Study on time-varying hydrodynamic coefficients for large-scale bottom-founded wind turbines and their impact on fatigue

Abstract

Utforskningen av utviklingen av bunnfaste offshore vindturbiner, med fokus på monopæler, indikerer at selv om den flytende offshore vindsektoren er i ferd med å utnytte dypere områder, er det fortsatt en god grunn til å fremme XXL monopæler innen bunnfast offshore vind. Kostnadseffektivitet fremstår som en avgjørende faktor blant flere overbevisende argumenter.

Denne studien tar sikte på å forbedre den økonomiske levedyktigheten til XXL monopæler ved å utvikle en mer nøyaktig metodikk for beregning av bølgelaster. Innføringen av tidsvarierende hydrodynamiske koeffisienter er sentral i denne innsatsen. Basert på en omfattende litteraturgjennomgang ble en ny metode med tidsvarierende koeffisienter foreslått. Denne metoden tar hensyn til subperiodiske variasjoner i bølgekraftkoeffisienter ved å innføre avhengigheter av Keulegan-Carpenter- og Reynolds-tallene, som bestemmes ved bruk av null-kryssingsperioder. Denne tilnærmingen markerer et betydelig metodologisk skifte fra tidligere forsøk.

Den nyutviklede metoden ble implementert i et MATLAB-miljø og er kompatibel med både første- og andreordens bølgeteori, samt Morison- og Rainey-lastmodeller. Det ble gjort forsøk på å replikere resultatene fra tidligere eksperimenter. Modellen gjenskapte både regulære og irregulære bølger, med særlig nøyaktige resultater for de minst bratte regulære bølgene. Imidlertid, for brattere bølger, fanget ikke andreordens bølgeteori alle egenskaper fullt ut, noe som førte til mindre nøyaktige gjengivelser.

En forenklet utmattelsesvurdering ble utført ved bruk av MonoPoly, en egenutviklet programvarepakke av Sea and Land Project Engineering (SLPE). North Sea Wind Farm, et referanseprosjekt av SLPE, ble brukt for stedskarakterisering og strukturell konfigurasjon.

Utmattelsesvurderingen evaluerte ulike testtilfeller for å undersøke effekten av forskjellige analysemetoder i modellen med tidsvarierende koeffisienter. Totalt viste resultatene at metoden med tidsvarierende koeffisienter reduserte de maksimale verdiene for Damage Equivalent Moment (DEM) med 0,2 til 0,7 prosent, avhengig av analysemetoden. De gjennomsnittlige DEM-verdiene ble redusert med 0,2 til 0,5 prosent. Disse funnene gjelder en mer avansert konstant koeffisientmetode brukt i industrien, sammenlignet med den som anbefales av ISO. En sidelangs studie antydet at reduksjonen i DEM-verdier ville være enda større når denne nye metoden sammenlignes med den ISO-anbefalte metoden.

For tynnveggede sylindere som monopæler er forholdet mellom moment og tykkelse i hovedsak lineært. Derfor tillater en reduksjon på 0,5 prosent i gjennomsnittlig DEM en 0,5 prosent reduksjon i monopælens tykkelse mens man opprettholder spenningsnivåene. Denne reduksjonen i materialtykkelse har potensial til å spare flere millioner euro for vindparker, noe som demonstrerer de betydelige økonomiske fordelene med den nyutviklede metoden med tidsvarierende koeffisienter.

The exploration of bottom-founded offshore wind turbine development, focusing on monopiles, indicates that while the floating offshore wind sector is emerging to exploit deeper sites, there is a continued rationale for advancing XXL monopiles in the realm of bottom-founded offshore wind. Cost-effectiveness stands out as a pivotal factor among several compelling arguments.

This study aims to improve the economic viability of XXL monopiles by developing a more accurate methodology for calculating wave loads. The introduction of time-varying hydrodynamic coefficients is central to this effort. Building on an extensive literature review, a novel time-varying coefficient method was proposed. This method accounts for subperiodic fluctuations in wave force coefficients by introducing dependencies on the Keulegan-Carpenter and Reynolds numbers, which are determined using zero-crossing periods. This approach marks a significant methodological shift from previous attempts.

The newly developed method was implemented in a MATLAB environment and is compatible with both first and second-order wave theory, as well as the Morison and Rainey load models. Efforts were undertaken to replicate the results of previous experiments. The model successfully reproduced both regular and irregular waves, with particularly accurate results for the least steep regular waves. However, for steeper waves, the second-order wave theory did not fully capture all characteristics, leading to less accurate reproductions. A simplified fatigue assessment was carried out using MonoPoly, an in-house software package developed by Sea and Land Project Engineering (SLPE). The North Sea Wind Farm, a reference project by SLPE, was used for site characterization and structural configuration.

The fatigue assessment evaluated various test cases to examine the impact of different analysis approaches in the time-varying coefficient method model. Overall, results showed that the time-varying coefficient method decreased the maximum Damage Equivalent Moment (DEM) values by 0.2 to 0.7 percent, depending on the analysis approach. The mean DEM values decreased by 0.2 to 0.5 percent. These findings apply to a more advanced constant coefficient method used in the industry, compared to the one recommended by ISO. A side study suggested that the decrease in DEM values would be even greater when comparing this new method to the ISO-recommended method.

For thin-walled cylinders like monopiles, the relationship between moment and thickness is essentially linear. Therefore, a 0.5 percent reduction in mean DEM allows for a 0.5 percent reduction in monopile thickness while maintaining stress levels. This reduction in material thickness has the potential to save several million euros for wind farms, demonstrating the significant economic benefits of the newly developed time-varying coefficient method.