Seaquake Response of a Floating Wind Turbine

For å kunne utnytte tilgjengelige energiressurser tilknyttet havvind, utvikles flytende vindturbiner for å overkomme utfordringene relatert til vanndybde for bunnfaste turbiner. Gjennom det Horizon 2020 støttede LIFES50+ forskningsprogrammet, ble et plattform-konsept kalt "OO-Star Wind Floater" valgt ut som en kandidat for videre utvikling og full-skala testing. Plattform-konseptet er utviklet av Dr. techn. Olav Olsen (OO). I denne oppgaven er effektene på grunn av seismisk aktivitet i sjøbunnen på en flytende vindturbin og dets forankringssystem studert. I tillegg er responsen av et nytt og innovativt ankerdesign for flytende vindturbiner, på grunn av jordskjelv-eksitasjon i sjøbunnen, studert. Navnet på ankerdesignet er "OO-Anchor" og er også utviklet av OO. Vertikal jordskjelv-eksitasjon i sjøbunnen genererer trykkbølger i vann, som propagerer mot vannoverflaten. Propageringen av trykkbølger i vann i forbindelse med jordskjelv kalles et sjøskjelv. Spesifikke verdier for vanndybde, oseanografi og meteorologiske forhold brukt for modelleringen er hentet fra en LIFES50+ rapport, som beskriver forhold ved Gulf of Maine på østkysten av USA. Trykket som oppstår under et sjøskjelv blir bestemt ved hjelp av akustiske finite element (FE) modeller i Abaqus. Akselerasjoner målt under jordskjelvet Loma Prieta 18. Oktober 1989 i California blir brukt for alle studiene i oppgaven. Flere én-dimensjonale akustiske modeller utvikles og valideres mot tilsvarende analytiske løsninger. En to-dimensjonal akustisk FE modell utvikles, hvor plattformen til den flytende vindturbinen representeres av et fastholdt stivt legeme. Ingen kobling mellom bevegelsen til plattformen og trykket under bunnen av strukturen er tatt hensyn til i de akustiske modellene. Vertikale akselerasjoner er påført bunnen av de akustiske modellene, og trykket under plattformen blir hentet ut. Sjøskjelvlasten blir bestemt ved å integrere trykket over bunnen av plattformen. Lastene påføres deretter som konsentrerte krefter i en SIMA modell av vindturbinen, hvor kobling mellom plattform-bevegelsen og det omkringliggende vannet er inkludert. Sjøskjelvlasten i SIMA-modellen blir skalert, for å undersøke hvilke vertikale akselerasjons-amplituder ved sjøbunnen som gjør at effektene av sjøskjelvbelastningen på plattformen blir viktig for ulike komponenter av vindturbinen. Responsen på grunn av miljølaster som vind, strøm, og bølger blir også undersøkt og brukes som referanse for responsen under sjøskjelv. Betraktelige vertikale akselerasjoner kan oppstå i nacellen på grunn av amplifikasjon av plattform-akselerasjonene gjennom tårnet. Nacelle-akselerasjonene overskrider en vanlig operasjonell grense på 0.2-0.3g for alle betraktede skaleringer av vertikal akselerasjon ved sjøbunnen. Dette burde tas med i betraktning under dimensjonering av flytende vindturbiner i områder med høy seismisk aktivitet. Moderate spenninger oppstår i tårnet på grunn av sjøskjelv. Strekk i ankerliner, på grunn av plattformbevegelse under sjøskjelv, overskrider ikke dimensjonerende strekk basert på respons på grunn av store miljølaster. Ankerlinene opplever dog null strekk under sjøskjelv, som muligens kan føre til smell i enkelte kjetting-lekker. Ankerdesignet er studert med tanke på interaksjon mellom jord og struktur under et jordskjelv. Et utgangspunkt for geometrien til ankeret er foreslått av OO. Platetykkelser er bestemt basert på analyser som betrakter geostatiske spenninger, gitt av en Plaxis modell som inneholder strukturen og et generelt jordprofil, i tillegg til en dimensjonerende ankerlast anbefalt av OO. En modell for jord-struktur-interaksjon, som inneholder ankeret og jordprofilet, er etablert i Abaqus. Forskjellige alternativer for modellering av jorden og ankeret er undersøkt og validert mot teoretiske løsninger. Horisontale og vertikale akselerasjoner introduseres i bunnen av jordprofilet i modellen. De resulterende spenningene i ankeret og forskyvningene av jorden rundt strukturen er betraktet. Tilleggsspenningene på grunn av jordskjelv fører til overskridelse av kapasiteten til enkelte komponenter av ankeret. Forskyvningene og tøyningene i jorden viser at det er mulig at ankeret kan bli dratt ut av sjøbunnen i løpet av et jordskjelv. Disse resultatene tilsier at effekter på grunn av jordskjelv burde tas i betraktning for ankerets utforming