Design of Floating Offshore Wind Turbine Tower Structures

Abstract

Den økende etterspørselen etter fornybar energi har ført til utviklingen av offshore vindparker, som overgår begrensningene til landsbaserte parker når det gjelder tilgjengelige landområder og kontinuerlige, stabile vindressurser. Offshore vindturbiner er designet ved hjelp av teknologi og erfaring fra olje- og gassindustrien. Den vanligste typen offshore vindturbiner er, per i dag, bunnfast. Ettersom vindparkene flyttes lengre ut på havet, vil det være gunstig å fjerne den bunnfaste strukturen og lage et flytende fundament. Per i dag er flytende vindturbiner dyrere enn bunnfaste. For å redusere kostnadene og forbedre teknologien, vil strategier for optimalisering av designet til vindturbinens ståltårn bli ytterligere undersøkt i denne avhandlingen.

Numeriske og analytiske beregninger ble utført på en flytende offshore vindturbin på 15 megawatt (MW). Den er utviklet av Universitet i Maine (UMaine) og National Renewable Energy Laboratory (NREL). Numeriske beregninger inkluderer globale analyser ved hjelp av SIMA og lokale analyser i Abaqus. For å evaluere nøyaktigheten av numeriske simuleringer, ble analytiske beregninger utført i Python. Vindturbintårnet ble modellert ved hjelp av Abaqus/CAE. Diametere og tykkelser på strukturen ble hentet fra den tekniske rapporten for vindturbinen, og tårnet ble antatt å være fastholdt mot rotasjon og translasjon ved basen. Flere modifikasjoner ble utført for å studere virkningen på egenfrekvens, knekklast og spenningsfordeling.

Egenverdianalysene som ble utført med parameterne fra NREL-rapporten, resulterte i en egenfrekvens innenfor sikkerhetsområdet for 3P-frekvensen til turbinen. For å oppnå en egenverdi utenfor 3P-frekvensområdet, var den mest effektive løsningen å øke diameteren på tårnstrukturen med en faktor på 1.0749. I stedet for å modellere fjærstivhet i Abaqus, ble modellen i SIMA fastholdt mot alle frihetsgrader for å undersøke virkningen av dette. Det ble funnet at ved å inkludere de translatoriske bevegelsene til fundamentet, øker egenfrekvensen til tårnet. Dette betyr at dersom man bruker de samme tårnparametrene på et flytende vindturbintårn som for et 'soft-stiff' bunnfast tårn, vil egenfrekvensen til tårnet nærme seg den nedre delen av 3P-frekvensen. Globale analyser utført i SIMA resulterte i kritiske ULS-lasttilefeller som ble implementert i analyser utført i Abaqus.

Tre modeller med diameter gitt i den tekniske rapporten, med henholdsvis ingen, to og tre ringstivere, ble studert i Abaqus. I tillegg ble to modeller som begge hadde en økt diameter med en faktor på 1.0749, med henholdsvis ingen og to ringstivere, inkludert i studien. Lineære og ikke-lineære spennings- og knekkingsanalyser ble utført for tårnstrukturen i Abaqus for å undersøke den strukturelle styrken. De fire tilfellene med ingen og to ringstivere ble studert i alle analysene, mens modellen med tre ringstivere kun ble inkludert for å undersøke effekten på knekklast og knekkform. For å sammenligne egenfrekvensen fra SIMA, ble det utført en frekvensanalyse i Abaqus. Resultatene fra Abaqus bekreftet funnene fra SIMA, som indikerer en reduksjon i egenfrekvensen til tårnet når strukturen var fastholdt ved basen. Ringstiverne må plasseres med en avstand på 2.5 meter for å øke den kritiske knekklasten til tårnet. For langsgående stivere er en avstand på 900 millimeter tilstrekkelig for å oppnå en vesentlig innvirkning på knekkstyrken.

Opprinnelig skulle en ikke-lineære dynamiske analyse utføres i Abaqus. I stedet ble det besluttet å studere effekten av imperfeksjoner på tårnstrukturen. Resultatene viser at tårnet er svært følsomt for imperfeksjoner, og at knekklasten reduseres betydelig når imperfeksjoner er inkludert.

The increasing demand for renewable energy has led to the development of offshore wind farms, which surpass the limitations of onshore farms in terms of available space and continuous, stable wind resources. Offshore wind turbines (OWT) have been designed using technologies and experiences from the oil and gas industry, and the most common OWT today is the bottom-fixed monopile. However, as wind farms move further offshore, it would be beneficial to remove the bottom-fixed structure and make a floating foundation. As of today, floating wind turbines (FOWT) are more expensive than bottom-fixed. In order to reduce costs and improve technology, strategies for optimizing the wind turbine steel tower design will be further investigated in this thesis.

Numerical and analytical calculations were performed on a floating offshore 15-megawatt (MW) wind turbine. The numerical calculations include global coupled hydro-aero elastic analyses using SIMA and local analyses in Abaqus. Analytical calculations were carried out in Python to evaluate the accuracy of numerical simulations. The IEA 15 MW semi-submersible wind turbine tower was modeled using Abaqus/CAE. Diameters and thicknesses of the structure were obtained from the Technical report of the OWT, and the tower was assumed fixed at the base. Several modifications were made to study the impact on the eigenfrequency, buckling, and stress distribution.

The eigenvalue analyses conducted with the parameters from the NREL report, including substructure flexibility, resulted in an eigenfrequency within the safety range of the 3P frequency of the turbine. To reach an eigenvalue outside the 3P frequency range, the most efficient solution was to increase the diameter of the tower structure with a ratio of 1.0749. As an alternative to modeling a spring to include all six DOFs in the Abaqus model, the SIMA model was constrained to investigate the impact of the floater characteristics on the tower structure. It was found that by restraining the translational motions to the substructure, the eigenfrequency of the tower decreased. This means that transferring the design specifications of a bottom-fixed monopile, which is often within the soft-stiff region, to a FOWT may lead to the eigenfrequency of the latter being within the 3P frequency range of the turbine. Global analyses conducted in SIMA resulted in critical ULS load cases implemented into analyses performed in Abaqus.

Three models with the diameter from NREL, with zero, two, and three ring stiffeners, respectively, were studied in Abaqus. In addition, two models with an increased diameter with a ratio of 1.0749 with zero and two ring stiffeners, respectively, were included in the study. Linear- and nonlinear stress- and buckling analyses were conducted for the tower structure in Abaqus to examine the structural integrity. The four cases with zero and two ring stiffeners were studied in all analyses, while the model with three ring stiffeners was only included to investigate the effect on the buckling load and mode shape. To compare the eigenfrequency obtained from SIMA, a frequency analysis was conducted in Abaqus. The obtained results from Abaqus corresponded with the values from SIMA. Ring stiffeners need to be placed at a distance of 2.5 meters to increase the buckling strength of the tower. For longitudinal stiffeners, a spacing of 900 millimeters is needed to make a large impact on the buckling strength.

Instead of the fully nonlinear dynamic analysis that was supposed to be conducted in Abaqus, it was decided to study the effect of imperfections on the tower structure. It was found that the tower is very sensitive to imperfections and that the buckling load decreases significantly when these are included.