the structures wanted to be analyzed. In this study, automatic mesh generation method is developed for triangular mesh modeling in wind tower and substructure formed in circular sections especially, which have structural and economical benefits in shallow water area. It can consider variety conditions by inputting the detail data such as height and types. Also, this study includes the comparison and verification with the mesh generation by Delaunay triangular technique on 3 dimensional space and the examples of mesh generation for proposed tower and substructure. The result of this study will be widely applied to analyze the existing and proposed models for wind turbines.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.3
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pp.294-306
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2018
Most offshore structures including offshore wind turbines, ships, etc. suffer from the impulsive pressure loads due to slamming phenomena in rough waves. The effects of elasticity & plasticity on such slamming loads are investigated through wet free drop test results of several steel unstiffened flat bottom bodies in the rectangular water tank. Also, their cumulative deformations by consecutively repetitive free drops from 1000 mm to 2000 mm in height are measured.
This paper provides a loss analysis and comparison of high power semiconductor devices in 5MW Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Medium Voltage (MV) Wind Turbine Systems (WTSs). High power semiconductor devices of the press-pack type IGCT, module type IGBT, press-pack type IGBT, and press-pack type IEGT of both 4.5kV and 6.5kV are considered in this paper. Benchmarking is performed based on the back-to-back type 3-level Neutral Point Clamped Voltage Source Converters (3L-NPC VSCs) supplied from a grid voltage of 4160V. The feasible number of semiconductor devices in parallel is designed through a loss analysis considering both the conduction and switching losses under the operating conditions of 5MW PMSG wind turbines, particularly for application in offshore wind farms. This paper investigates the loss analysis and thermal performance of 5MW 3L-NPC wind power inverters under the operating conditions of various power factors. The loss analysis and thermal analysis are confirmed through PLECS Blockset simulations with Matlab Simulink. The comparison results show that the press-pack type IGCT has the highest efficiency including the snubber loss factor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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