OTICS – Vindkraft til havs

Flytende vindturbiner til havs

Vindturbiner er hovedsakelig klassifisert i vindturbiner med horisontal akse (HAWT) og vindturbiner med vertikal akse (VAWT). Siden den aerodynamiske effektiviteten til HAWT-er generelt er bedre, er i dag anvendelsen av disse mest utbredt. Siden større vindressurser og potensial kan utforskes i dypere hav, har vindparker beveget seg mot dypt vann de siste årene.

Avgjørende dynamiske svar

De flytende havvindturbinene har blitt den tilgjengelige løsningen på dypt vann. Den tynne, halvt nedsenkbare plattformen (TLP), som har vært brukt i olje- og gassindustrien i lang tid, er mest brukt for havvindmøller.

De dynamiske responsene til disse flytende strukturene i nærvær av det marine miljøet er avgjørende for designet.

Prototyper

Flere prototyper av flytende HAWT-er er utviklet, for eksempel en rørledning fortøyd av Hywind-prosjektet i Norge, en halvt nedsenkbar WindFloat-demo i Portugal, og en flytende vindturbin i MOE-prosjektet i Kabashima i Japan.

Den kommersielle flytende vindparken Hywind Scotland (Equinor) startet sin produksjon i 2017.

UiS-forskere har utført dynamisk analyse av både halvt nedsenkbare flytende HAWT-er og VAWT-er samt VAWT-er av typen spar. For tiden jobber UiS-forskere med dynamisk respons til en VAWT-integrert modell med bølgeenergiomformere.

Aerodynamiske belastninger på store vindturbiner

Økende vindturbinstørrelse kombinert med nødvendige designforbedringer er den vanlige tilnærmingen for å redusere kostnadene for vindkraftproduksjonen.

Store rotorblader (for eksempel 178 meter og 252 meter rotordiameter for henholdsvis en 10 MW og en 20 MW turbin) vil fungere høyere opp i det marine atmosfæriske grenselaget (MABL) sammenlignet med vindparkene som er i drift, og stikker ofte ut over det såkalte overflatelaget.

Målinger i full skala

Virkningen av slike komplekse vindforhold for utforming av vindturbiner vil adresseres ved å utføre vindmålinger i full skala, samt avanserte numeriske simuleringer.

Vindfelt i Nordsjøen vil bli undersøkt av optiske vindsensorer (såkalte lidars), i samarbeid med Universitetet i Bergen (UiB), Christian Mikkelsen Research (CMR) og Equinor.

Aktiviteten vil bygge på det banebrytende arbeidet som ble utført av UiS, UiB og CMR i 2014. Målet er å fange opp den romtemporale strukturen til turbulens, særlig den synkende synkroniseringen av vindhastighetssvingningene for å øke laterale avstander i rotorplanet og økende frekvenser.

Beregningsanalyser

Virkningen av den variable romlige strukturen til vindhastighetsfeltet og den ekstreme belastningen av relevante vindturbindesign vil bli studert ved numerisk å simulere de representative vindfeltene og utføre relaterte strukturelle responsanalyser i tidsdomenet.

Slike analyser er beregningsmessig krevende, ettersom de krever modellering av vindturbinen og dens roterende rotor, nedsenket i et simulert tredimensjonalt vind- (og bølge) -felt, og responsberegningene for en rekke tidstrinn. Denne responsanalysen vil bli utført i samarbeid med Statkraft.

Et annet relevant tema er effekten av bølge-vind-interaksjon på de aerodynamiske belastningene og kraftproduksjonen. Dette vil bli studert ved bruk av relevante måledata i full skala, samt ved CFD-simuleringer.

Numerisk prediksjonsmodell for offshore vindturbinfundament

Mange vindparker ligger på havbunn med mobile sedimenter. I slike tilfeller må samspillet mellom sedimentene og turbinens bærestruktur tas i betraktning.

Skur er erosjon av sediment i nærheten av en struktur, noe som fører til en senkning av havbunnen som omgir strukturen. Dette kan potensielt være skadelig for strukturens stabilitet og dens levetid.

Offshore turbinfundament er utsatt for høye strømmer av havbunnsgrenselag (Reynolds), som er indusert av strøm og bølger. Hittil har det blitt utført svært få numeriske studier for å forutsi høye strømmer av Reynolds-antall rundt vindturbinunderstell på grunn av kompleksiteten i strømmen og manglende beregningsressurser.

For tiden utvikler forskere og doktorgradsstudenter ved UiS en CFD-modell for denne type beregninger.

Modellering av bølgebelastning på støttestrukturer til havvindmøller

Nøyaktig prediksjon av belastning fra bølger er en nøkkelfaktor i utformingen av maritime strukturer. Belastningen forårsaket av bratte stormbølger som påvirker kyst- og offshore-strukturer, har forårsaket betydelig skade på vertikale sjøvegger, kaier, moloer, kystbruer, oljeplattformer og FPSO- og LNG-transportører.

Impulsive bølgelastninger er spesielt vanskelige å forutsi, derfor blir marine strukturer ofte studert ved hjelp av hydrauliske modeller, og dette introduserer generelt flere modell- og skalaeffekter. Disse kombinerte effektene resulterer i avvik mellom belastninger registrert i fysiske modelltester og ekte prototyper, dermed i avvik mellom den oppskalerte modellen og prototype-observasjoner.

Et nylig samarbeidsprosjekt mellom UiS og NTNU, kalt WaveSlam, hadde som mål å undersøke bølgekreftene fra å kaste bruddbølger på en struktur på grunt vann. En storskalamodell ble testet for å kaste bruddbølger i Large Wave Facility i Tyskland. Under eksperimentene ble unike datasett samlet og registrert.

Dette verdifulle datasettet vil bli brukt til å utvikle nye modeller for kappekonstruksjoner og videre validere CFD-modeller utviklet i et tidligere doktorgradsprosjekt. En ny studie er også planlagt i samarbeid med HR Wallingford i Storbritannia for å utvikle en komprimerbar flerfasestrømsløser basert på OpenFOAM. Denne er i stand til å generere stabile, sammenhengende og statistisk betydningsfulle bølgetidshistorier for bølgelaster på marine strukturer.

Det forventes at resultatene fra denne forskningen vil bli brukt til å belyse den komplekse fysikken som står bak bølgestrukturinteraksjon, forbedre modelleringsevnen og gi anbefalinger for å forbedre den Empiriske studier: Betegner studier og resultater som er basert på forsøk eller observasjoner og ikke bare resonnering eller logikk formelen for praktiske designformål.

Installasjon av vindturbiner til havs

Installasjon av havparker gir store utfordringer når industrien beveger seg lenger ut til havs og i dypere farvann, og turbinene og fundamentene blir større og tyngre.

Nåværende installasjonsmetoder er følsomme for værforhold. Man må løfte fundamentet ved hjelp av flytende kranfartøy, distribuere og hente opp understell, og løfte turbiner og rotorer i stor høyde. Gode studier av disse kritiske installasjonsscenariene i planleggingsfasen er viktig.

Forskere ved UiS (professor Muk Chen Ong og førsteamanuensis Lin Li) fokuserer på numerisk analyse av ulike marine drifts- og installasjonsaktiviteter for offshore vindturbinfundamenter. Et eksempel er bruken av numeriske studier i løfteoperasjoner for stativfundament. Kompliserte numeriske modeller er etablert, og kritiske svar som begrenser værvinduene analyseres.

Simuleringene er viktige innspill for planlegging og gjennomføring av marine operasjoner. Videre vil det bli foreslått tiltak for å øke brukbarheten for slike værfølsomme operasjoner, noe som kan redusere installasjonskostnadene. Dette er et internt forskningsprosjekt ved UiS.

Drivlinjemodellering for offshore vindturbiner

Vindmøller til havs er komplekse maskiner som er utsatt for tøffe miljøforhold, og tilgang for vedlikehold, reparasjon og overhaling er begrenset og kostbar. Det er derfor viktig å forstå offshore-vindturbinens drivlinje fordi girkassesvikt konsekvent har vært en utfordring for vindenergiindustrien. Vindturbinene har ennå ikke oppnådd en levetid på 20 år. Videre gir girkassefeil ofte massiv nedetid. Noen bransjeaktører har til og med oppgitt girkassen som "missing link" i sine prosjekter. Det er behov for ny innsikt i forståelsen av drivlinjedynamikk fra et offshore-perspektiv for å forbedre designen og bedre forutsi dens levetid. Funnene i dette prosjektet bidrar til å gjøre havvind mindre risikofylt for bransjen.

I vår forskning er detaljerte modeller av drivverk med vindturbiner, inkludert individuelle komponenter, utviklet og analysert i detalj for å avsløre viktig dynamikk i drivverket.

Dette er et pågående prosjekt ved UiS ledet av professor Yihan Xing.

Skipspåvirkning for offshore vindturbiner 

Et økende antall flytende havvindturbiner (FOWT) har kommet de siste årene. Disse anleggene er truet av utilsiktet kollisjon fra forsyningsfartøyer og forbipasserende skip.

Skipskollisjon kan indusere lokale skader i betong- eller stålfundament. Bortsett fra lokale skader i flottøren, kan skipskollisjoner gi betydelige konsekvenser også for skipene.

Forskere ved UiS utfører skalerte eksperimentelle tester og numeriske simuleringer for å avdekke den virkelige oppførselen til FOWT-er under utilsiktet kollisjon. Både designoptimalisering og ettermonteringsteknikker vil bli foreslått for å sikre sikkerheten til flytende vindturbiner.

Forskere ved UiS: Professor Jasna B. Jakobsen og førsteamanuensis Yanyan Sha.