Bunnfaste offshore vindmøller : En kvantitativ vurdering av alternative konsepter

Abstract

Økende fokus på grønn energi har gjort at fokuset på vindmøller har økt betraktelig de siste årene. Store åpne havområder gjør at Norge har et stort potensial til utnytte denne natur-ressursen. Lite litteratur finnes på området om hvordan kjente bunnfaste offshore-fundamenter blir påvirket av det krevende klimaet Nordsjøen medbringer. Denne oppgaven har gått ut på å undersøke eksisterende bunnfaste offshore fundamenteringsløsninger og se hvordan egenskapene og økonomien ved disse konseptene endrer seg når man plasserer dem på økende dybder opptil 60 meter, med lasttilfeller gitt i DNV-OS-J101 for klimaet i Nordsjøen. Effekten ved økende turbinstørrelse er tatt med da beregninger for turbinstørrelsene 2.5 MW, 5 MW og 10 MW er gjort.

I denne oppgaven er det valgt å se nøyere på gravitasjonsfundament og tri-pile-fundament og beregninger for disse to konseptene er gjennomført. Bølgelaster på fundamentene er beregnet etter lineær bølgeteori ved hjelp av Morisons' ligning for vertikale staver. Dette er gjort ved å utvikle et regneark hvor bølgelaster for ulike diametere og lasttilfeller kan finnes. Regnearket er også utviklet slik at statiske vindlaster for de tre vindturbinkapasitetene blir beregnet og en dimensjonering for en vertikal stav kan gjennomføres. De ulike konseptene blir modellert i 3D rammeanalyse-programmet Novafame, hvor egenverdianalyser, dynamisk stokastisk-vindanalyse etter Kaimal-spekteret, og beregning av dimensjonere lastvirkninger blir funnet. Dimensjonerende krefter blir implementert i regnearket hvor dimensjonering etter von Mises flyt-spenningskriterium og knekkingsberegninger etter DNV-RP-C202 \<<Buckling Strength of shells>> blir gjennomført for tri-pile-fundamentet. For gravitasjonsfundamentet inkluderer regnearket spenningsberegninger, kontroll mot velting, slankhetskontroll og beregning av skjærkraftkapasitet. Beregningene blir gjort i bruddgrensetilstand. Utmattingstilstand er ikke blitt beregnet.

Resultatene blir fremstilt og sammenlignet med konseptene jacket og monopel, som er undersøkt av Føreland. S i hans masteroppgave, og en total sammenligning av de fire konseptene blir gjennomført.

Resultatene har vist at tri-pile-fundamentet ikke er konkurransedyktig da vekt av konstruksjonen blir svært høy. Gravitasjonsfundamentet viser gode egenskaper og blir den mest gunstige fundamenteringsløsningen for dybdene 50 og 60 meter. Monopel er det konseptet som totalt kommer best ut med hensyn på pris fra 20 til 40 meter, men forskyvningene er deretter store.

The increasing focus on renewable energy has made wind-power more highlighted and the focus on this has increased considerably over the past years. Large open seas give Norway a great potential to exploit this natural resource. Little literature exists on the area about how well-known fixed offshore foundations are affected by the difficult climate the North Sea bring. This thesis has gone on to examine existing fixed offshore foundation solutions and see how the properties and the economy of these concepts are changing with increasing water depths from 20 of 60 meters and with load cases given in DNV-OS-J101 for the climate in the North Sea. The effect of increasing turbine size is taken into account when the calculations for turbine sizes of 2.5 MW, 5 MW and 10 MW have been done.

This thesis examines gravity-based foundations and tri-pile foundations, where calculations for these two concepts are done. Wave loads on the foundations are calculated according to linear wave theory using Morison' equation for vertical columns. This is done by developing a spreadsheet where the wave loads for various diameters and load cases can be found. The spreadsheet is also designed so that static wind loads for the three wind-turbine capacities are calculated and a design for a vertical column can be implemented. The different concepts are modeled in a 3D frame analysis program Novaframe, where eigenvalue analysis, dynamic stochastic -wind analysis by the Kaimal spectrum, and design load-effects are performed.

Design loads has then been implemented in the spreadsheet where design of the cross-sections with respect to von Mises yield criterion, and buckling calculations according to DNV-RP-C202 <<Buckling Strength of Shells>> is carried out for the tri-pile-foundation. For the gravity based foundation the spreadsheet includes design load calculations, control against overturning, slendernesscontrol and calculation of shear capacity. The calculations are made in the ultimate limit state and fatigue has not been calculated. The results are presented and compared with the concepts investigated by Føreland. S in his thesis, which is jacket and monopole-foundations, and an overall comparison of the four concepts are presented.

The results have shown that the tri-pile-foundation is not competitive because of the weight of the structures. Gravity-based foundations are shown to have good properties and are the most favorable foundation solution for the depths of 50 and 60 meters. Monopile is the concept that in total comes out best in terms of price, from 20 to 40 meters, but the displacements of the foundation are large.