Tower design for very large floating wind turbines

Flytende havvind kan utnytte vindpotensial på dypere vann og være en verdifull kilde til fornybar og ren energi. For at disse vindturbinene skal bli kostnadseffektive, er det nødvendig å oppskalere. Ved oppskalering kan viktigheten av belastninger og respons endres. Koblede aero-hydro-servo-elastiske simuleringer er nødvendig for bedre å forstå den komplekse dynamiske oppførselen. Denne masteroppgaven utforsker oppskalering av en flytende vindturbin. Den evaluerer resultatene av koblede analyser, og undersøker endring i naturlig periode, svingeform og utmattelsesskader ved ulike tårnmodifikasjoner. En litteraturstudie utføres innen aerodynamikk, hydrodynamikk og flytende vindturbin-dynamikk, for å forklare koblede simuleringer. Ulike typer oppskaleringsmetoder undersøkes. For oppskalering av turbinen blir egenvekten en begrensende faktor, da den skaleres med radius i tredje. Geometrisk oppskalering av flytere er ikke nødvendigvis det beste alternativet, og typisk utføres en parametrisk studie for å optimalisere designet. Store turbiner er sett å ha eksitasjonsfrekvenser som beveger seg mot bølgefrekvensområdet, og skaper mulige utfordringer med resonans. Andre utfordringer for oppskalering inkluderer produksjon, transport, testing og installasjonsfasiliteter, samt det faktum at den menneskelige skalaen forblir uendret. Den numeriske modellen av en 25 MW vindturbin er vellykket oppskalert basert på INO WINDMOOR 12 MW-plattformen og IEA 15 MW UMaine VolturnUS-S-tårnet og -turbinen. Modellen lages i sima og koblede aero-hydro-servo-elastiske analyser utføres. Det oppskalerte designet er stabilt og operativt under innledende testing. 25 MW turbinen har en nominell vindhastighet på 11 m/s, en maksimal skyvekraft på 3 MN og en gjennomsnittlig generatoreffekt på 26 MN. Det er videre funnet at 1P frekvensbåndet ligger i bølgefrekvensområdet, som har vist seg å være en av hovedutfordringene til store flytende vindturbiner. Fri bevegelsestester uten vind, med nominell vind og høyere enn nominell vind, bekrefter korrekt koblet oppførsel av vindturbinen. Vindturbintårnet viser seg å være i stiv-stiv området, og forenklede knekkingskontroller viser at det oppskalerte tårndesignet er stabilt når det gjelder global knekking. Regulære bølgetester bekrefter den naturlige perioden funnet fra fri bevegelsestest. Det gjennomføres en utmattelsesanalyse basert på miljøforhold fra det EU-finansierte prosjektet LIFES50+. Utmattelsesanalysen viser at den geometriske oppskaleringen av turbintårnet opplever utmattingssvikt før det har gått 20 år. To alternative tårndesign, design 2 og 3, er laget for å undersøke trendene i tårnets egenfrekvens, svingeform, og tretthetsskader. Endringene er begrenset til endring av diameter og tykkelse, mens alle andre parametere holdes konstante. For begge utformingene er det liten effekt på naturlige perioder for globale bevegelser, grunnet lave vektforskjeller. Den naturlige perioden for tårnbøying reduseres ettersom diameter- og tykkelsesmodifikasjonene gjør tårnet stivere. Det samme sees for svingeform, der bøyningen er mindre for de stivere tårndesignene. Design 2 har større diameter og redusert tykkelse. Den økte diameteren gir en mye bedre utmattingskapasitet og utmattelsesskadefordeling. Imidlertid opplever tårnet fortsatt svikt fra tretthet før 20 år. For design 3 økes diameteren ytterligere, men tykkelsen endres ikke. Diameteren endres i henhold til forholdet mellom diameter, spenning og utmattelsesskader. Design 3 har den beste tretthetsmotstanden av de tre designene. Tretthetsskaden er konstant langs 3/4 av tårnlengden, like over D=1. Selv om det er forbedret, er tretthetsskaden fortsatt >1, så design 3 av turbintårnet opplever også svikt fra utmatting. I tillegg, på grunn av den økte diameteren, kan tårnet også være utsatt for lokal knekking. Gjennom denne oppgaven vises det at ved oppskalering er en full geometrisk oppskalering ikke det beste alternativet. Det er imidlertid et godt utgangspunkt for designmodifikasjoner. Design 1 og 3 har omtrent samme mengde stål, men en annen fordeling av det og dermed en betydelig forskjell i utmattingsmotstand. En smartere fordeling av stålet viser seg å gi en bedre utnyttelse av materialet, uten å gi store påvirkninger på andre koblede aspekter av systemet. Mye tyder på at dersom flere designmodifikasjoner blir gjennomført, ville det være mulig å ende opp med et 25 MW tårndesign som tåler 20 år uten å oppleve utmatting eller lokal knekking