Stability Assessment of a Semisubmersible Floating Offshore Wind Turbine

Abstract

Den økende etterspørselen etter fornybar energi har ledet til større interesse for utvikling av flytende havvindturbiner. Havvindparker tilbyr muligheten til å utnytte omfattende områder med stabil vind, noe som gjør dem til et tiltalende alternativ. Imidlertid har man støtt på flere utfordringer med slike parker, inkludert ekstreme miljøforhold og betydelige koblede bevegelser i konstruksjonen, som fører til fatigue og stabilitetsproblemer. Teknologien bak flytende vindturbiner er relativt ny og baserer seg i stor grad på teknikker fra fastmonterte vindturbininstallasjoner og erfaringer fra olje- og gassindustrien, noe som betyr at det fortsatt er mye å lære om deres design og driftsdynamikk.

I takt med at turbindesignene blir større, blir stabilitet en stadig viktigere faktor for å avgjøre gjennomførbarheten av prosjekter for havvindturbiner. Hovedmålet med denne masteroppgaven var å vurdere stabiliteten til en semi-nedsenkbar støttestruktur for flytende havvindturbiner i kritiske scenarioer, med UMaine VolturnUS-S 15MW-turbinen, designet av NREL, som et case-study. For å oppnå dette ble det utviklet numeriske modeller ved hjelp av finitte elementmetoder gjennom DNVs programvarepakke SESAM. Det ble utført en kvasi-statisk stabilitetsanalyse i HydroD, og tidsdomenesimulasjoner for kritiske designlasttilfeller for en semi-nedsenkbar flyter i programvaren SIMA. Disse modellene ble validert gjennom flere prosedyrer, inkludert konvergensstudier, sammenligninger med den tekniske rapporten skrevet av NREL, decay-tester og tester med regelmessige bølger. Det ble også utført tester med konstant vind for å verifisere vindturbinens ytelse.

Stabilitetsanalysene i HydroD indikerte begrensninger med lineære modeller, spesielt ved store krengningsvinkler der endringer i vannplanarealet blir betydelige. Dette understreker behovet for modeller som inkluderer ikke-lineær stivhet ved vurdering av visse scenarioer. I tillegg ble potensialet for et forenklet skottkonsept utforsket, som fortsatt resulterte i stor overskuddsstabilitet for designet, både i intakt og skadet tilstand. Kritiske azimutvinkler ble identifisert, noe som effektiviserte tidsdomeneanalysen ved å redusere antall nødvendige retninger for påsatt vind og bølger.

Den koblede hydro-aero-servo-elastiske tidsdomeneanalysen i SIMA ga innsikt i den dynamiske oppførselen til vindturbinen under ulike forhold, der de globale bevegelsene, bøyemomentene og spenningene i fortøyningslinjene ble evaluert. Analysen viste at vind- og bølgeenergi påvirker strukturen betydelig, med markant innflytelse fra naturlige frekvenser i pitch og roll. Den dynamiske analysen understreket også den kritiske rollen til bratte sjøtilstander og komplekse dynamiske scenarioer, som nødstopp eller bølger og vind fra ulike retninger, i å skape ekstreme responser.

Tidsdomenesimuleringene antyder at kvasi-statisk stabilitetsvurdering generelt er tilstrekkelig, men kan være overkonservativ i noen scenarioer. Den maksimale krengningsvinkelen ble observert under en nødstopp, som viste store utslag på grunn av en betydelig endring i skyvekraften. For ikke-stasjonære forhold, som en nødstopp, kan det være utfordrende å representere den involverte dynamikken på en kvasi-statisk måte, noe som vil kreve undersøkelser av systemet gjennom dynamisk analyse. Analysene i SIMA har vist seg å være gyldige ettersom det ikke har blitt observert store nok vinkler til å se en overgang til ikke-linearitet på grunn av nedsenkning av deler av strukturen. Imidlertid vil analyseprogrammet miste sin nøyaktighet for store krengningsvinkler. Dette skyldes en manglende evne til å ta hensyn til betydelige endringer i vannplanarealet, noe som fører til ikke-lineær oppførsel. Hvis de dynamiske responsene overstiger disse grensene, kan det være nødvendig med alternativer som tar hensyn til ikke-lineariteter.

The increasing demand for renewable energy has led to heightened interest in the development of floating offshore wind turbines. Offshore wind parks offer the opportunity to exploit vast areas of stable wind resources, making them an attractive proposition. However, several challenges have been encountered with offshore parks, including extreme environmental conditions and significant coupled motions of the structure, leading to fatigue and stability issues. Given that the technology behind FOWTs is relatively new and mainly based on bottom-fixed designs combined with knowledge from the oil and gas industry, there remains a significant amount of knowledge to be acquired regarding their design and operational dynamics.

As turbine designs grow larger, stability is expected to become a more critical factor in determining the feasibility of executing an offshore wind turbine project. The main objective of this thesis was to assess the stability of a semi-submersible floating offshore wind turbine support structure in critical scenarios, based on the UMaine VolturnUS-S 15MW turbine designed by NREL as a case study. Numerical models were developed using finite element modeling through the DNV software package SESAM. A quasi-static stability analysis was conducted in HydroD, and time-domain simulations for critical design load cases for a semi-submersible floater were carried out in SIMA. The numerical models used in this study were subject to multiple validation procedures, including convergence studies, verification against the NREL report, decay tests, and regular wave tests. In addition, constant wind tests were conducted to verify the performance of the wind turbine.

Stability analyses conducted in HydroD revealed the limitations of linear models, particularly for large inclination angles where changes in the water plane area become significant, suggesting a necessity for non-linear stiffness models in certain scenarios. Additionally, the potential for a simplified compartment design was explored, which still showed a large amount of excess stability for the design in both intact and damaged conditions. Critical azimuth angles were identified, streamlining the time-domain analysis by reducing the number of environmental headings needed for investigation.

The coupled hydro-aero-servo-elastic time-domain analysis in SIMA provided insights into the FOWT's dynamic behavior under a variety of conditions, examining the global motions, bending moments, and mooring line tensions. The analysis showed that wind and wave energy significantly affect the structure, with natural frequencies in pitch and roll being notably influential. The dynamic analysis highlights the critical role of steep sea states and complex dynamic scenarios, including transient emergency shutdowns or misaligned environmental conditions, in generating extreme responses.

The time-domain simulations suggested that quasi-static stability assessments are generally sufficient but may be overly conservative for some scenarios. The maximum inclination angle was observed in the case of an emergency shutdown, showing large deflections caused by a significant shift in thrust force. For transient cases, such as an emergency shutdown, representing the involved dynamics quasi-statically may be challenging and necessitates further investigation through dynamic analysis. The analysis tool appears valid as it is not encountered heeling angles large enough to witness a transition to non-linearity caused by the submergence of parts of the structure. However, it will lose its accuracy for large inclination angles due to its inability to account for significant changes in the water plane area, which results in non-linear behavior. If the dynamic responses exceed these limits, alternatives that account for non-linearities may be necessary.