Characteristics of a turbulence wind model control the magnitude and frequency distribution of wind loading on floating offshore wind turbines (FOWTs), and an in-depth understanding of how wind spectral characteristics affect the responses, and ultimately the design cost of system components, is in shortage in the offshore wind industry. Wind spectrum models as well as turbulence intensity curves recommended by the International Electrotechnical Commission (IEC) have characteristics derived from land-based sites, and have been widely adopted in offshore wind projects (in the absence of site-specific offshore data) without sufficient assessment of design implications. In this paper, effects of wind spectra and turbulence intensities on the strength or extreme responses of a 5 MW floating offshore wind turbine are investigated. The impact of different wind spectral parameters on the extreme blade loads, nacelle accelerations, towertop motions, towerbase loads, platform motions and accelerations, and mooring line tensions are presented and discussed. Results highlight the need to consider the appropriateness of a wind spectral model implemented in the strength design of FOWT structures.
The long-term wind data are reconstructed from the short-term meteorological data to design the 4 MW offshore wind park which will be constructed at Woljeong-ri, Jeju island, Korea. Using two MCP (Measure-Correlate-Predict) models, the relative deviation of wind speed and direction from two neighboring reference weather stations can be regressed at each azimuth sector. The validation of the present method is checked about linear and matrix MCP models for the sets of measured data, and the characteristic wind turbulence is estimated from the ninety-percent percentile of standard deviation in the probability distribution. Using the Gumbel's model, the extreme wind speed of fifty-year return period is predicted by the reconstructed long-term data. The predicted results of this analysis concerning turbulence intensity and extreme wind speed are used for the calculation of fatigue life and extreme load in the design procedure of wind turbine structures at offshore wind farms.
In recent years, many countries have been endeavoring to exploit the offshore wind energy in terms of overcoming the limitations of on-land wind energy. Considering that mountains cover 70 percent of the Korean Peninsula and arable plains for wind energy are negligibly small, Korean government aggressively drives the offshore wind development of the Korean Peninsula. As part of preliminary investigation of offshore wind resources, KEPCO-RI (Korea Electric Power Corporation-Research Institute) has been analyzing marine buoy datasets measured at 5 positions over the period of 12 years, including estimation of extreme wind speed. It can be observed that variation of yearly wind speed, monthly wind speed as well as frequency distribution of wind direction. Wind classes of buoy sites are estimated by extrapolated average wind speed using log law. In addition, wind turbine class based on IEC code is assessed for evaluation of suitable wind turbine.
Xing Fu;Wen-Long Du;Gang Li;Zhi-Qian Dong;Hong-Nan Li
Steel and Composite Structures
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제52권4호
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pp.461-473
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2024
This study focuses on the reliability of a transmission line under wind excitation and evaluates the failure probability using explicit data resources. The data-driven framework for calculating the failure probability of a transmission line subjected to wind loading is presented, and a probabilistic method for estimating the yearly extreme wind speeds in each wind direction is provided to compensate for the incompleteness of meteorological data. Meteorological data from the Xuwen National Weather Station are used to analyze the distribution characteristics of wind speed and wind direction, fitted with the generalized extreme value distribution. Then, the most vulnerable tower is identified to obtain the fragility curves in all wind directions based on uncertainty analysis. Finally, the failure probabilities are calculated based on the presented method. The simulation results reveal that the failure probability of the employed tower increases over time and that the joint probability distribution of the wind speed and wind direction must be considered to avoid overestimating the failure probability. Additionally, the mixed wind climates (synoptic wind and typhoon) have great influence on the estimation of structural failure probability and should be considered.
극치해상 풍속 산정을 위해서는 장기 관측자료가 반드시 필요하다. 그러나, 해상에서의 장기 관측 자료를 확보하기란 거의 불가능하다. 따라서 해상 바람 조건을 분석하기 위해 태풍 모의 기법이 널리 이용되어 진다. 본 연구에서는 Holland(1980) model을 이용하여 1978년부터 2012년까지(35년간) 한반도 서해안 지역에 영향을 미친 총 74개 태풍에 대해서 태풍 모의를 하였다. 그 결과, BOLAVEN(1215)에 의한 HeMOSU-1의 100 m 고도 최대풍속은 49.02 m/s로서 35년간 가장 영향을 크게 미친 태풍으로 나타났다. 한편, 모의 결과는 서해안 지역에 설치 된 HeMOSU-1의 관측치(MUIFA, BOLAVEN, SANBA)와 비교하였다. 그리고 재현주기별 극치 풍속을 예측하기 위해 한반도 서해안 4개 지점(HeMOSU-1, 군산, 목포, 제주)의 35개 연 최대 풍속 자료에 Gumbel 분포형을 적용하였다. HeMOSU-1 지점의 해상 100 m 높이에서의 50년 빈도 설계풍속 값은 50 m/s, 100년 빈도 설계풍속 값은 54.92 m/s로 나타났으며, BOLAVEN 풍속이 50년 빈도 풍속에 해당되었다.
In 2019, the Korean government announced the 3rd Basic Plan for Energy, which included expanding the rate of renewable energy generation by 30-40% by 2040. Hence, offshore wind power generation, which is relatively easy to construct in large areas, should be considered. The East Sea coast of Korea is a sea area where the depth reaches 50 m, which is deeper than the west coast, even though it is only 2.5 km away from the coastline. Therefore, for offshore wind power projects on the East Sea coast, a floating offshore wind power should be considered instead of a fixed one. In this study, a response analysis was performed by applying the analytical conditions of IEC61400-3-2 for the design of floating offshore wind power generation systems. In the newly revised IEC61400-3-2 international standard, design load cases to be considered in floating offshore wind power systems are specified. The upper structure applied to the numerical analysis was a 5-MW-class wind generator developed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL), and the marine environment conditions required for the analysis were based on the Ulsan Meteorological Buoy data from the Korea Meteorological Administration. The FAST v8 developed by NREL was used in the coupled analysis. From the simulation, the maximum response of the six degrees-of-freedom motion and the maximum load response of the joint part were compared. Additionally, redundancy was verified under abnormal conditions. The results indicate that the platform has a maximum displacement radius of approximately 40 m under an extreme sea state, and when one mooring line is broken, this distance increased to approximately 565 m. In conclusion, redundancy should be verified to determine the design of floating offshore wind farms or the arrangement of mooring systems.
Hanjong Kim;Jaehoon Lee;Changwan Han;Seonghun Park
Wind and Structures
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제37권6호
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pp.461-471
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2023
The main objective of this study was to establish design guidelines for three key design variables (spar thickness, spar diameter, and total draft) by examining their impact on the stress distribution and resonant frequency of a 2.5-MW spar-type floating offshore wind turbine substructure under extreme marine conditions, such as during Typhoon Bolaven. The current findings revealed that the substructure experienced maximum stress at wave frequencies of either 0.199 Hz or 0.294 Hz, consistent with previously reported experimental findings. These results indicated that the novel simulation method proposed in this study, which simultaneously combines hydrodynamic diffraction analysis, computational dynamics analysis, and structural analysis, was successfully validated. It also demonstrated that our proposed simulation method precisely quantified the stress distribution of the substructure. The novel findings, which reveal that the maximum stress of the substructure increases with an increase in total draft and a decrease in spar thickness and spar diameter, offer valuable insights for optimizing the design of spar-type floating offshore wind turbine substructures operating in various harsh marine environments.
The structural design of a wind turbine must show the verification of the structural integrity of all load-carrying components. Also, design load calculations shall be performed using appropriate and accurate methods. In this study, advanced numerical approach for the calculation of design loads based on unsteady computational fluid dynamics (CFD) is presented considering extreme design load conditions such as the extreme coherent gust (ECG) and the 50 year extreme operating gust (EOG). Unsteady aerodynamic loads are calculated based on Reynolds average Navier-Stokes (RANS) equations with shear-stress transport k-ω(SST k-ω) turbulent model. A full three-dimensional 5 MW offshore wind-turbine model with rotating blades, hub, nacelle, and tower configuration is practically considered and its aerodynamic interference effect among blades, nacelle, and tower is also accurately considered herein. Calculated blade loads based on unsteady CFD method with respect to blade azimuth angle are compared with those by NREL FAST code and physically investigated in detail.
Park, Sung Boo;Shin, Seong Yun;Shin, Da Gyun;Jung, Kwang Hyo;Choi, Yong Ho;Lee, Jaeyong;Lee, Seung Jae
한국해양공학회지
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제34권1호
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pp.26-36
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2020
An extreme value analysis of metocean data which include wave, wind, and current data is a prerequisite for the operation and survival of offshore structures. The purpose of this study was to provide information about the return wave, wind, and current values for the Barents Sea using extreme value analysis. Hindcast datasets of the Global Reanalysis of Ocean Waves 2012 (GROW2012) for a waves, winds and currents were obtained from the Oceanweather Inc. The Gumbel distribution, 2 and 3 parameters Weibull distributions and log-normal distribution were used for the extreme value analysis. The least square method was used to estimate the parameters for the extreme value distribution. The return values, including the significant wave height, spectral peak wave period, wind speed and current speed at surface, were calculated and it will be utilized to design offshore structures to be operated in the Barents Sea.
To determine the wind turbine class in the offshore of the Korean Peninsula, the reference wind speed for a 50-y return period at the hub height of a wind turbine was estimated using the reanalysis data sets. The most recent reanalysis data, ERA5, showed the highest correlation coefficient (R) of 0.82 with the wind speed measured by the Southwest offshore meteorological tower. However, most of the reanaysis data sets except CFSR underestimated the annual maximum wind speed. The gust factor of converting the 1 h-average into the 10 min-average wind speed was 1.03, which is the same as the WMO reference, using several meteorological towers and lidar measurements. Because the period, frequency, and path of typhoons invading the Korean Peninsula has been changing owing to the climate effect, significant differences occurred in the estimation of the extreme wind speed. Depending on the past data period and length, the extreme wind speed differed by more than 30% and the extreme wind speed decreased as the data period became longer. Finally, a reference wind speed map around the Korean Peninsula was drawn using the data of the last 10 years at the general hub-height of 100 m above the sea level.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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