Innovativt forankringssystem for flytende vindturbiner

Abstract

I dette prosjektet har det blitt undersøkt mulighetene for å kunne begrense maksimale laster i forankringslinene til flytende vindturbiner. De maksimale lastene vil kun inntre i situasjoner med ekstremvær, som ved 50- og 100-årsstorm. Oppgaven har tatt utgangspunkt i den halvt nedsenkbare vindturbinen OO Star Wind Floater, som er designet av Dr.techn. Olav Olsen AS. I 2013-2015 ble dette designet undersøkt i Norges Forskningsråds RENERGIX-program, hvor det blant annet ble gjort et parameterstudie for å undersøke belastningen på forankringssystemet. Her ble det blant annet studert ULS-tilfeller basert på 100-årsstorm. Et utvalg av ULS-tilfellene fra RENERGIX-prosjektet har blitt brukt i denne oppgaven, som utgangspunkt for egne simuleringer av OO Star Wind Floater. Simuleringer har blitt utført med 3DFloat, som er et aero-hydro-servo-elastisk simuleringsverktøy. Ekstremværet har blitt modellert med blant annet turbulent vind og irregulære bølger ut ifra JONSWAP-spektrum. For to av de studerte ULS-tilfellene har den signifikante bølgehøyden blitt satt til 10.5 meter. Maksimal kraft i den mest utsatte forankringslinen har da blitt simulert til å være over 10 500 kN. En ny komponent i 3DFloat, kalt Force Limiter, har blitt modellert av Professor Tor Anders Nygaard. Denne har til hensikt å begrense lastene i forankringslinene til en egendefinert verdi (fxmax). Simuleringer er utført med den nye komponenten implementert, og det er valgt å «kutte» kreftene i forankringslinene ved forskjellige verdier mellom 5 000 kN og 9 000 kN. Dette med mål om å finne slaglengder og slaghastigheter. Ved å begrense linekreftene til 7 000 kN vil slaglengden bli rundt 4.5 meter og slaghastighetene vil ligge under 2.5 m/s. Det er funnet ut at teknologien for passive hivkompensatorer (PHC) kan være egnet for å redusere dynamiske laster i forankringslinene. Norske PHC-produsenter, som Cranemaster/Ernst-B. Johansen AS og Safelink AS, kan lage enheter for demping av dynamiske krefter av samme størrelsesorden som gjelder for forankringslinene i dette prosjektet. For å kunne designe enhetene slik at de passer formålet vil det kreves et mer grundig arbeid, med simuleringer av ekstremlastsituasjonen i PHC-produsentenes spesialutviklede dataprogrammer.

This project investigates the possibilities of limiting the maximum loads in mooring lines for floating offshore wind turbines during extreme conditions. The maximum loads would only occur in situations of extreme weather, such as a 50- or 100-year storm. The project is based on the semi-submersible wind turbine OO Star Wind Floater, which was designed by Dr.techn. Olav Olsen AS. In 2013-2015 the design was examined in the Research Council of Norway’s RENERGIX programme, where amongst others a parameter study was conducted to look at the loads on the mooring system. This included studying ULS cases in the event of a 100-year storm. A selection of ULS cases from the RENERGIX project has been used in this project as a basis or simulations of the OO Star Wind Floater. Simulations have been conducted with 3DFloat, an aero-hydro-servo-elastic simulation tool. The extreme weather was modelled with amongst others turbulent winds and irregular waves based on the JONSWAP spectrum. For two of the ULS cases, the significant wave height was set to 10.5 metres. Maximum force in the most exposed mooring line was simulated to being above 10 500 kN. A new component in 3DFloat called Force Limiter has been modelled by Professor Tor Anders Nygaard, with the purpose of limiting the loads in the mooring lines to a chosen value (fxmax). Simulations in this project are carried out with the new component implemented and it was decided to limit the forces in the mooring lines at different values between 5000 kN and 9000 kN. The aim of this was to identify stroke lengths and stroke velocities. For example, by limiting the line forces to 7000 kN the stroke length proved to be around 4.5 metres and the stroke velocity was below 2.5 metres per second. The technology and functionality of passive heave compensators (PHC) could be suitable for reducing dynamic loads in the mooring lines. Norwegian PHC companies, such as Cranemaster/Ernst-B. Johansen AS and Safelink AS, could produce units for reducing dynamic loads in the same magnitude that applies to the mooring lines in this project. In order to design the PHC units to fit the purpose, more thorough analysis will be required, including the simulation of the extreme load case in the PHC companies’ specially developed computer programs.