Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.4498
Title: Optimization of floating current turbines
Language: English
Authors: Zeng, Chen 
Issue Date: 2022
Examination Date: 20-Jun-2022
Abstract (german): 
Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer schwimmenden Gezeitenströmungsturbine, die durch eine induzierte Bewegung die Leistungsabgabe bei Anströmbedingungen unterhalb der Nennlast verbessern kann. Die Bewegung wird durch die schwimmende Plattform induziert, auf der die Turbine montiert ist. In der Arbeit werden zwei Bewegungsmuster betrachtet: die oszillierende, translatorische Bewegung senkrecht zur Anströmrichtung sowie die Bewegung, die auf der durch das Halteseil definierten Kugeloberfläche fliegt.
Konzept: Aufgrund der unterschiedlichen Bewegungsmuster werden entsprechend zwei Plattformen entwickelt. Jede Plattform besteht aus einem Tragflügelsystem für den Bewegungsantrieb, einem Rumpf zur Aufnahme der Ausrüstung und einem Querruder-System zur Aufrechterhaltung des Kurses und zur Bereitstellung von Steuermomenten. Die hydrodynamischen Koeffizienten dieser Komponenten werden hauptsächlich aus analytischen und empirischen Gleichungen abgeleitet.
Als Turbinenmodell wird eine gegenläufige Tandemturbine verwendet, da sich die starken Wellendrehmomente der einzelnen Rotoren gegenseitig aufheben und die Tandemanordnung der Rotoren den Widerstand gegen die induzierte Bewegung verringert.
Methode: Für die Simulationen der gegenläufigen Tandemturbine wird der hauseigene Panel-Methodencode panMARE verwendet. Um zu verhindern, dass sich die Nachlaufpaneele des vorderen Rotors mit dem hinteren Rotor überschneiden, wird eine Multi-Solver-Methode zur Bewertung der Rotorinteraktionen angewendet.
Für die Durchführung dynamischer Simulationen wird ein System zur Berechnung von Bewegungsgleichungen entwickelt. Es wird ein Steuerungssystem entwickelt, um die Plattform auf einem definierten Kurs in allen Raumrichtungen zu manövrieren. Es wird ein Regler entwickelt, dessen Regelgesetz aus dem Integrator-Backstepping-Algorithmus unter Berücksichtigung eines konstanten Gezeitenstroms erweitert und mit einem Proportional-Differenzial-Regler (PD) verglichen wird. Die Ein- und Ausgänge der Regler werden bei der Implementierung an die gewünschten Euler-Winkel bzw. Momente angepasst. Zusätzlich zu den Reglern wurde ein einfaches Lenksystem entwickelt, das den nicht-intuitiven Euler-Winkel durch einen Kurswinkel als Eingabe ersetzt. Darüber hinaus versucht das Lenksystem, die Drift der Plattform zu reduzieren. Ergebnis der Simulation: Es werden dynamische Simulationen durchgeführt, um die Leistung der Plattformen zu überprüfen. Beide Plattformen können sowohl im stationären als auch im bewegten Zustand betrieben werden, wobei die Bewegung die Leistung erhöht. Die Plattform in fliegender Bewegung übertrifft die andere Plattform in Bezug auf statische Stabilität und Leistungsschwankungen. Beide Regler in der vorliegenden Arbeit sind in der Lage, die Leistung der Plattform zu verbessern. Der Backstepping-Regler weist eine geringere Regelabweichung auf, während der PD-Regler die Plattform auf einer glatten Flugbahn mit diskontinuierlicher Steuereingabe manövrieren kann. Die einfache Führung macht die Steuereingabe intuitiver und kann zusammen mit dem PD-Regler die Leistung des schwimmenden Gezeitenturbinensystems erheblich verbessern.
Abstract (english): 
This dissertation documents and explains the development and optimization of a floating-type tidal current turbine system that is capable to improve the power output in underrated inflow conditions by induced motion. The motion is induced by the floating platform on which the turbine is mounted. Two motion patterns are considered in the work: the one-dimensional sway motion and the motion flying on the spherical surface defined by the tether.

A tandem counter-rotating turbine is used as the turbine model. The in-house panel method code \textit{pan}MARE is applied to develop the full-scale turbine model and to derive the coefficients for the following dynamic simulations. And the interactions between the two tandem rotors in the turbine is simulated by the multi-solver method. Due to the different motion patterns, two platforms are developed accordingly. Each platform consists of a hydrofoil system for the motion drive, a hull to house equipment and a cross-form rudder system to maintain heading and provide control moments. The hydrodynamic coefficients of these components are derived primarily from analytical and empirical equations.

An equation of motion system is developed to carry out dynamic simulations. A control system is built to manoeuvre the platform for flying motion in 6-DOF. A controller is developed with the control law extended from the integrator backstepping algorithm with the consideration of a constant tidal current flow, which is compared with a proportional-derivative controller. The attitude of the platform is the objective of the controller, making the Euler angles the control input. On top of the controller, a simple guidance system was built, replacing the non-intuitive Euler angles with a heading angle as input. In addition, the guidance system tries to reduce the drift of the platform. After the control moments are given by the control law, the desired moments are converted into the deflection angles of the control surfaces by a control allocation system.

Dynamic simulations are carried out to validate the performance of the platforms. Both platforms are capable of operating in either stationary or induced motion conditions, and the motion does increase the power output. The platform in flying motion outperforms the other platform in terms of static stability and power fluctuations. The performance of the control system has also been verified.
URI: http://hdl.handle.net/11420/13268
DOI: 10.15480/882.4498
Institute: Fluiddynamik und Schiffstheorie M-8 
Document Type: Thesis
Thesis Type: Doctoral Thesis
Advisor: Abdel-Maksoud, Moustafa  
Referee: Düster, Alexander 
License: CC BY 4.0 (Attribution) CC BY 4.0 (Attribution)
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