Load and Response Analysis of a 10 MW SPAR Wind Turbine

Abstract

Teknologi basert på fornybar energi har vekket betydelig interesse, og det er viktig å fortsette forskningen og utviklingen av disse teknologiene. Overgangen til fornybar energi er i gang, med ønsket om å fase ut fossile brennstoff for å begrense klimaendringenes effekter. Vindturbiner er et godt eksempel på en grønn energi som reproduserer seg selv.

Denne masteroppgaven undersøker en SPAR flytende vindturbin konfigurasjon som støtter en 10 MW DTU referanse vindturbin. Tilgjengelige data for et utvalgt sted i Nordsjøen i Norge har blitt brukt til å etablere fire forskjellige simuleringsmiljøer ved bruk av sannsynlighetsfunksjoner for bølger, vind og topp-periode.

Simuleringsverktøyet SIMA, utviklet av SINTEF, har blitt brukt for å kjøre simuleringene, mens TurbSim ble brukt for generering av realistiske vind input filer for vinden. Systemkonfigurasjonens oppførsel ble identifisert ved å utføre konstant vind og decay tester, før en mer detaljert analyse har blitt utført for SPAR bevegelsene og tårnbelastningene. SPAR bevegelsene har blitt undersøkt både når vind og bølgeforholdene er justert og feiljustert i henhold til hverandre, og med inkludering av drag effekt for simuleringsmiljøene med høye vindhastigheter. Bunnen og toppen av tårnet har blitt undersøkt med hensyn til aksialkraft, torsjonsmoment, bøyemoment, og skjærkraft under de fire forskjellige simuleringsmiljøene, før forenklede beregninger har blitt utført for å identifisere om tårnet kunne motstå lastene fra simuleringene. Utmattingsskaden ved bunnen av tårnet for de tre operative simuleringsmiljøene er også funnet, før utmattingslevetiden er estimert.

SPAR bevegelsene avslørte bemerkelsesverdige variasjoner over de seks frihetsgradene for de forskjellige simuleringene, med den mest betydelige bevegelsesresponsen funnet for tilfelle 2 når turbinen var i drift ved den nominelle vindhastigheten for kontrolleren. Inkluderingen av drag effekten for de høye vindhastighetene i tilfelle 3 og 4 presenterte mer realistiske SPAR bevegelser, der majoriteten av de seks frihetsgradene økte. Feiljusteringen av vind- og bølgeforholdene i henhold til hverandre ble funnet til å direkte påvirke bevegelsene til SPAR'en, der de oppnådde bevegelsene kunne sees å være sterkt redusert sammenlignet med responsen oppnådd når vind-og bølgeforholdene var justert i henhold til hverandre.

Tårnbelastningene ble funnet til å øke som forventet med økt alvorlighetsgrad av simuleringsmiljøene som ble brukt for simuleringene. Imidlertid ble det funnet et unntak for tilfelle 4 med hensyn til aksialkraft og torsjonsmoment når turbinen var parkert med bladene innstilt, som viste mindre krefter og momenter sammenlignet med resultatene for de operative tilfellene 2 og 3. Bunnen av tårnet ble klart hardere påvirket enn toppen av tårnet, og variasjonen i krefter og momenter rundt gjennomsnittsverdien økte med alvorlighetsgraden av simuleringsmiljøene.

Den beregnede Von Mises spenningen for de simulerte tilfellene kunne ses å være under tårnets flytespenning. Tårnet burde være i stand til å motstå de kombinerte lastene under simuleringene i henhold til de enkle beregningene som ble utført. Imidlertid indikerte den beregnende utmattingsskaden for de operative forholdene at umtattingslevetiden til tårnet er ekstremt begrenset.

Technology based on renewable energy has gathered significant interest, and it is important to further research and develop these technologies. The transition to renewable energy is ongoing, with the desire to phase out fossil fuels to mitigate the effect of climate change. Wind turbines are excellent examples of green energy that reproduce itself.

This master's thesis investigates a SPAR floating wind turbine configuration that supports a 10 MW DTU reference wind turbine. Available data for a selected site in the North Sea of Norway has been used to establish four different environmental conditions using probability functions for wave, wind, and peak period.

The simulation tool SIMA, developed by SINTEF, has been used for running the simulations, while TurbSim was used for the generation of realistic wind input files for the wind. The behavior of the system configuration was identified by performing constant wind and decay tests before a more detailed analysis was performed for the SPAR motion responses and the tower loads. The SPAR motion responses have been investigated under both aligned and misaligned wind and wave conditions, and with the inclusion of drag effect for the cases with high wind speeds. The tower base and top have been investigated in regards to axial force, torsional moment, bending moment, and shear force under the different environmental conditions before simplified calculations have been performed in order to identify if the tower could withstand the loads. The fatigue damage at the tower base for the three operational conditions is also obtained before the fatigue lifetime is estimated.

The SPAR motion responses revealed notable variations across the six degrees of freedom for the different cases, with the most significant surge and pitch response found for case 2 when the turbine where operating at the rated wind speed for the controller. The inclusion of the drag effect for the high wind speeds in cases 3 and 4 presented more realistic SPAR motion responses, where the majority of the six degrees of freedom increased. The misalignment of the wind and wave conditions was found to directly affect the motion response of the SPAR, where the obtained motion responses decreased compared to the responses obtained when the wind and wave were aligned.

The tower loads were found to increase as expected with increased severity of the environmental conditions applied for the simulations. However, an exception was found for case 4 in regards to axial force and the torsional moment when the turbine was parked with the blades feathered, which showed smaller magnitudes compared to the operational conditions results for cases 2 and 3. The tower base was clearly harder impacted than the tower top, and the variation in forces and moments around the mean value during the simulations increased with the severity of the environmental conditions.

The calculated von Mises stress for the simulated cases could be seen to be below the yield strength for the tower. The tower should be able to withstand the combined loads during the simulations according to the simple calculations performed. However, the calculated fatigue damage for the operational conditions indicated that the fatigue lifetime of the tower is extremely limited.