Analyser av interaksjonen mellom pæle og havbunn for en offshore vindturbin med monopæle fundament

Abstract

Studien har vært en fortsettelse av fjorårsstudien til Steffen Aasen (2016), og har vært en del av REDWIN-prosjektet. REDWIN-prosjektet har som mål å redusere de høye kostnadene i offshore vindindustrien gjennom å ta i bruk bedre jordmodeller.

Det har blitt brukt National Renewable Energy Labratory (NREL) sin 5 MW vindturbin og de samme karakteristikkene for havbunnen som i Offshore Code Collaboration (OC3)-prosjektet. I simuleringene ble det brukt det samme komprimerte diagrammet som i UpWind-prosjektet (Fisher et al. 2010), og utmattingsberegningene ble utført med Miner Palmgren.

Fire forskjellige jordmodeller ble undersøkt for å se på effekten av demping i havbunnen. Modell 1 bruker kun en enkel stivhetsmatrise på havbunnen som ble utviklet av Passon (2006) for OC3-prosjektet. Modell 2 brukte den samme stivhetsmatrisen som Modell 1, men brukte også en rotasjonsfjær for å få med demping fra havbunnen. Modell 3 har blitt utviklet av NGI for REDWIN-prosjektet og er en kinetisk fastningsmodell. Modell 4 bruker p-y metoden som er industristandarden i dag.

Studien har utført åtte simuleringer med jordmodellene uten retningsforskjell for å undersøke usikkerheten fra simuleringer med ulike bølgerealiseringer. Resultatene indikerte at delskaden synker med en økende demping fra havbunnen, spesielt i tilfeller hvor vindturbinen er parkert. Dette støtte under resultatene til Steffen Aasen. Mer demping fra havbunnen førte til mer stabile resultater med en mindre usikkerhet i den totale delskaden. Resultatene indikerte at mellom fem til åtte simuleringer var tilstrekkelig.

Det har blitt sett på effekten av å simulere med en retningsforskjell mellom vind og bølger. Delskaden på monopælen og bunnen av tårnet var nesten den samme for en retningsforskjell opp til 30 grader, noe som kan begrunnes med at delskaden fordeler seg mer i tverrsnittet. En retningsforskjell på 60 og 90 grader førte til en betydelig større delskade. For monopælen økte delskaden med henholdsvis 67,2 % og 130,5 % i forhold til uten retningsforskjell. For bunnen av tårnet økte delskaden med henholdsvis 120,7 % og 228,1 % i forhold til uten retningsforskjell. For tilfellene der vindturbinen er parkert har retningsforskjellen liten effekt på delskaden. Dette kan forklares ved at det er lite aerodynamisk demping i disse tilfellene.

Modell 3 er en ikke-lineær modell og kan derfor gi feil respons fra havbunnen når belastningen ikke kommer fra 0 grader på vindturbinen. En følsomhetsanalyse av denne modellen indikerte at den største feilen ved bruk av modellen fås når belastningene kommer fra 45 grader. Dette førte til maksimum feil på 4,1 %, 9,0 % og 2,3 % for henholdsvis monopælen, bunnen av tårnet og toppen av tårnet. For bladroten ga den ingen feil. Dette kan forklares med at de aerodynamiske kreftene dominerer og demping fra havbunnen betyr lite for delskaden her.

This study is a continuation of last year’s masterthesis done by Steffen Aasen, and has been part of the REDWIN project. The REDWIN project was started due to high-cost in the offshore wind industry, and the goal is to reduce cost through a better soil-pile interaction model. A better soil-pile interaction model will give a more realistic response from the soil, which lead to a more optimally design and increased lifetime.