Station keeping analysis and design for new floating offshore wind turbines

Abstract

In the framework of the reduction of the emissions of greenhouse gases, FOWT will be the technology that will exploit the wind resources in deep seas. In order to achieve a commercial deployment of this technology, a cost reduction is necessary through the optimization of the wind turbine by detailed studies to reduce its design uncertainties. One important aspect is the mooring system, which commonly represents between a 10 to 15 % of the capex. 
 The present research aims to increase the knowledge of the design and analysis of the station keeping systems for floating offshore wind turbines. One of the most important aspects for a correct analysis and design of the mooring system is the simulation of the lines coupled with the floating structure and the wind turbine.
 In this dissertation, two different mooring line models coupled to a finite element model for the analysis of floating platforms are presented. The first model is a finite element model based on a slender rod approach. The model is extended to consider the rheological damping in the axial and bending direction within the constitutive equations of the problem. The second model is a new approach named quasi-dynamic model. The model assesses the static solution of the catenary equation but updates the line tension based on the external hydrodynamic forces and the inertial forces from the theoretical motion of the mooring line.
 In the design of mooring lines is important to consider and foresee the different phenomena and loads that can act along on the life span of these elements. Within these phenomena, the effects of the waves forces over the mooring lines o have been studied. The study analyzes the contribution of the wave forces over the mooring lines to determine when it is an important source of damage for the fatigue strength. 
 Finally, new floating platform concepts need to be tested and analyzed in controlled conditions in order to validate the models used for the final designs. It is common that pool and flume basins do not present enough size for the catenary shape mooring systems because they cover a large extension. In this area, an optimization model for a truncated mooring system is presented. The truncated mooring system is formed by two types of chains to emulate the actual prototype mooring system of a scale spar platform in a narrow flume. En el marc de la reducció de les emissions de gasos d’efecte hivernacle, l’energia eòlica marina flotant serà la tecnologia que explotarà els recursos eòlics marins a gran profunditat. Per tal d’aconseguir un desenvolupament a escala comercial d’aquesta tecnologia és necessari una reducció dels costos a través de l’optimització dels aerogeneradors a partir d’estudis i anàlisis molt detallats. Un dels aspectes importants és el sistema d’amarratge, el qual pot representar entre un 10 i 15 % del cost total d’una instal·lació. La present recerca aprofundeix en el disseny i anàlisis dels sistemes d’amarratge per a molins de vent flotant. Un dels aspectes més importants per a al correcte disseny i anàlisis dels sistemes d’amarratge és la simulació de les amarres conjuntament amb el sistema flotant. En aquesta dissertació es presenten dos models d’amarres diferents acoblats a un model d’elements finits per a l’anàlisi d’estructures flotants. El primer model, és un model d’elements finits per a línies d’amarres basat en un model de vareta esvelta. El model s’ha ampliat per tenir en compte l’esmorteïment material degut als esforços en les direccions axial i de flexió dins de les equacions constitutives dels problema. El segon model es tracta d’un model quasi-dinàmic, el qual es basa en la solució estàtica de les amarres però actualitza la tensió de l’amarra en funció de les forces inercials i hidrodinàmiques externes calculades a partir del moviment teòric de l’amarra. En el disseny de les amarres també s’ha de tenir en compte i preveure els diferents fenòmens i accions que poden influir en la vida útil d’aquests elements. Dins d’aquests fenòmens, s’ha aprofundit en l’anàlisi dels efectes de les forces de l’onatge sobre les amarres. En aquest sentit es fa una comparació entre la consideració o no d’aquestes forces sobre les amarres pe tal de determinar en quins casos poden suposar una font important de dany per a la seva resistència a la fatiga. Per últim, els nous conceptes de plataformes flotants s’han d’assajar i analitzar en condicions controlades per tal de validar els models utilitzats en el disseny final. És freqüent que les piscines i canals d’assaig no presentin les dimensions adequades per a l’experimentació dels sistemes d’amarres ja que poden ocupar una gran extensió d’espai. En aquest àmbit es presenta un model d’optimització d’unes amarres truncades formades per dos tipus de cadena diferents per tal d’emular el disseny d’amarres del prototip a escala real.