Numerical investigation of the hydrodynamic performance of a multi-column tension-leg-type floating wind turbine under effects of waves

Etude numérique de la performance hydrodynamique d'une turbine éolienne flottante à plusieurs colonnes en tension sous les effets des vagues

¹ MOE Key Laboratory of Hydrodynamics, School of NAOCE, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Email: hliu@sjtu.edu.cn
² Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, School of NAOCE, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Abstract

The wind energy resource is one feasible supplement for renewable energy developments. The abundant offshore wind resource is of growing interest for wind power generation. Considering the economics, the floating structure is an ideal choice for the sustaining foundation of offshore wind turbine in deep water region. In this paper, a numerical wave tank is established to investigate the hydrodynamic performance of a multi-column tension-leg-type floating wind turbine (WindStar). To validate the numerical model, wave loads and mooring loads on the floating structure and the corresponding dynamic responses for the cases of different relative angles of the wave direction and the symmetric line of the structure are computed and compared with the measured data of model experiments. Both numerical simulations and model tests show that the responses of surge and sway are critical to the stability of WindStar. The mean value of the maximum total forces on the lower pontoon is the biggest one among that on other components and that on center column is the smallest one. The maximum wave loads acting on the lower pontoon, front column and center column are not sensitive to the wave direction when the relative angle is smaller than 30 degree. The maximum value of the tensions is not uniform among that acting on the tethers. The tension of tether5 reaches the maximum value in the case of the relative wave direction is 30 degree. The computed results of the wave loads and dynamic responses of the offshore wind turbine in regular waves provide several basic criterions for the optimization of WindStar.

Résumé

La ressource de l'énergie éolienne est un complément possible pour les développements des énergies renouvelables. La ressource éolienne offshore abondante est d'un intérêt croissant pour la production d'énergie éolienne. Considérant l'économie, la structure flottante est un choix idéal pour les turbines éoliennes offshores dans les régions à eaux profondes. Dans ce paper, un model numérique d'un canal à houle est établie pour instiguer les performances hydrodynamiques d'une éolienne flottante à plusieurs flotteurs (WindStar).

Afin de valider le modèle numérique, les charges de vague et les charges d'amarrage sur la structure flottante et les réponses dynamiques correspondantes pour les cas de différents angles relatifs de la direction des ondes et la ligne symétrique de la structure sont calculées et comparées avec les données mesurées lors d'expériences. Des simulations numériques et des essais sur modèle montrent que les réponses en cavalement et en embardée sont essentielles pour la stabilité de l'éolienne Windstar. La valeur moyenne des forces maximales totales sur le ponton inférieur est le plus grand que ceux sur d'autres composants et que sur le centre est le plus petit. Les chargements maximum dues aux vagues agissant sur le ponton inférieur, les colonnes avant et centrale ne sont pas sensibles à la direction de la houle lorsque l'angle relatif est inférieur à 30 degrés. La valeur maximale de la tension n'est pas uniforme sur les différentes lignes d'encrages. La tension dans l'ancrage 5 atteint la valeur maximale dans le cas où la direction relative d'onde est de 30 degrés. Les chargements dus aux vagues ainsi que la réponse dynamique de l'éolienne offshore calculés en vagues régulières fournissent des critères de base pour l'optimisation de l'éolienne Windstar.