Utmattelsesanalyse og utvikling av forankringssystem for en spar-type flytende vindturbin

Abstract

De energirike vindfeltene offshore er en ressurs som i liten grad er utnyttet. Derfor har utviklingen av offshore vindturbiner blitt satt i gang. Det har blitt utført flere analyser av disse vindturbinene, men kun i nyere tid har en dynamisk vakemodell blitt benyttet i analysene. På bakgrunn av dette vil det i denne oppgaven bli sett på effekten på levetiden hvor en dynamisk vakemodell er benyttet i simuleringer, hvor fokuset ligger på forankrings-linene til en flytende vindturbin av typen spar. Oppgaven tar for seg en fatigue limit state-analyse av OC3-Hywind flyteren og NREL 5MW vindturbinen, hvor vindturbinene har blitt plassert med tre forskjellige avstander på 6D, 8D og 10D bak vake-opprinnelsen, hvor D er rotordiameteren. Resultatene sammenlignes med en vind-turbin som står i et uforstyrret vindfelt. Resultatene viser at levetiden reduseres for turbinene som står i vaken sammenlignet med vindturbinen som står i et uforstyrret vindfelt. Det er spesielt deltalinene som tar skade av at vindturbinen står i vaken, da disse er sensitive for yaw-bevegelsen til turbinen. Standardavviket til yaw øker på det meste med 14,8% fra 0D til 6D. Andre del av oppgaven tar for seg muligheten for å utvikle et forankringssystem til NREL-Hywind, basert på polyester og nylon, for å kutte kostnader. Dette viste seg å være delvis vellykket, da stivheten i surge og sway ble opprettholdt, samtidig som alle linesegmentene overlevde en ultimate limit state-analyse. Den lave yaw-stivheten til polyester-nylon systemet, som førte til en yaw-rotasjon på opp mot 18°, er en usikkerhet som krever videre undersøkelse.

The wind fields offshore contain large amounts of unharvested energy. In recent times, the development of offshore wind turbines has progressed, in order to take advantage of this. Multiple analyses have been performed on the offshore wind turbines, but just recently has a dynamic wake meandering model been used. This thesis will investigate the effect of the implementation of the dynamic wake meandering model in simulations on the fatigue life of the mooring system for floating offshore wind turbines. The thesis includes a fatigue limit state analysis of the OC3-Hywind floater with the NREL 5MW wind turbine, where the wind turbines are placed with distances of 6D, 8D and 10D from the wake origin, where D is the diameter of the rotor. The results will be compared to a wind turbine placed in an undisturbed wind field. The results show that the fatigue life drops for the wind turbines placed in the wake, compared to the turbine placed in the undisturbed wind field. The delta lines are exsposed to the highest fatigue damage, due to being placed in the wake. The reason for this is that they are highly sensitive to the yaw-movements of the turbine. The highest increase in standard deviation of the yaw-movement is 14,8% from 0D to 6D. The second part of the thesis investigated the opportunity of developing a mooring system based on polyester and nylon for a spar-type wind turbine, with the intent to cut costs. The results show that it is possible, as the stiffness for surge and sway was maintained. The system was put through an ultimate limit state analysis, where none of the axial forces in the lines exceeded the allowed amount. The only drawback is the low yaw-stiffness, as the system had yaw-rotations upwards of 18°. This is within the allowed limits, but there should be some further investigations regardless.