Model design and experimental investigation of floating wind turbine

Abstract

Floating offshore wind energy has great potential (which constitutes almost 80% of total offshore wind energy) to meet electricity demand of the world at the same time to reach net-zero emission goal by 2050. Floating offshore wind turbines (FOWT) are able to achieve highest capacity factor since local effects of the offshore terrains are lesser. Thus, it receives stronger and more stable wind. On the other hand, combined hydrodynamic and aerodynamic forces with 6 degrees of freedom (DoF) bring unsteadiness and there- fore, challenges on FOWT design. Furthermore, significant rotational motions, particu- larly pitch motion, lead the turbine to transient state which can not be simulated through conventional numerical tools. Therefore, to understand the dynamics of the FOWT, it is necessary to conduct experimental studies to obtain results by considering all the param- eters. The main aim of the thesis is to investigate the dynamic response of the FOWT under the extreme wind and wave conditions. A 1/40 Froude-scaled version of the Northel POYRA P36/300 mounted on the spar-type floating platform was developed by colleagues as a part of TUBITAK (217M451) project. In this thesis, experimental studies were car- ried out in the wave flume with a wind nozzle in the hydraulic laboratory of IZTECH Civil Engineering Department. Atmospheric boundary layer (ABL) was scaled, and in- struments of the experiment were calibrated to characterize wind nozzle and wave maker, which are vital to obtaining reliable results. The wind nozzle was designed based on experimental data to reproduce correct Froude-scaled ABL.

Toplam denizüstü rüzgar enerjisi potansiyelinin neredeyse \%80'ini oluşturan denizüstü yüzer rüzgar enerjisi, dünyanın elektrik talebini karşılama ve 2050 yılı için sıfır emisyon hedefine ulaşmada büyük potansiyele sahiptir. Denizüstü bölgelerde arazilerin lokal özelliklerinin rüzgara negatif etkisi çok az olduğundan daha güçlü ve stabil rüzgar vardır. Bu yüzden denizüstü yüzer rüzgar türbinleri (YRT) en yüksek kapasite faktörüne erişebilmektedir. Diğer taraftan aerodinamik ve hidrodinamik kuvvetler YRT'nin 6 serbestlik derecesi ile birleşerek sistemi zamana duyarlı hale getirmektedir. Kuvvetler türbin üzerindeki ivmeyi indükleyerek sistemin salımına sebep olur. Türbinin maruz kaldığı bu salınım ,özellikle kanat-iz etkileşimi sırasında, kolay bir şekilde kararsız hale gelmektedir. Bu durum ekstrem koşullar altında daha ciddi yaşanmaktadır. Yunuslama hareketi gibi önemli ölçüde yaşanan açısal hareketler, sistemi türbin ve pervane arasında geçiş durumuna zorlamaktadır. Bu geçiş durumu mevcut sayısal araçlarla modellenememektedir. Bu yüzden YRT dinamiğini anlamak için tüm parametrelerin ele alındığı deneysel çalışma yapılması gerekmektedir. Bu tezin ana amacı ekstrem rüzgar ve dalga koşulları altında YRT dinamik davranışını deneysel olarak incelemektir. TÜBİTAK (217M451) projesinin bir parçası olarak Northel POYRA P36/300 referans türbini ile spar-tip yüzer platformun 1/40 Froude ölçekli tasarımı ve üretimi çalışma arkadaşlarım tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu tezde, deneysel çalışmalar İYTE İnşaat Mühendisliği Bölümünde bulunan dalga kanalı ve rüzgar nozul'u kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Atmosferik sınır tabaka, IEC standardı ve Froude benzerliğine bağlı kalınarak ölçeklendirilmiştir. Rüzgar nozul'u ve dalga yapıcı'nın karakterize edilmesi doğru sonuç alınması konusunda büyük önem taşımaktadır. Deneyde kullanılan sensörler bu karakterizasyonu en doğru şekilde yapabilmek için kalibre edilmiştir. Gerçek boyutlardaki YRT sisteminin dinamiğinin anlaşılabilmesi için çeşitli koşullar altında testler uygulanmıştır.