Tensegrity-Based Semi-Submersible Support Structure for a Floating Offshore Wind Turbine

Abstract

I dyptliggende havområder er muligens flytende vindturbiner den mest kostnadseffektive løsningen for å utnytte potensialet til offshore vindenergi. Behovet for mer bærekraftige energikilder øker, og offshore vind viser flere fordeler over landbasert. Ifølge flere studier, så er potensialet for å utnytte offshore vindenergi der vanndybden er stor og hvor flytende strukturer er den foretrukne løsningen, enorm. Men for at energi produsert av flytende vindturbiner skal kunne konkurrere med andre energikilder, må de være kostnadsmessig konkurransedyktige, noe som fortsatt ikke er tilfellet. Siden elektrisitet er en handelsvare, må de være konkurransedyktige for brukeren, som er vanskelig å oppnå tatt i betraktning de mange veletablerte elektriske energikildene som finnes på markedet. Å utvikle nye fundamenter for å redusere materialbruken er derfor et skritt i riktig retning for å redusere kostnadene, da stål- eller betongmassen til tradisjonelle design av flytende vindturbiner utgjør mer enn halvparten av den totale strukturmassen grunnet konservativt fundamentdesign (Gaertner et al. 2020; Silva de Souza et al. 2021; Xue 2016).

Målet for denne masteroppgaven er å undersøke et alternativt designkonsept for et flytende halvt nedsenkbart fundament, og dermed oppnå en massereduksjon på minst 25% sammenlignet med designet som har blitt brukt som referanse; det halvt nedsenkbare vindturbinkonseptet utviklet av Dr.techn. Olav Olsen. Det er designet for DTU sin 10 MW vindturbin med horisontal akse (Bak et al. 2013) i 130 m vanndybde. I det modifiserte designet er den sentrale kolonnen som bærer vindturbinen plassert i det geometriske senteret, med oppdriftselementer bestående av seks ytre kolonner plassert radialt ut fra tårnet. De er forbundet til hverandre og til den sentrale kolonnen gjennom et "tensegrity" system, som er et system av forspente vaiere og kompressive bjelker. Målet med dette nye fundamentdesignet er å oppnå et økonomisk konkurransedyktig konsept.

En modell av strukturen har blitt utviklet i programvaren SIMO-RIFLEX-AeroDyn for å kunne analysere oppførselen til det modifiserte halvt nedsenkbare fundamentet, i tillegg til å kunne verifisere utregningene utført i et regneark. I tillegg har en fysisk 3D modell av konseptet blitt printet ved laboratoriet til Institutt for Marin Teknikk. Utregningene utført i regnearket viste at en reduksjon på 65.7% i masse var mulig å oppnå sammenlignet med fundamentet utviklet av Dr.techn. Olav Olsen. Dette kan potensielt redusere kostnadene og miljøavtrykket til strukturen betraktelig.

Fire forskjellige miljølaster ble påført det "tensegrity" baserte halvt nedsenkbare vindturbinkonseptet i SIMO-RIFLEX-AeroDyn for å undersøke bruddgrensetilstanden (ULS) til fundamentet. TurbSim turbulent vind ble brukt for å simulere vinden, med analyser utført for en underratet vindkondisjon, en ratet vindkondisjon, en overratet vindkondisjon, og en ekstrem vindkondisjon med 50 års returperiode og parkert turbin. En bølge med 50 års returperiode ble kombinert med den sistnevnte, og det viste seg at det var denne miljøkondisjonen som forårsaket de største responsene i "tensegrity" systemet. Forskjellige sensitivitetsanalyser ble utført med denne lastkondisjonen for å kunne se på oppførselen til "tensegrity" systemet mot ulike modifikasjoner, og de aksielle kreftene og relative forskyvningene av fundamentet ble undersøkt, med bruk av Matlab som post-prosesseringsverktøy. Det ble konkludert med, basert på analysene gjennomført i dette arbeidet, at et "tensegrity" system er mulig å bruke i fundamentet på en vindturbin, selv om hverken ulykkesgrensetilstanden (ALS) eller utmattingsgrensetilstanden (FLS) har blitt undersøkt i dette arbeidet. Det har heller ikke uønskede hendelser som fretting eller slamming blitt. Men, målet med dette arbeidet var å undersøke om forspente vaiere og kompressive bjelker, formet til et "tensegrity" system, var realistisk å bruke i et flytende vindturbinfundament. Sensitivitetsanalysene viste at den beste løsningen for å redusere kreftene på de forspente vaierene i "tensegrity" systemet, var å øke tverrsnittsarealet deres.

For increasing water depths, floating wind turbines (FWTs) may be the most cost effective solution in order to exploit the potential of offshore wind energy. The need for more sustainable energy sources is increasing, and offshore wind show several advantages over onshore. According to several studies, the potential for harvesting offshore wind energy at deep water sites where floating structures are the preferred solution, is huge. However, for FWTs to compete with other energy sources, it must be cost-competitive, which is still not the case. Since electricity is a commodity, being competitive mostly means being cost competitive for the user, which for FWTs is a challenge considering the many well-established available electrical power sources. Developing new foundation concepts to reduce the material use is hence a step in the right direction of minimizing the cost, as traditional designs of FWTs result in a steel or concrete mass more than half of the total structural mass due to conservative substructure design (Gaertner et al. 2020; Silva de Souza et al. 2021; Xue 2016).

The aim of this thesis is to investigate an alternative design approach to a semi-submersible foundation concept. The goal is then to obtain a mass reduction of minimum 25% compared to the design used as reference; the semi-submersible Wind Floater concept developed by Dr.techn. Olav Olsen. It is designed to support the Technical University of Denmark (DTU) 10 MW horizontal axis wind turbine (WT) (Bak et al. 2013) in 130 m water depth. In the modified design, the centered column carrying the WT is located at the geometrical center, and the buoyancy elements consist of six outer columns arranged radially outward from the tower. They are connected to each other and to the shaft through a tensegrity system, which is a system of pretensioned wires and compressive beams. With this new design, the goal is to arrive at an economically competitive concept.

A model was developed in the software SIMO-RIFLEX-AeroDyn in order to investigate the behaviour of the modified semi-submersible foundation, as well as verify the spreadsheet-based calculations conducted. Also, a physical 3D printed model of the concept was made at the laboratory of the Department of Marine Technology. After the spreadsheet-based design process, it was found that a reduction of 65.7% in mass was possible to achieve compared to the foundation concept developed by Dr.techn. Olav Olsen, which potentially will reduce the cost of the structure significantly, as well as its environmental footprint.

Four different environmental load cases were applied on the tensegrity-based semi-submersible WT concept in SIMO-RIFLEX-AeroDyn in order to assess the ultimate limit state (ULS) capacity of the concept. TurbSim turbulent wind was applied in order to simulate the wind, which was run for below-rated, rated, above-rated and an extreme condition applying a wind with 50 years recurrence period in parked condition. Also a wave with 50 years recurrence period was combined with the latter, and the load case revealed to be the one causing the largest responses in the tensegrity system. Different sensitivity analyses were performed with this base load case in order to look at the behaviour of the tensegrity system to different modifications, and the axial forces and relative displacements of the foundation were studied, using Matlab as the post-processing tool. It was found, based on the analyses conducted in this work, that a tensegrity system is feasible to use on a WT foundation, even though the accidental limit state (ALS) and fatigue limit state (FLS) of the concept has not been assessed in this work, neither has different failure modes such as fretting fatigue or slamming. However, the purpose of this work was to investigate if pretensioned guy wires and compressive beams, forming a tensegrity system, could be used in the foundation of a FWT. The sensitivity analyses showed that the best solution in order to reduce the forces on the pretensioned guy wires in the tensegrity system, was to increase their cross-sectional areas.