Demonstration of a Standalone, Descriptive, and Predictive Digital Twin of a Floating Offshore Wind Turbine

Digital Twins bring several benefits for planning, operation, and maintenance of remote offshore assets. In this work, we explain the digital twin concept and the capability level scale in the context of wind energy. Furthermore, we demonstrate a standalone digital twin, a descriptive digital twin, and a prescriptive digital twin of an operational floating offshore wind turbine. The standalone digital twin consists of the virtual representation of the wind turbine and its operating environment. While at this level the digital twin does not evolve with the physical turbine, it can be used during the planning-, design-, and construction phases. At the next level, the descriptive digital twin is built upon the standalone digital twin by enhancing the latter with real data from the turbine. All the data is visualized in virtual reality for informed decision-making. Besides being used for data bundling and visualization, the descriptive digital twin forms the basis for diagnostic, predictive, prescriptive, and autonomous tools. A predictive digital twin is created through the use of weather forecasts, neural networks, and transfer learning. Finally, digital twin technology is discussed in a much wider context of ocean engineering

DMD as a substitute for Computational Fluid Dynamics for wind parks.

I et globalt perspektiv øker etterspørselen etter energi, og kombinert med problemstillingen rundt global oppvarming er fornybare energikilder et attraktivt alternativ. Et eksempel på en slik kilde er vindkraft, men dagens teknologi er langt fra perfeksjonert. Effektiviteten til nye vindparker vil kunne bedres hvis Computational Fluid Dynamics (CFD) benyttes i større grad, men dette forbigås ofte grunnet hvor tidkrevende det er og kravene til maskinkraft. I denne tesen benyttes Dynamic Mode Decomposition (DMD) som et effektivt alternativ til CFD-analyseverktøyet OpenFOAM. Undersøkelsen ble gjort ved å utføre DMD på totalt seks forskjellige CFD-simuleringer. Simuleringer ble utført på tre turbinoppsett ved to hastigheter: først en enkelt turbin, deretter to turbiner i tandem, og til slutt en approksimasjon av tre av turbinene i parken Hywind Scotland. DMD ble utført på simuleringene og interpolert for å danne et vurderingsgrunnlag for sammenlikning mellom DMD og CFD. De rekonstruerte systemene ble analysert ved å finne den gjennomsnittlige- og høyeste feilmarginen. Hver rekonstruksjon ble undersøkt i XY-, XZ- og YZ-planet på tidspunktet med maksimal feilmargin. For å undersøke konsekvensene for produsert effekt ble vindhastigheter på turbinlokasjonene undersøkt. Resultatene oppnådd indikerer en direkte sammenheng mellom en simulerings kompleksitet og rekonstruksjonens feilmargin. Dette var tilfellet både for vindhastigheter og produsert effekt ved turbinene. Simuleringene med to turbiner hadde en total feilmargin på omtrent 4%, sammenliknet med 2% for simuleringene som kun inkluderte en turbin. Simuleringene med tre turbiner hadde en total feilmargin på cirka 2.5%. Denne reduksjonen skyldes imidlertid en økning i simuleringsvolum hvor strømningen i et betydelig område er uforstyrret. Rekonstruksjonen med høyest effekt-presisjon for èn turbin hadde en feilmargin på under 1%. Rekonstruksjonen med det høyeste avviket for produsert effekt hadde et avvik ved en av turbinene på alarmerende 49.62%. Gitt en rekonstruksjon med akseptabel feilmargin blir tidsbesparelsene enorme. Tiden brukt på å lage en OpenFOAM-simulering var mellom 12 og 24 timer. En enkelt OpenFOAM-simulering er nødvendig for å produsere DMD-rekonstruksjoner. Prosessen å lage rekonstruksjonen fra strømningsdataen tok omtrent 50 minutter for den mest tidkrevende rekonstruksjonen i denne tesen. Å utvide DMD videre til enda en ny hastighet ble gjennomført på 19.31 sekunder i det mest omfattende tilfellet. Betydningen av funnene i denne tesen er ikke kategorisk konklusive, ettersom det er nødvendig å gjennomføre justeringer av simuleringene for å tilnærme seg realistiske vindforhold. Ytterligere testing er nødvendig for å verifisere DMDs begrensninger ved implementering i vindenergisektoren