Dynamisk respons av vindturbiner plassert offshore

Abstract

Verden har stadig økende behov for energi, og for å få bærekraftige løsninger er det et ønske om at denne økningen skal bli dekket av fornybare energikilder, samt at eksisterende energiproduksjon fra fossile kilder blir byttet ut med fornybare. I den forbindelse er vindkraft blitt trukket frem som en viktig bidragsyter for produksjon av fornybar energi. I de siste årene har vindkraftindustrien begynt å se mot havet på grunn av det store vindpotensialet der.

I denne masteroppgaven omfatter offshore vindturbiner, og de værmessige forholdene de utsettes for. Det er derfor vist hvordan vind- og havoppførselen kan beskrives, samt hvordan værmessige laster kan beregnes på bakgrunn av disse værbeskrivelsene. Oppgaven tar for seg den dynamiske responsen til en offshore vindturbin, både bunnfast og flytende. Det er også forklart litt om nøkkelområder i den dynamiske responsen, som for eksempel strukturell resonans, noe som det bør tas hensyn til med tanke på vindturbinens funksjon og levetid. I tillegg er det utført en analyse av den dynamiske oppførselen til to forskjellige konsepter for vindturbiner. Utformingen av vindturbinene tok utgangspunkt i en referanseturbin, utviklet av NREL, i størrelsesorden 5\,MW.

Understellet på de to vindturbinkonseptene som er analysert, er forskjellig. Den ene har et fagverksfundament, mens den andre har et monopelfundament. Utenom dette er de to konseptene like. De dynamiske analysene ble utført i tidsplanet ved hjelp av elementprogrammet Comsol. Resultatene viste at for begge vindturbinene er vindlasten den mest betydningsfulle lasten når vindturbinen er drift. Ved vindhastigheter over driftsområdet til vindturbinene, viste det seg at bølgelasten betydde mer for vindturbinen med fagverksfundament enn det vindlasten gjorde. Dette var også tilfellet for vindturbinen med monopelfundament, men det var ikke like tydelig. Grunnen til at vindlasten betyr mest ved vindhastigheter innenfor drftsområdet og at bølgelasten betyr mest ved vindhastigheter over driftsområdet, er trolig at rotorbladenes kordeakse settes parallell med vindretningen når vindhastigheten blir for høy for kraftproduksjon. Dermed blir vindlasten på rotorskiven minimal når vindhastigheten overskrider et gitt nivå.

The world has an increasing demand for energy, and to achieve sustainable solutions there is a wish that this increase shall be covered with renewable energy sources. There is also a wish that existing energy production from fossil sources should be more and more replaced by renewable ones. Wind energy has been pointed out as an important contributor in the production of renewable energy. In recent years the wind energy industry has focused more towards the possibilities out in the ocean, because of the huge wind potential that exists there.

This Master Thesis deals with offshore wind turbines, and the environmental conditions they are exposed to. Futher more, it shows how wind- and sea behaviour kan be described, and how environmental loads are calculated on the basis of these environmental conditions. The thesis also describes the dynamic response of an offshore wind turbine, both bottom-mounted and floating. There are shown key areas in dynamic response that should be considered in terms of optimising the function and lifetime of the wind turbine. Two wind turbine concepts, that are based on a 5\,MW reference turbine developed by NREL, are analysed for their dynamic response in this thesis.

The foundation of the two wind turbine consepts are different, the first one has a jacket foundation while the other has a monopile foundation. Except for this difference the two concepts are alike. The dynamic analyses were carried out in the time domain by the finite element programme Comsol. The results showed that for both wind turbines the wind load is the most significant load when the wind turbines are running. By wind speed above production area, it appeared that the wave load was more important than the wind load for the wind turbine with jacket foudatioan. This was also the case for wind turbines with monopile foundation, but this was not so distinct. The reason why the wind load is more important by wind speed within the production area, and that the wave load is more important by wind speed above production area, is probably due to the fact that the airfoils' chord line is possitioned parallell with the wind direction when the wind speed becomes too high for power production. Consequently, the wind load on the actuater disc becomes minimal when the wind speed exceeds a given level.