Mooring Concepts for Floating Wind Turbines - Numerical Simulations of Innovative Solutions

Abstract

Vindturbiner til havs er per dags dato sett på som en av de mest lovende fornybare energikildene. Havet består av store vanndyp hvor bunnfaste konstruksjoner ikke kan installeres. Ved å utvikle flytende havvind vil et langt større område på havet være tilgjengelig for å kunne installere vindturbiner. Olje og gass industrien har i flere tiår forankret store flytende konstruksjoner langt til havs, og dermed har denne industrien skaffet seg stor kunnskap og erfaringer om hvordan dette kan gjøres på en trygg måte. En av de største utfordringene til flytende vindturbiner er kostnaden av produsert energi sammenlignet med karbonbaserte energikilder, og forankringssystemet til en flytende vindturbin er en av de store kostnadsdriverne.

Denne oppgaven designer og simulerer seks forskjellige forankringskonsepter som kan bli brukt på en flytende vindturbin. Fem av disse forankringskonseptene bruker syntetiske forankringsliner. Syntetiske forankringsliner har historisk sett vært lite brukt på konstruksjoner som skal være stasjonær i mange år, derfor er de mekaniske egenskapene og dets tåleevne lite dokumentert. Denne oppgaven bruker både polyester tau og nylon tau som forankringsliner i de forskjellige konseptene. Simuleringene er gjennomført i programvaren SIMA, utviklet av Sintef for simuleringer av marine operasjoner.

Den underliggende teorien om kreftene og responsen til en flytende konstruksjon og dens forankringssystem er viktig å etablere for å kunne analysere resultatene på en god måte. Derfor vil værlaster, bevegelsesligninger og hvordan SIMA inkluderer teorien bli beskrevet i denne oppgaven.

Et forankringssystem som bruker kjetting og ståltau som forankringsliner er modellert og brukt som referansesystem for de andre konseptene. Tre forskjellige forankringskonsepter som bruker polyestertau som forankringsliner er modellert. Et polyestersystem er et stramt forankringssystem hvor stivheten til polyesterlinene er modellert basert på en lineær stivhetsmodell. Det andre polyestersystemet bruker den samme lineære stivhetemodellene som den forrige, men en oppdriftsbøye og en klumpvekt er festet til forankringslinene. Det tredje polyestersystemet bruker de samme oppdriftsbøyene og klumpvektene, men en ikke-lineær stivhetsmodell er brukt for å modellere stivheten til polyesterlinene. Til slutt blir to stramme forankringssystemer med nylon som forankringsliner modellert. Disse forankringslinene av nylon har samme dimensjon, begge bruker en lineær stivhetsmodell for å modellere stivheten til linene, men de har forskjellige stivhetsverdier.

Forankringskonseptene hvor oppdriftsbøye og klumpvekt er festet på linene viste gode resultater for å kunne bli benyttet som forankringssystem til en flytende vindturbin. Begge systemene viste lave linestrekk og de fikk en lav systemstivhet, noe som er fordelaktig for et forankringssystem. De stramme nylonsystemene viste også lave linestrekk og en lav systemstivhet. Problemet for de stramme systemene er at forankringslina som ligger i le for værretningen går i slakk for 50-årskondisjonen. Syntetiske fibertau har dårlige egenskaper mot slitasje, det er dermed uakseptabelt at linene går i slakk og legger seg på havbunn da friksjonen mellom havbunn vil skade de syntetiske tauene. En mulig løsning på dette problemet vil være å feste en oppdriftsbøye på den nedre enden av det syntetiske fibertauet.

Offshore wind energy is considered to be one of the most promising renewable energy sources in present day. Due to large water depths, one of the main objectives of building floating wind turbines (FWT) is to expand the areas of where the wind turbines can be installed. Oil and gas (O\&G) industry have for centuries had moored structures offshore and this industry has acquired a great knowledge and experience in these kinds of operations. One of the main challenges for offshore wind is the cost of energy produced compared to carbon based energy sources, and the mooring system of a FWT is one of the main cost drivers.

This thesis designs and simulate six different mooring concepts which can be used for a FWT. Five of these mooring concepts use synthetic fibre rope as mooring lines. Synthetic mooring lines are somewhat new and the mechanical properties and their capabilities are not well documented. This thesis will model both polyester and nylon mooring lines and use the state-of-art concepts to properly model them in a well known simulation software developed by Sintef called SIMA.

To have an underlying understanding of how the FWT and mooring system will behave, the underlying wave theory, equations of motion and how the software implements the theory are presented.

A reference mooring concept using well known chains and steel rope is modelled. Three different polyester mooring lines concepts are modelled; one polyester system is modelled by a linear stiffness model in a taut mooring system, the second polyester system also uses the linear stiffness model but it includes a buoy and a clump weight attached to the mooring line, and the third system uses the same buoy and clump weight system but a non-linear stiffness model is used to model the polyester lines. Lastly, two taut mooring concepts using nylon is proposed. Both are modelled with a linear stiffness model, but with different values of the stiffness.

The mooring concepts which use a buoy and clump weight show great promise for being used as mooring lines to a FWT. Both systems have low mooring line tensions, and have reasonably low stiffness which is an advantage for a mooring system. The taut mooring systems also show promise, but the leeward mooring line goes slack during the most severe weather condition. As synthetic fibre ropes have a low resistance to seabed friction, it is unacceptable for the mooring line to go slack. A possible solution to the taut systems would be to add a buoy at the lower end of the synthetic fibre rope to prevent it from sinking down to the seabed.