Spar platforms have several advantages for deploying wind turbines in offshore for depth beyond 120 m. The merit of spar platform is large range of topside payloads, favourable motions compared to other floating structures and minimum hull/deck interface. The main objective of this paper is to present the response analysis of the slack moored spar platform supporting 5MW wind turbine with bottom keel plates in regular and random waves, studied experimentally and numerically. A 1:100 scale model of the spar with sparD, sparCD and sparSD configuration was studied in the wave basin ($30{\times}30{\times}3m$) in Ocean engineering department in IIT Madras. In present study the effect of wind loading, blade dynamics and control, and tower elasticity are not considered. This paper presents the details of the studies carried out on a 16 m diameter and 100 m long spar buoy supporting a 90 m tall 5 MW wind turbine with 3600 kN weight of Nacelle and Rotor and 3500 kN weight of tower. The weight of the ballast and the draft of the spar are adjusted in such a way to keep the centre of gravity below the centre of buoyancy. The mooring lines are divided into four groups, each of which has four lines. The studies were carried out in regular and random waves. The operational significant wave height of 2.5 m and 10 s wave period and survival significant wave height of 6 m and 18 s wave period in 300 m water depth are considered. The wind speed corresponding to the operational wave height is about 22 knots and this wind speed is considered to be operating wind speed for turbines. The heave and surge accelerations at the top of spar platform were measured and are used for calculating the response. The geometric modeling of spar was carried out using Multisurf and this was directly exported to WAMIT for subsequent hydrodynamic and mooring system analysis. The numerical results were compared with experimental results and the comparison was found to be good. Parametric study was carried out to find out the effect of shape, size and spacing of keel plate and from the results obtained from present work ,it is recommended to use circular keel plate instead of square plate.
Kim, Seoktae;Kim, Donghyun;Kang, Keumseok;Jung, Minuk
KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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v.2
no.4
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pp.631-638
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2016
Offshore wind power can be an alternative for onshore wind power which suffers from not only civil complaints regarding to landscape damage and noise but also wind power siting due to lack of onshore site candidates. Compared to onshore wind power, offshore wind power is free from these problems considering that generally the sites are far enough from the coast. And more electricity is generated in offshore wind turbines due to abundant offshore wind resources. However high installation costs of offshore turbines could deteriorate the economical efficiency. The main cause of the high installation costs comes from a long-term lease of the heavy marine equipment and the consequential high rental cost. In this paper, the conceptual design of the support structure for offshore wind turbines will be suggested for the installation of them with less heavy marine equipment.
Park, Sewan;Kim, Kyong-Hwan;Lee, Kang-Su;Park, Yeon-Seok;Oh, Hyunseok;Shin, Hyungki;Hong, Keyyong
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.18
no.2
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pp.123-132
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2015
In this study, an arrangement design process for multiple wind turbines, placed on the 10MW class floating wave-offshore wind hybrid power generation system, was presented, and the aerodynamic performance was evaluated by using a computational fluid dynamics. An arrangement design, which produces a maximum power in the site wind field, was found by using a commercial program, WindPRO, based on a blade element momentum theory, then the effect of wake interference on the system between multiple wind turbines was studied and evaluated by using ANSYS CFX.
After an accident involving mooring link failures in an offloading buoy, verification of the fatigue safety in terms of the out-of-plane bending (OPB) and in-plane bending (IPB) moments has become a key engineering item in the design of various floating offshore units. The mooring links for an 8 MW floating offshore wind turbine were selected for this study. To identify the OPB stiffness (OPB moment versus interlink angle), a numerical simulation model, called the 3-link model, is usually composed of three successive chain links closest to the fairlead or chain hawse. This paper introduces two numerical simulation techniques for the 3-link analyses. The conventional and advanced approaches are both based on the prescribed rotation approach (PRA) and direct tension approach (DTA). Comparisons of the nominal stress distributions, OPB stiffnesses, hotspot stress curves, and stress concentration curves are presented. The multiple link analyses used to identify the tension angle versus interlink angle require the OPB stiffness data from the 3-link analyses. A convergence study was conducted to determine the minimum number of links for a multi-link analysis. It was proven that 10 links were sufficient for the multi-link analysis. The tension angle versus interlink angle relations are presented based on multi-link analyses with 10 links. It was found that the subsequent results varied significantly according to the 3-link analysis techniques.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.1
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pp.251-258
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1990
Optimal design of heat exchanger for closed CO$_{2}$ gas turbine plant of three processes selected from the result of cycle analysis have been discussed previously paper(I) has been carried out under specified inlet and outlet conditions. Independent variables such as number of parallel connection, tube diameter, shell side and tube side pressure loss as well as dependent variables such as shell diameter, number of tubes, number of serial connections were all characterized according to the standardization or so. Search method was used to construct a computer simulation together with the calculation of heat transfer rate by logarithmic mean temperature difference method. Strength analysis of major parts was carried to examine their dimensions satisfying heat transfer and pressure loss requirements.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.1
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pp.77-99
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2017
Offshore oscillating water columns (OWC) represent one of the most promising forms of wave energy converters. The hydrodynamic performance of such converters heavily depends on their interactions with ocean waves; therefore, understanding these interactions is essential. In this paper, a fully nonlinear 2D computational fluid dynamics (CFD) model based on RANS equations and VOF surface capturing scheme is implemented to carry out wave energy balance analyses for an offshore OWC. The numerical model is well validated against published physical measurements including; chamber differential air pressure, chamber water level oscillation and vertical velocity, overall wave energy extraction efficiency, reflected and transmitted waves, velocity and vorticity fields (PIV measurements). Following the successful validation work, an extensive campaign of numerical tests is performed to quantify the relevance of three design parameters, namely incoming wavelength, wave height and turbine damping to the device hydrodynamic performance and wave energy conversion process. All of the three investigated parameters show important effects on the wave-pneumatic energy conversion chain. In addition, the flow field around the chamber's front wall indicates areas of energy losses by stronger vortices generation than the rear wall.
Zhang, Wenjuan;Ma, Haomiao;Zhang, Junli;Chen, Lingling;Qu, Yang
Journal of Power Electronics
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v.15
no.4
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pp.1119-1130
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2015
This study investigates the multi-objective fuzzy optimization of crowbar resistance for the doubly fed induction generator (DFIG) low-voltage ride-through (LVRT). By integrating the crowbar resistance of the crowbar circuit as a decision variable, a multi-objective model for crowbar resistance value optimization has been established to minimize rotor overcurrent and to simultaneously reduce the DFIG reactive power absorbed from the grid during the process of LVRT. A multi-objective genetic algorithm (MOGA) is applied to solve this optimization problem. In the proposed GA, the value of the crowbar resistance is represented by floating-point numbers in the GA population. The MOGA emphasizes the non-dominated solutions and simultaneously maintains diversity in the non-dominated solutions. A fuzzy-set-theory-based is employed to obtain the best solution. The proposed approach has been evaluated on a 3 MW DFIG LVRT. Simulation results show the effectiveness of the proposed approach for solving the crowbar resistance multi-objective optimization problem in the DFIG LVRT.
The azimuth thruster is mainly installed on a vessel that requires a dynamic positioning (DP) function for special purposes. When the azimuth thruster on a vessel operates for DP, the thrust loss is induced by the thruster-hull interaction. This study examined the influence of boundary conditions in numerical simulations for predicting thrust loss. Wind turbine installation vessels (WTIV) and floating production storage and offloading (FPSO) were chosen as a target vessels. In this study, two types of boundaries were defined. The first consideration is that the boundary condition was assigned with consideration of the azimuth angle of the thruster, whereas it is fixed regardless azimuth angle of the thruster. The predicted thrust loss according to these boundary conditions showed a difference. This observation originated from the current load of the vessel. Therefore, the boundary conditions for which the current load is not induced need to be designated to obtain a realistic thrust loss in a numerical simulation.
This paper proposes an effective inertia coefficient (EIC) in the Morison equation for better wave-force calculations. The OC4 semi-submersible floating offshore wind turbine (FOWT) platform was considered to test the feasibility. Large diffraction at large Keulegan-Carpenter (KC) numbers and the interaction between columns can result in errors in estimating the wave force using the Morison equation with a theoretical inertia coefficient, which can be corrected by the EIC as a function of the wave period and direction. The horizontal and vertical wave forces were calculated using the Morison equation and potential theory at each column, wave period, and wave direction. The EICs of each column were then obtained, resulting in a minimal difference between the Morison inertia force and the wave excitation force by the potential theory. The EICs, wave forces, phase angles, and dynamic motions were compared to confirm the feasibility of an EIC concept under regular and random waves.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.26
no.4
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pp.286-294
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2016
In the initial design stage, the geometry of systems needs to be optimized regarding its performance. However, performance analysis is very time-consuming. Therefore, optimization becomes difficult/impossible problems because we need to evaluate the system performance for alternative design cases. To overcome this problem, many researchers perform prediction of system performance using the approximation model. The response surface method (RSM) is typically used to predict the system performance in the various research fields, but it presents prediction errors for highly nonlinear systems. The major objective of this paper is to propose a proper prediction method for marine system problems. Case studies of marine systems (the substructure of a floating offshore wind turbine considering hydrodynamic performance and bulk carrier bottom stiffened panels considering structure performance) verify that the proposed method is applicable to performance prediction in marine systems.
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