Two-bladed floating offshore wind turbines - Comparison of existing floating support structure concepts and aero-hydro-servoelastic simulation

Abstract

The application area of the bottom fixed wind turbines is limited to shallow waters up to 60m water depth. To use offshore wind turbines economically also in deeper waters, new foundation technologies must be applied. With the help of a floating offshore wind turbine (FOWT), areas of application with water depths up to 1000m can be opened up. The potential of the young expanding floating wind market has already been recognized by many companies, leading to a high variety of support structure concepts. For this reason, the first objective of this paper is to get an overview of commercial concepts and to assess those based on economic and environmental flexibility criteria. With the help of individual concept scores, suitable criteria and an appropriate weighting of those, the designs with the greatest potential for offshore wind farm deployment are to be identified. The second part of this work consists of a numerical simulation that investigates the IEA 15 MW wind turbine that is mounted on the semi-submersible VolturnUS from UMaine. The focus is on the investigation of nacelle accelerations and substructure displacements resulting from an extreme design load case. Three different models are investigated which differ regarding their applied calculation methods. The hydrodynamic loads acting on the substructure are modeled with a boundary element method (BEM), the Morison’s equation, and a combination of both. The simulation tool Bladed by DNV calculates the diffraction, radiation, and hydrostatic loading for the BEM models with coefficients from response amplitude operators.

Der Einsatzbereich von bodenfesten Offshore-Windkraftanlagen ist beschränkt auf flache Gewässer von bis zu 60 m Wassertiefe. Um Offshore-Windenergieanlagen auch in tieferen Gewässern wirtschaftlich nutzen zu können, müssen neue Gründungstechnologien eingesetzt werden. Mit Hilfe einer schwimmenden Windenergieanlage können Einsatzgebiete mit Wassertiefen bis zu 1000 m erschlossen werden. Das Potenzial dieses jungen Marktes wurde bereits von vielen Unternehmen erkannt, was zu einer großen Vielfalt an Tragwerkskonzepten geführt hat. Aus diesem Grund fokussiert sich der erste Teil dieser Arbeit darauf, einen Überblick über die kommerziellen Konzepte zu geben und diese anhand von wirtschaftlichen und ökologischen Flexibilitätskriterien zu bewerten. Mit Hilfe individueller Konzeptbewertungen, geeigneter Kriterien und einer angemessenen Gewichtung dieser Kriterien sollen jene Tragwerkskonzepte identifiziert werden, welche das größte Potenzial für den Einsatz in Offshore-Windparks aufweisen. Der zweite Teil dieser Arbeit besteht aus einer numerischen Simulation, welche die IEA 15-MW-Windenergieanlage in Verbindung mit dem Halbtaucherkonzept VolturnUS von UMaine untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Beschleunigungen der Gondel sowie Auslenkungen der Tragstruktur, die aufgrund eines Extremlastfalls resultieren. Es werden drei verschiedene Modelle untersucht, die sich hinsichtlich der verwendeten Berechnungsmethoden unterscheiden. Die auf die Tragstruktur wirkenden hydrodynamischen Lasten werden mit einer Randelementmethode (BEM), der Morison-Gleichung und einer Kombination aus beiden modelliert. Das Simulationsprogramm Bladed vom DNV berechnet die hydrodynamischen und -statischen Lasten für die BEM-Modelle mit Hilfe von Koeffizienten aus einer Übertragungsfunktionen (RAOs).