| dc.description.abstract | Flytende havvindturbiner (FOWT) utvikles for å utvide vindkraftproduksjonen til områder langt fra kysten og i dypere farvann. Ved å bruke erfaringen fra olje- og gassindustrien innen offshorestrukturer,
kan FOWT-design dra nytte av denne ekspertisen. Imidlertid utgjør slitasje fra vind og bølger og de høye kostnadene knyttet til havvind en utfordring. Forskning på utmattingsskader er avgjørende for å forbedre FOWT-teknologien ved å identifisere sviktmoder og utvikle simuleringsverktøy. Dette fører til en lengre levetid, økt energiproduksjon, forbedret pålitelighet og økt sikkerhet for vindturbiner. Til tross for disse utfordringene har FOWT-utvikling lovende potensial som en fornybar energikilde offshore.
Denne oppgaven bruker aero-hydro-servo-elastisk analyse ved hjelp av SIMA-simuleringsprogramvaren for å undersøke effekten av bølger og vind på utmattingsskader i FOWT. Simuleringer blir utført under tre scenarier: uregelmessige bølger alene, turbulent vind alene og en kombinasjon av uregelmessige bølger og turbulent vind. Effekten av hver bidrag til utmattingsskader blir evaluert
ved hjelp av IEA Wind 15-megawatt offshore-referansevindturbinen med UMaine VolturnUS-S referanseplattformen. Både fleksible og stive modeller blir brukt til å representere flyteren til vindturbinen. Undersøkelsene er basert på miljøforhold fra spredningsdiagrammer for bølgehøyder,
topp-perioder og vindhastigheter, med mål om å utforske utviklingen av utmattingsskader på underkonstruksjonen.
Oppgaven dekker også den underliggende teorien og prinsippene for FOWT-design og dynamikk, og fremhever kompleksiteten involvert i å analysere halvt nedsenkbare
vindturbinsystemer. Faktorer som aerodynamikk, hydrodynamikk, kontrollsystemer og strukturell mekanikk gjør det nødvendig å kjøre simuleringer av tidsdomene for å fange opp ikke-lineære effekter fra miljøbelastninger
nøyaktig. Tradisjonelle frekvensdomenemetoder er utilstrekkelige for fleksible strukturer og vindstyrker.
Den fleksible modellen er validert for å nøyaktig fange opp laster og vise resultater med tanke på fleksibiliteten til flyteren, noe som fremgår av tårnets bøyningsegenfrekvens og dempningskoeffisienter. Tester med konstant vind og tester for å identifisere eigenperioder bekrefter strukturen som en representativ vindturbin.
Utmattelsesskadeanalyser fokusert på kun bølgeforhold indikerer at parkerte vindturbiner opplever mer skade sammenlignet med turbiner i drift på grunn av kontrollering av variasjonen av stamp bevegelse. Utmattingsskader i pongtongen er betydelig lavere enn i basen på tårnet, ettersom det er en eksponentiell reduksjon i bølgeenergi med dybden. I analyse av utmattingsskader med hensyn på vind øker skadene med turbulensintensitet og vindhastighet. Forskjellen mellom parkerte og operative turbiner er betydelig, med høyere respons observert ved tårnets egenfrekvens og
3P-frekvens. Forskjellen mellom tårnbasen og pongtongen er relativt liten sammenlignet med bølgeanalyser.
Når det gjelder kombinerte vind- og bølgeanalyser av parkerte turbiner, der bladene ikke roterer og er vinklet for å minimere motstand fra vinden, er utmattingsskadene generelt høyere for lav vind og lavere for høy vind sammenlignet med separate simuleringer for kun vind og kun bølger.
Imidlertid, for operative turbiner med roterende blader og et bladvinkel optimalisert for maksimal kraftgenerering, er summert utmattingsskade generelt høyere enn i de kombinerte simuleringene, noe som indikerer kraftkansellering. | |
| dc.description.abstract | Floating offshore wind turbines (FOWT) are being developed to expand wind power generation far from the coast and in deep waters. Utilizing the experience of the oil and gas industry in offshore structures, FOWT design can benefit from this expertise. However, due to wear and tear from wind and waves, the high costs associated with offshore wind remain a challenge. Research on fatigue damage is essential to improve FOWT technology by identifying failure modes and advancing simulation tools. This leads to a longer lifespan, increased energy output, improved reliability, and enhanced safety of wind turbines. Despite these challenges, FOWT development holds promising potential for offshore wind as a renewable energy source.
This thesis employs aero-hydro-servo-elastic analysis using the SIMA simulation software to investigate the effects of waves and wind on fatigue damage in FOWT. Simulations are conducted under three scenarios: irregular waves alone, turbulent wind alone, and a combination of irregular waves and turbulent wind. The impact of each contribution to fatigue damage is evaluated using the IEA Wind 15-Megawatt offshore reference wind turbine with the UMaine VolturnUS-S reference platform. Both flexible and rigid body models are employed to represent the floater of the wind turbine. The study is based on environmental conditions from scatter diagrams of wave heights, peak periods, and wind speeds, aiming to explore fatigue damage development on the substructure.
The thesis also covers the underlying theory and principles of FOWT design and dynamics, highlighting the complexity of analyzing semi-submersible wind turbine systems. Factors such as aerodynamics, hydrodynamics, control systems, and structural mechanics make it necessary to do time-domain simulations to capture non-linear effects from environmental loads accurately. Traditional frequency domain methods are inadequate for flexible structures with wind forces.
The flexible model is validated to accurately capture loads and exhibit results considering the flexibility of the floater, as evident from the tower bending eigenfrequency and damping coefficients. Constant wind and decay tests confirm the structure as a representative of the wind turbine.
Fatigue damage analyses focused on wave-only conditions indicate that parked wind turbines experience more damage than operating turbines due to pitch movement variation regulated by the controller. Fatigue damage in the pontoon is significantly lower than in the tower base, attributed to the exponential decrease in wave energy with depth. In wind-only fatigue damage analyses, the damage increases with turbulence intensity and wind velocity. The difference between parked and operating turbines is significant, with enhanced response observed at the tower eigenfrequency and 3P-frequency. The difference between the tower base and the pontoon is relatively small compared to wave-only analyses.
Regarding combined wind and wave analyses of parked turbines, where the blades do not rotate and are feathered, fatigue damage is generally higher for low wind conditions and lower for high wind conditions compared to the summation of separate wind-only and wave-only simulations. However, for operating turbines with rotating blades and a blade pitch angle optimized for maximum power generation, the summation of fatigue damage is generally higher than the combined simulations, indicating force cancellation. | |
