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. Denne masteroppgaven omfatter offshore vindturbiner, og de værmessige for- holdene 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 nøkkelom- råder 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. Designet av vindturbinene tok utgangspunkt i en referanseturbin, utviklet av NREL, i størrelsesorden 5 MW. De to vindturbinkonseptene som ble analysert er: en bunnfast vindturbin med monopel fundament og en flytende kjedelinjefortøyd vindturbin. Disse vindtur- binene ble simulert i FEM-programmet FAST, ved ulike værmessige forhold som kan oppstå i Nordsjøen. Den bunnfaste vindturbinen ble analysert i både tids- og frekvensdomenet. Resultatene fra den bunnfaste vindturbinen viste at den bølgeinduserte lasten hadde lite å si på vindturbinens dynamiske respons, så lenge vindturbinen var i drift. Bølgelasten hadde mer å si ved ekstremvær, da vindturbinen var i nedstengt modus. Dette kommer av bladvridningen til rotor- bladene. Ved ekstremvær er bladene vridd slik at de ligger parallellt med vinden (feathered). På grunn av den aerodynamiske formen på bladet vil da vinden gli lett over bladene, og det blir lite vindindusert last. Bølgelasten ble derfor den dominerende ytre lasten ved ekstremvær. Den flytende vindturbinen ble kun analysert i tidsdomenet, da ikke-lineære effekter gjorde det vanskelig å gjøre en frekvensanalyse. Resultatene viste, blant annet, at fundamentets forskyvning (drift i havet) var på det meste omtrent 15 meter ved en normal værtilstand.

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 be- haviour 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 5MW reference turbine developed by NREL, is analysed for their dynamic response in this thesis. The two wind turbine concepts are: a bottom-mounted monopile wind turbine and a floating catenary-moored spar wind turbine. They were simulated in the FEM-program FAST in different environmental conditions that can occur in the Northern sea. The bottom-mounted wind turbine was analysed in both time- and frequency domain. The results from the bottom mounted turbine showed that the wave induced loads had little impact on the dynamic response as long as the wind turbine was in operating mode. The wave induced loads had more impact in extreme weather, when the turbine was in parked (survival) mode. This is because of the blade-pitching. In extreme weather conditions the rotor blades are placed in feathered position, and the wind loads becomes minimal because of the aerodynamic shape of the blades. Thus, the wave loads becomes the dominant environmental load in extreme weather conditions. The analysis of the floating wind turbine was done in the time domain and not in the frequency domain, because of the non-linear effects that occurs. The results showed, among other results, that the wind turbine had a drift in the ocean about around 15 meters in normal environmental conditions.