Numerical Study for Single Blade Installation of an Offshore Wind Turbine

Abstract

Markedet for havvind vokser samtidig som størrelsen på vindmøllene øker. Effektiviteten til en vindturbin påvirkes av turbinstørrelsen og stabile vindforhold. En følge av dette vil være flere installasjoner av vindmøller lenger fra land og på dypere vanndyp. Selv om flytende løsninger vil komme, er teknologien ikke klar i dag, og markedet for bunnfaste vindturbiner vil fortsette å vokse. Større bunnfaste vindturbiner lenger fra land vil føre til tekniske utfordringer og økte utgifter. Derfor er valg av installasjonsprosess en avveining mellom teknisk gjennomførbarhet og økonomisk bærekraft.

Et sammenligningstudie av bladinstallationen ved bruk av metoden "single blade installation" av en bunnfast offshore vindturbin på 60 meters vanndybde er utført i denne oppgaven. De analyserte installasjonssystemene er en oppjekkbar plattform og et halvt nedsenkbart kranfartøy (SSCV). Den oppjekkbare plattformen er modellert med fire fleksible ben, et skrog, en kran og et blad. SSCV er installert med samme kran og løfteinnretning som den oppjekkbare plattformen. Analysen ble utført ved numerisk analyse i simuleringsprogramvaren SIMA, en programvare som eies av MARINTEK. En fullstendig koblet SIMO-RIFLEX-Aero simuleringskode utviklet av Y. Zhao ble brukt som grunnlag, og modifikasjoner ble gjort for å justere modellene fra 30 meter til 60 meters vanndybde. SIMO modellerer de ikke-lineære bevegelsene til de komplekse sub-systemene i tidsdomene. RIFLEX bruker elementmetoden for å analysere slanke strukturer og de aerodynamiske kreftene ble beregnet med Aero-koden.

En regulær bølgeanalyse ble gjort for å identifisere de naturlige periodene i installasjonssystemene. Siden systemene er komplekse, ble de naturlige periodene funnet for hver del av installasjonssystemet separat. Videre ble en uregelmessig bølgeanalyse utført med bare bølgelast og deretter med vind- og bølgelaster som virket på systemet. Ulike sammensetninger av ytre laster ble simulert, og bølgeretningen, vindretningen, spektral topperiode og signifikant bølgehøyde er variert. Responsen ble først analysert for hvert installasjonssystem separat, deretter sammenlignet mellom installasjonssystemene. Responsparametrene som ble analysert var fartøyets respons i seks frihetsgrader, enden av kranen i tre frihetsgrader og bladresponsen i seks frihetsgrader. Videre ble bøyemomentet for bena til den oppjekkbare plattformen også inkludert i den regulære bølgeanalysen.

Den oppjekkbare plattformen får resonans ved lave bølgeperioder, mens SSCV får resonans i høye bølgeperioder. Selv om SSCVens naturlige frekvens generelt ligger utenfor frekvensområdet for de innkommende bølgene, ble det funnet at responsbevegelsen for begge fartøyer er i samme område i frekvens området som ble testet. Videre ble det funnet at responsbevegelsen hovedsakelig er dominert av bølgelastene sammenlignet med vindlastene. Responsbevegelsen økte når både vind- og bølgelaster virket på tvers av skipet. For begge fartøyene er den foretrukne bølgetilstanden at bølgene kommer rett på baugen. Det ble funnet at installasjonsfartøyene er konkurransedyktige, og bladresponsene for begge fartøyene er i samme område. Funnene kan potensielt bidra til å endre den kommersielle prosedyren for installasjon i industrien. Det vil være nødvendig med flere analyser for å bekrefte om installasjonen er mulig og deretter hvilken metode som gir den beste løsningen.

The market for offshore wind are growing and the size of the wind turbines are increasing. The efficiency of a wind turbine is affected by the turbine size and a steady wind. A consequence will be more installations of offshore wind turbines longer from shore and at deeper water depths. Even though floating solutions will enter the market, the technology is not ready today and the market for bottom-fixed wind turbines will continue to grow. However, larger bottom-fixed wind turbines longer from shore will lead to engineering challenges and increased expenses.

A feasibility study of the mating phase of a single blade installation of a bottom-fixed offshore wind-turbine at 60 meters water depth has been conducted. The analysed installation systems are a jack-up crane vessel and a semi-submersible crane vessel (SSCV). The jack-up crane vessel are modelled with four flexible legs, a vessel hull, crane and a blade. The SSCV are installed with the same crane and lifting arrangement as the jack-up vessel. This analysis was conducted by numerical analysis in the simulation software SIMA, a software owned by MARINTEK. A fully coupled SIMO-RIFLEX-Aero simulation code developed by Y. Zhao was used and modifications were done to adjust the models from 30 meters to 60 meters water depth. SIMO models the non-linear motions of the complex multi-body systems in the time domain. RIFLEX uses finite element method to analyse slender structure and the aerodynamic forces was calculated with the Aero-code.

A regular wave analysis was performed in order to identify the natural periods of the installation systems. As the systems are complex, the natural periods were found for each part of the installation system separately. Further, an irregular wave analysis was performed with only wave loads and with wind and wave loads acting on the system. Different environmental conditions were simulated, and the wave direction, wind direction, spectral peak period and significant wave height varied. The response statistics were firstly analysed for each installation system separately, then compared between the to installation systems. The main response parameters analysed were the vessel response in six DOFs, the crane tip response in three DOFs and the blade response in six DOFs. Further, the bending mode of the jack-up legs was included in the regular wave analysis.

The jack-up vessel experience resonant motion for low periods, while the SSCV experience resonant motions for high periods. Even though the SSCV natural frequency are in general outside the frequency range of incident waves, it was found that the response motion for both vessels are in the same range. Further, it was found that the response motion are dominated by the wave loads compared to the wind loads. The response motion increased with the alignment of wind and wave loads towards beam sea. For both vessel, head sea is the preferable wave condition. It was found that the installation vessels are competitive, and the blade responses for both vessels are in the same range. The findings can potentially contribute to change the commercial installation procedure in the industry. It will be interesting to continue the feasibility study, in order to obtain the best solution.