Offshore Wind Turbine Modelling State of the Art and future development

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer state of the art teknologier og utviklingstrender for vindturbiner. Offshore vind blir sett på som en lovende del av energisektoren i målet mot et bytte til fornybare energikilder. DNV sin prognose for 2050 viser at offshore vind vil stå for 33 prosent av den globale energiproduksjonen hvor flytende vind utgjøre totalt 4 prosent av global energiproduksjon. For å senke kostnaden av energi fra offshore vind er det viktig å skalere opp turbin-størrelsen. Per i dag er de operasjonelle kostnadene for flytende vindparker 5 ganger større enn for parker med bunnfaste vind-turbiner. Kravene for den flytende strukturen gjør ofte at mengden stål er dobbelt så stor sammenliknet med bunnfaste turbiner. For å øke størrelsen på vindturbinene og undersøke nye designkonsepter kreves det kompliserte digitale verktøy for modellering og simulering for analyse av de ulike kreftene på turbinens komponenter. En tilnærming kalt multi-body-simulering blir undersøkt. Tilnærmingen inkluderer både vind og bølgekrefter. Ulik programvare for simulering og modellering tilgjengelig diskuteres. Standarder gjeldende slik som IEC 61400 serien og et utvalg DNV-standarder blir undersøkt for å se om det er gap mellom regler og standarder tilgjengelig og utviklingen innen sektoren. Det er flere hull siden flere standarder kun gjaldt mindre turbiner. Det utvikles og arbeids hele tiden med standardene og reglene, så flere nye versjoner er utgitt som gjelder større vindturbiner. Det er likevel flere designkonsepter som ikke er dekket av standardene slik som delt forankring og delt flytende struktur. Med større turbiner blir rotorfarten lavere. Dette gjør direct-drive generatorer en interessant løsning istedenfor å bruke girbokser. Girboksen er i dag den komponenten som har størst skader og fører til mest nedetid. Ved å bytte ut girboksene, kan altså de operasjonelle kostnadene senkes og føre til at flytende offshore vind kan være bedre rustet for fremtiden.

The master thesis presents the state-of-the-art technologies and development trends of wind turbines. Offshore wind is seen as a promising energy sector in the shift towards renewable energy sources. DNVs forecast for 2050 shows that offshore wind turbines will contribute to 33 percent of the global energy supply with floating offshore wind turbines being 4 percent of global energy supply. To lowering the levelized cost of energy for offshore wind the upscaling of turbine size of significance. As of today, the operational costs of floating wind farms is 5 times higher than a bottom fixed offshore wind turbine farms. The requirements for the floating support structure often leads to twice the amount of steel needed. Increasing the size of the turbine and researching new design concepts require advanced tools for modeling and analyzing the loads on the system components. A fully coupled multi-body-simulation approach is researched. The approach includes both wind and wave loads. Various software for modeling and simulation currently available are researched. The theory required and state-of-the-art on modeling the various system components are presented. Standards such as the IEC 61400 series and a number of DNV standards are studied to see if there are gaps between the rules and standards and the current wind turbine development. There were several gaps as standards were limited to smaller wind turbines. There is however constant development and new editions are being released by the regulatory bodies. These new editions include larger floating wind turbines, but might not include standards for vertical axis turbines, shared anchoring wind turbines and multiple turbines supported by a single floating structure. As turbine size grows the rotor speed decreases. This makes direct drive generators a valid option instead of using gearboxes. The gearbox is the drivetrain component with the highest failure rate and causes most downtime. This is one of the factors that might reduce the operational costs making floating offshore wind better suited for the future.