Mooring Systems For Floating Wind Turbine Farms In Deep Water

Abstract

Verdas energibehov aukar stadig, samtidig som global oppvarming og stigande temperaturar truar klima og miljø. Fornybare energikjelder må derfor utviklast. Havvind er ein veksande teknologi som kan bidra til å løyse denne utfordringa. Flytande vindturbinar kan bli brukt til å få tilgang til områder med store energipotensiale, då dei kan operere på djupt vatn. Optimalisering av forankringssystemet kan redusere den totale kostnaden til ein flytande vindturbin.

I forkant av forankringsdesign vart det gjort litteratursøk for å innhente informasjon kring oppførselen til ein flytande vindturbin med tilhøyrande forankringssystem, i tillegg til andre forankringssystem på djupt vatn. Vidare blei bakgrunnsteori for design av vindturbinar og forankring studert. Simuleringar av ein eksisterande modell, kalla OO-Star Wind Floater, blei gjennomført i dataprogrammet SIMA. Denne modellen var på 130 m havdjup og nytta vindturbinen DTU 10 MW Reference Trubine. Naturkreftene i simuleringane var basert pa kondisjonar frå eit interessant områade utanfor kysten av California.

På grunn av begrensa datakapasitet blei resultata frå desse simuleringane brukt til å lage ein forenkla modell av vindturbinen. Rotorblada blei bytta ut med vindkoeffisientar og andre mindre justeringar blei gjort for å redusere simuleringstida. Då samanlikninga av den opphavlege og den forenkla modellen gav tilsvarande resultat, kunne den forenkla modellen bli brukt når dei nye forankringssystema på 700 m havdjup skulle testast. To forankringssystem til éin vindturbin, i tillegg til eit forankringssystem med ei delt forankringsline mellom to turbinar, blei foreslått. Desse systema blei simulert i ulike operasjonelle og ekstreme kondisjonar og resultata blei samanlikna og diskutert.

Ein av utfordringane ved forankring av vindturbinar på djupt vatn var nødvendigheita av lange ankerliner. Likevel blei den estimerte totale kostnaden av desse systema redusert samanlikna med eit kjettingsystem på 130 m havdjup fordi polyester blei nytta som linemateriale. Samtlege designa forankringssystem bestod testane gjennomført i ekstreme kondisjonar, basert på standardar frå DNV GL. Resultata viste at både dei horisontale bevegelsane til vindturbinane, og spenningane i ankerlinene var innanfor sine respektive restriksjonane.

Resultata frå simuleringane av forankringssystemet med ei delt line mellom to turbinar gav dei største utslaga på horisontal bevegelse og linespenning. På grunn av utfordringar med kopla bevegelsar var det vanskeleg å finne gode dimensjonar på den delte lina. Dette er ein av fleire anbefalte forbetringar som bør undersøkast nærmare ved vidare studie av dette prosjektet.

The worldwide energy demand is rapidly increasing. Simultaneously, global warming and increasing temperatures threaten the environment. Therefore, renewable energy sources must be developed. Offshore wind energy is a growing technology and can be part of the solution to this problem. Floating offshore wind turbines can be used to access areas with great potential, as they can operate at large water depths. By optimizing the mooring system, the total cost of a floating offshore wind turbine can be reduced.

Before designing new mooring systems, a literature review was done to acquire information about the behavior of floating offshore wind turbines and their mooring system, in addition to other mooring systems at deep water. The theory regarding wind turbine and anchor design was also studied. Simulations of an existing model called OO-Star Wind Floater was performed in SIMA. This model was designed at 130 m water depth with the wind turbine DTU 10 MW Reference Turbine. The environmental forces in the simulations were based on conditions in an interesting area outside the coast of California.

Due to computational limitations, the results from these simulations were used to make a simplified model of the wind turbine. The rotor blades were substituted with wind coefficients, in addition to other minor adjustments, to reduce the simulation time. The comparison between the initial and the simplified model showed similar results. Therefore, the simplified model was used when testing the designed mooring systems at 700 m water depth. Two mooring systems of a single wind turbine, in addition to a mooring system with a shared mooring line between two turbines, were suggested. These systems were simulated in different operational and extreme conditions, and the results were compared and discussed.

When designing mooring systems of a wind turbine in deep water, long mooring lines are necessary. However, the total cost was estimated to be reduced compared to a chain mooring system at 130 m water depth because polyester was used as the mooring line material. All designed mooring systems passed the test simulated in extreme conditions based on standards from DNV GL. The results showed that the horizontal offsets of the wind turbines and the tension in the mooring lines were within their respective restrictions.

The simulation of the system with a shared mooring line resulted in the largest horizontal offsets and mooring line tension. The coupled motion of the system made it challenging to design the dimensions of this shared line. This is one of the recommended improvements if further study of this project is to be performed.