Wave generation and analysis in the laboratory wave channel to conduct experiments on the numerically modeled spar type floating wind turbine

Abstract

The oceans offer immense potential for harvesting sustainable wind energy, with stronger and steadier winds for locations further offshore. Since the feasibility of fixed-bottom offshore wind turbines decreases with increasing water depth, floating offshore wind turbines (FOWT) becomes a promising field of study. As part of a TÜBİTAK project (217M451) that investigates the dynamic performance of different FOWT designs under wind and wave loads, the necessary laboratory wave generation, analysis, and test set-up to conduct physical model experiments of a spar-type FOWT model is established in this study. An investigation of the wavemaker theory yielded that using first-order wavemaker solutions in the laboratory leads to the generation of spurious harmonic waves that do not appear in natural waves. Therefore, the second-order solutions are applied to the piston-type wave generator for a closer approximation of natural waves in laboratory conditions. A numerical model investigation of a reference spar-type FOWT is conducted to gain insights into spar design using ANSYS AQWA. The results indicate that the spar model dynamic responses are susceptible to low-frequency waves in pitch and surge degrees of freedom as its natural frequency lies in that region which further emphasizes the importance of generating laboratory waves using second-order wavemaker theory. Additionally, a spar-type floating platform is modeled at the 1/40 Froude scale, to use in the hydraulic model experiments. The wave measurement set-up is fully implemented and theoretically generated waves are measured for validation. In conclusion, regular and irregular wave generation and wave analysis in the time and the frequency domain could be possible in the wave channel of IZTECH Civil Engineering Hydraulic Laboratory.

Açık denizler karaya kıyasla daha yüksek ve sürekli rüzgar profilleri göstermesi ile sürdürebilir rüzgar enerjisi sektöründe yükselişini sürdürmektedir. Sabit tabanlı açık deniz rüzgar türbinlerinin enerji potansiyelinin daha yüksek olduğu karadan uzak ve derin bölgelerde elverişsiz olması ile yüzer rüzgar türbinlerinin önemi artmaktadır. Bu çalışmada 217M451 kodlu TÜBİTAK projesi kapsamında sayısal modellemesi yapılmış spar tipi bir yüzer rüzgar türbinin fiziksel deneylerini gerçekleştirmek amacıyla İYTE Hidrolik Laboratuvarındaki dalga kanalına yerleştirilmiş piston tipi dalga üretecinin doğradaki düzensiz dalgalara benzer dalga serileri üretmesi sağlanmıştır. Teorik bir spektruma uygun rastgele dalga zaman serileri oluşturulup bu dalgaları laboratuvar dalga kanalında elde etmek için gereken zamana bağlı dalga pedalı konumları ikinci mertebe transfer fonksyonları ile hesaplanmış, pedal hareketiyle oluşturulan dalgalar kanala yerleştirilen dalga ölçerler yardımıyla okunmuştur. Oluşturulan teorik dalgalar matematiksel analiz yöntemleri ile ve dalga üretecinin ürettiği dalgalar laboratouvar ölçümleri ile doğrulanmıştır. Ayrıca spar tipi bir platformun ANSYS AQWA programında nümerik modellenmesi yapılmış, düşük frekanslı dalgaların platform tepkilerine yüksek ölçüde etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Proje kapsamında incelenecek olan spar tipi yüzer rüzgar türbinin platformu, 1:40 Froude ölçeği kullanarak modellenmiş ve imal edilmiştir. Sonuç olarak İYTE Hidrolik Laboratuvarı dalga kanalında ikinci dereceden düzenli ve düzensiz dalgalar üretilmiş, kullanılan metodlar doğrulanmış ve fiziksel model deneyleri için gerekli hazırlıklar tamamlanmıştır.