Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optimal Placement of FloatingTwo-Turbine Foundations in Offshore Wind Farms
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

This project is conducted in cooperation with Hexicon AB, which is a Swedish design and engineering company developing floating two-turbine platforms for offshore wind power.The study aims to investigate the optimal placement of Hexicon AB’s platforms in an offshore wind farm with respect to the Annual Energy Production (AEP). Wind farm layout optimization is a complex problem and it has been approached by the development of calculation and optimization programs in Matlab. The analytical Jensen wake model has been utilized for calculation of AEP and important inputs to the program have been turbine parameters and site specific conditions. The optimization strategy used is a multi-stage algorithm where the gradient-based local search algorithm Fmincon has been used in combination with a version of the heuristic genetic algorithm. The developed programs have been tested and evaluated through a case study. Included in the case study is also a brief financial evaluation regarding how different scenarios in electricity export price and costs for cabling could affect the feasibility of the optimized layouts.

Concluded from the project is that the developed programs can be used to investigate the optimal placement of floating two-turbine platforms with respect to AEP. In the case study it was found that the optimized layout obtained a wind farm efficiency of around 4% more than for the conventional staggered layout that was tested. What is also emphasized is that the feasibility of the optimized layouts obtained from the program is quite sensitive toward changes in future electricity export price and costs for cabling and installation. Hence, it is important to perform a careful financial analysis in order to draw conclusions regarding what layout is the better option for a specific situation.

Abstract [sv]

Dagens utbyggnad av vindkraft sker i allt större utsträckning genom etablering av vindkraftparker. De främsta fördelarna med att placera vindkraftverken i parker är att de höga fasta kostnaderna fördelas på flera kraftverk samt att man kan beställa ett flertal enheter samtidigt och därigenom minska kostnaden per installerad Megawatt (MW). För att ytterligare kunna öka vinsten på investeringen är det viktigt att undersöka optimal inbördes placering av vindkraftverken för att erhålla en så hög energiproduktion som möjligt. Det finns många studier gjorda inom området och ett flertal programvaror utvecklade. Dock finns det endast ett fåtal studier som har inriktat sig specifikt på flytande vindkraftverk. Detta arbete är utfört i samarbete med Hexicon AB, vilket är ett Stockholmsbaserat ingenjörsföretag som utvecklar en patenterad teknik för plattformar avsedda för flytande vindkraft. Det unika med Hexicon ABs patenterade teknik är att två vindkraftverk är placerade på en gemensam plattform. Denna teknik gör det möjligt för plattformen att anpassa sig till vindriktningen vilket ger en ökning av kraftverkens energiutbyte. Då det inte finns några utvecklade optimeringsmetoder för flytande plattformar som kan anpassa sig efter vindriktning är syftet för denna studie att undersöka den optimala inbördes placeringen av Hexicon ABs plattformar i en vindkraftpark. Eftersom vindkraftsoptimering är ett komplicerat problem som bland annat är icke-linjärt och icke-konvext så finns det ingen exakt lösning tillgänglig för problemet. Komplexiteten gör även många förenklingar och antaganden nödvändiga för att kunna bearbeta problemet.

I detta projekt har sambandet mellan årlig elproduktion och inbördes placering av plattformarna undersökts genom att ett kalkylerings- och optimeringsprogram utvecklats i programvaran Matlab. För att kunna undersöka den optimala inbördes placeringen av vindkraftverken är det viktigt att förstå hur vindkraftverken påverkas av att placeras tillsammans i en park. För att göra detta så behövs en modell för att beskriva den så kallade vaken som uppstår bakom respektive vindkraftverk. Detta gjordes genom att använda den analytiska Jensen vakmodellen, vilket är den vanligaste modellen att använda för optimeringssyften. Beräkningen av elproduktion gjordes baserat på given information angående turbinparametrar samt specifika förhållanden på platsen för vindparken.

För det utvecklade optimeringsprogrammet användes en tvåstegsalgoritm där den gradientbaserade algoritmen Fmincon utgjorde den centrala delen. Fmincon är en effektiv algoritm för lokal optimering som finns tillgänglig i Matlab. För att generera bra startgissningar till den lokala optimeringen användes en version av en heuristisk genetisk algoritm som komplement till Fmincon. Denna algoritm bygger på samma princip som processen för naturligt urval i evolutionssammanhang där de bäst lämpade individerna för vidare sina egenskaper till nästa generation. För att ytterligare förbättra algoritmen kompletterades den även med ett moment av slumpmässighet. För att testa och utvärdera de utvecklade programmen genomfördes en fallstudie. I denna studie optimerades 50 stycken olika heuristiska startgissningar. De 20 bäst presterande konfigurationerna valdes ut för vidare analys där de blev utvärderade med avseende på olika scenarion för elpris samt kostnad för elektrisk infrastruktur. Detta för att undersöka hur den optima placeringen eventuellt skulle kunna påverkas av osäkerheter i dessa faktorer.

Den genomförda fallstudien indikerade att de utvecklade programmen kan användas för att undersöka den inbördes optimala placeringen av vindkraftverk med avseende på elproduktion. Den ekonomiska utvärderingen indikerade även att den optimala placeringen var känslig för olika scenarion där elpris och kostnader för infrastruktur varierades och att detta kunde påverka lönsamheten för investeringen. Det ska därför betonas att det anses vara viktigt att utföra en mer noggrann ekonomisk utvärdering av de optimerade konfigurationerna för att undersöka vilken positionering som är mest lämplig för en viss situation.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , p. 101
Keywords [en]
Wind Power, Floating, Two-Turbine Platform, Optimization, AEP, WFLO
Keywords [sv]
Vindkraft, Flytande vindkraft, Tvåturbinsplattform, Optimering, Elproduktion
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-209833OAI: oai:DiVA.org:kth-209833DiVA, id: diva2:1114850
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-06-26 Created: 2017-06-26 Last updated: 2017-06-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3538 kB)164 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3538 kBChecksum SHA-512
b6a67310a59beb093c424739072ececc4299a8e51c3b59e59fe38e7dac1de4d159c2dedf7be607c9d52195bea17d1a8b99fb1fd0405ef53cc266badddb22ac05
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 164 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 382 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf