Tilbake til søkeresultatene

ENERGIX-Stort program energi

Advanced Wave and Wind Load Models for Floating Wind Turbine Mooring System Design

Alternativ tittel: Avanserte bølge- og vindlastmodeller for design av forankringssystem for flytende vindturbiner

Tildelt: kr 12,8 mill.

Vindparker til havs er en viktig og voksende andel av den fornybare energimiksen. Næringen opplever rask utvikling samtidig som den beveger seg fra grunt til dypere vann. Dette gir et økende behov for flytende teknologi. Imidlertid så koster flytende vindturbiner vesentlig mer enn bunnfaste turbiner, og det er nødvendig med ytterligere kostnadsreduksjoner og designforbedringer for å kunne vokse fra dagens nivå. Skrog- og forankringssystemet er viktige komponenter av flytende vind. Det er derfor viktig å undersøke potensialet for kostnadsreduksjon ved optimalisering av forankringssystem samt redusere usikkerheten knyttet til bølgelaster på skroget. Utforming av kostnadseffektive forankringssystemer for flytende vind er utfordrende for grunt vann - hvor det kan være nødvendig med hundrevis av meter kjetting på havbunnen for å overleve stormer, samt at robuste liner og anker er nødvendig for å holde plattformen på plass for å beskytte strømkabelen. I dypt vann er en annen utfordring at materialkostnaden blir høy pga det lange strekket ned til havbunnen. Nye forankringssystem, med nye materialer og innovative metoder for deling av ankre, eller til og med flyter-til-flyter fortøyning, krever pålitelige analysemetoder og god forståelse av designdrivere. WINDMOOR-prosjektet tar sikte på å øke forståelsen av designlaster fra vind, bølger og strøm - som alle er viktige drivere for forankringsdesign - samt vurderer nye systemer for vindparker på grunt og dypt vann. For å oppnå disse målene vil prosjektet kombinere avanserte beregningsmetoder, eksperimenter og forenklede metoder som kan brukes i design. Tidlig i prosjektet ble det etablert et referansedesign av en flytende vindturbin som skulle brukes som case-studie i prosjektet. Case-studiet ble etablert i tett samarbeid med industripartnerne der blant annet Equinor og Inocean bidro med design av et flytende understell som kan brukes åpent i prosjektet. Dette konseptet, kalt INO WINDMOOR FWT, består av en trekantformet halvt nedsenkbar plattform som er tilpasset en 12MW vindturbin. Selve vindturbinen, WINDMOOR 12MW, er en oppskalering av IEAs 10MW turbin, utført av SINTEF og NTNU sammen. INO WINDMOOR-konseptet ble testet i SINTEF's Ocean Basin tidlig i 2020. Disse modelltestene var viktige for å bestemme plattformens ytelse når den er eksponert for bølger og vind. Analyse av eksperimentelle data har gitt empirisk data for saktevarierende bølgebelastninger på skroget, noe som er viktig for design av forankringssystemet. For å redusere kostnader i forankringssystemer ble nye løsninger med syntetiske fibertau eller delt forankringskomponenter utforsket. Optimaliseringsalgoritmer ble brukt for design av forankringssystemet, men de krever raskere modeller enn tradisjonelle simuleringsverktøy. En forenklet modell ble utviklet og brukt i optimaliseringen, og den nylig implementerte Syrope-modellen, som beskriver stivheten til syntetiske fibertau mer nøyaktig, ble brukt i analysen av INO WINDMOOR FWT. Forbedringer i beregning av bølgeindusert saktevarierende last og respons er identifisert som et behov i designpraksis. Hydrodynamiske lasteffekter ble identifisert fra modelltester, og empiriske resultater ble brukt til å vurdere teoretiske og semi-empiriske formuleringer. Analysen viste viktigheten av å vurdere fulle kvadratiske transferfunksjoner (QTF) for bølgedriftslaster, nøyaktigheten til 2. ordens løsning uten fri overflate, og begrensningene til Pinkster-tilnærmingen. Effekter av bølge-strøm og viskøs bølgedriftseffekter ble også funnet å øke bølgebelastningene i ekstreme sjøtilstander. Semi-empiriske metoder ble implementert for å forbedre beregninger av bølgedriftslaster. Omfattende numeriske analyser med CFD (Computational Fluid Dynamics) har også blitt gjennomført for å identifisere lokale og globale hydrodynamiske krefter på skroget til INO WINDMOOR plattformen. Disse dataene er brukt til å kalibrere empiriske koeffisienter i Morisons lastmodell, som er en semi-empirisk modell for beregning av hydrodynamiske krefter på en konstruksjon i oscillerende strømning. De lavfrekvente bevegelsene til plattformen indusert av vind ble studert ved hjelp av vindfelt generert med high-fidelity metoder og syntetiske vindfelt generert basert på målinger. Atmosfærisk stabilitet, turbulensintensitet, vindskjær og koherens ble identifisert som viktige parametere for responsen til vindturbinen. Forskjellige modeller ble sammenlignet, og koherens ble funnet å være kritisk for vake-vandringen. Resultatene fra dette prosjektet kan bidra til fremskritt innen FWT-teknologi og bidra til å redusere kostnader i design og drift av flytende havvindparker.

WINDMOOR prosjekt har resultert i publiseringen av forskningsdata, som har blitt mye brukt i ulike forskningsprosjekter. Prosjektet har bidratt til fremskritt innen forankringsoptimalisering, forbedret forståelse av hydrodynamikk, økt forståelsen av vindfelt til havs med påvirkning fra turbinvaker, og utvikling av nye metoder for å forutsi belastninger og respons for flytende offshore vindturbiner. Resultatene fra prosjektet har potensial til å redusere usikkerheter i design, forbedre pålitelighet og redusere kostnader i havvindindustrien, samtidig som de bidrar til å redusere CO2-utslipp gjennom økt bruk av fornybar energi. Prosjektet har også generert et unikt datagrunnlag som kan brukes til validering i videre forskningsprosjekter, og erfaringene fra prosjektet forventes å påvirke fremtidige praksiser for modelltesting av flytende offshore vindturbiner.

In order to grow from its present nascent stage – several demonstration projects and one small commercial farm – the floating wind turbine (FWT) industry needs further cost reductions and design improvements, especially related to the hull and mooring system. This project aims to enable more efficient design of FWT farms by addressing several limitations of today’s global aero-hydro-servo-elastic analysis tools: - Synthetic fiber rope mooring components require adapted material models and analysis methods. Relevant material models have been implemented, but their consequences for design have not yet been studied, and a systematic investigation of design drivers for the mooring system at different depths is proposed. - The prediction of low-freq. hydrodynamics responses due to waves and currents, especially for semi-submersible type FWTs, using state-of-the-art tools, is not satisfactory. Alternative load and wave kinematic models, including application of computational fluid dynamics, will be studied and validated against new experimental tests. The new experimental tests will include quantification of the repeatability of low-frequency responses, systematic investigations of the effect of changing the platform pitch angle, and simultaneously inclusion of realistic aerodynamic loads. - The incoming wind field applied to a turbine is usually described based on spectral parameters for neutral atmospheric conditions, and only a single turbine is typically considered. The present project will address the consequences of accounting for atmospheric stability and dynamic wake meandering effects. - Simplified simulation methods which can account for shared mooring components in a farm configuration will be developed. This project aims to produce and disseminate results of academic and practical importance, leading to better understanding of the dynamics of FWT farms, and reduced uncertainties in design and analysis of the hull and mooring components is anticipated.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Budsjettformål:

ENERGIX-Stort program energi