Structural analysis of offshore wind turbine support structure under hydrodynamic and aerodynamic loads

Abstract

Değişen bir dünyada yaşıyoruz ve bununla birlikte dünya enerji talepleri de değişiyor.Nüfustaki artış ve daha fazla çevre bilinci, mühendislerin her zamankinden daha fazlaenerji üretmeleri gerektiği anlamına geliyor. Bu, mühendisleri bu talepleri karşılamak içinalternatifler bulmaya yönlendirdi. Sonunda fark yaratacak teknolojidir. Rüzgar enerjisimühendisliği, bu değişikliklerin gerçekleştirilmesinde ön plandadır. Bugün açık denizmühendisleri, rüzgar türbinlerinin etkinliğini artırmak için bazı kıyı rüzgar türbinleriniaçık denizde hareket ettirmeye karar verdiler. Bunu yapmak için, mühendisler dahayüksek performansa erişebilmeleri için yeni teknolojiyi mevcut filoya dahil ediyorlar.Mühendisler, rüzgar teknolojisinin, herkesin yararına olacak şekilde dünya enerji talebiningelecekteki aşamasını değiştireceğine inanıyor. Rüzgar enerjisi zaten kanıtlanmış birteknolojidir, yıllar boyunca pek çok umut ve potansiyel göstermiştir. Dünya rüzgarenerjisi birliği enerjisinden (WWEA) yapılan bir basın bültenine göre, `2018 sonundadünyaya kurulan toplam kapasite rüzgar türbinleri, WWEA tarafından yayınlananistatistiklerle gösterildiği gibi yaklaşık 600 GW'a ulaşacak. 2018 yılında ticari şebekeyeyaklaşık 54.000 Megawatt entegre edildi; bu, 2017 yılında, 52.555 Megawatt inşaedildiğinde beklenenden daha fazladır. Benzer şekilde, 2018'de büyüme artmaya devametti, ancak yeni tesisler var, ancak önceki yıla göre %10,8 artıştan sonra yaklaşık %9,8daha düşük bir oranda. Verilerin belirttiği gibi, 2018'in sonunda inşa edilen rüzgartürbinleri dünya elektrik enerjisi talebinin %7'sine ulaşabiliyor` (Gsänger, 2019).OWT'nin dinamik komplikasyonları ve çeşitli iç ve dış yüklemelere maruz kalmalarınedeniyle, OWT özellikle sürekli olarak özellikle aerodinamik ve hidrodinamik yüklerdeçevresel yüklere maruz kalır. Bu nedenle, çevresel yük OWT'nin destek yapısınıntasarımında göz önünde bulundurulması gereken önemli bir tasarım kriteridir.Açık deniz rüzgar türbininin (OWT) dinamik komplikasyonları ve çeşitli iç ve dışyüklemelere maruz kalmaları nedeniyle, açık deniz rüzgar türbinleri özellikle sürekliolarak özellikle aerodinamik ve hidrodinamik yüklerde çevresel yüklere maruzkalmaktadır. Bu nedenle, çevresel yük, açık deniz rüzgar türbininin destek yapısınıntasarımında göz önünde bulundurulması gereken önemli bir tasarım kriteridir.Bu araştırmada asıl amaç, aşırı aerodinamik ve hidrodinamik yükler altında açık denizrüzgar türbininin destek yapısına maruz kalan çeşitli çevresel yüklerin tepkisini ve etkisinixxivaraştırmaktır. Bunu yapmak için, dengesiz aerodinamik rüzgarın yanı sıra açık denizrüzgar türbini destek yapısına maruz kalan hidrodinamik dalgayı analiz etmek çokönemlidir. Tezin ilk bölümü, genel olarak OWT hakkında, OWT endüstrisinde tip destekyapısı olan OWT'nin yararına giriş niteliğindedir. Benzer alandaki diğer araştırmacılartarafından yapılan geçmiş araştırmaların literatür taramasının yapılması daha da ileri gitti.Ulusal yenilenebilir enerji laboratuarı (NREL) rüzgar türbini bu araştırma için seçildi veikinci bölüm NREL 5MW rüzgar türbini ve tekel özelliklerini açıkladı. Ayrıca, bölüm,tezin kapsamını ve sınırlamalarını sunmaktadır, örneğin toprağı monopile etkileşimininihmal edildiği ve monopilin deniz yatağında statik bir sabit desteğe sahip olduğuvarsayıldığı için sorunu basitleştirmek için gerekli varsayımlar yapılmıştır.Bölüm 3'te, tez problemiyle ilgili gerekli teorik arka plan sunulmuş ve yüklerinhesaplamaları takip edilmiştir. Hesaplamaları daha güvenilir yapmak için, aerodinamik vehidrodinamik yükleri hesaplamak için bilinen standart uygulamalar kullanılır. Bu tezdekullanılan standartlardan biri Amerikan petrol enstitüsü (API) standardı olup, dalga yükühesaplamalarında uygulanmaktadır. Det Norske Veritas (DNV) tarafından önerilenuygulama kuledeki rüzgar yükü hesaplamaları için kullanılırken rotor itme yükühesaplamaları NREL 5MW rüzgar türbini tarafından yapılır. Bununla birlikte, rotor itişinihesaplamak için alternatif bir rotor teorisi çözümü verilmiştir.4. bölümde, önceki bölümde hesaplanan yükler ve destek yapısındaki kısıtlamalartanımlanmış ve destek yapı modelinde düzenlenmiştir. Sonlu elemanlar analizi yazılımıANSYS APDL kullanılarak, destek yapısının tepkisi hesaplamaları yapılır. Destekyapısının azami en kötü durum senaryosunda yanıtını görmek için yük durumlarıvarsayılır (Yük durumu 1 ve Yük durumu 2).Daha sonra simülasyonların sonuçları sunuldu ve analiz edildi. Destek yapısının yerdeğiştirmesi ve destek yapısındaki gerilmeler alanı olmak üzere iki ana alana bakılır.Sonuçlardan, yük durumu 1'in destek yapısının daha yüksek yer değiştirmesi yarattığıaçıktır. Yük kasası 1 için azami yer değiştirme yaklaşık 0,97 m'dir, ancak uygulama yükkasası 2'ye geçtiğinde, azami yer değiştirme %11,9 azalır. Öte yandan, Von Mises stresi,yaklaşık 0.131E + 09pa (131Mpa) olan her iki yük durumu için aynı kalır. Bu, dalga yüküyönündeki değişimin Von Mises stresini etkilemediği anlamına gelir. Sonunda, kuledekigerilmeleri azaltmak için iki alternatif öneride bulunulmuşturVon Mises stresi arsalarından, Von Mises stresi kulede monopile kıyasla daha yüksekolduğu açıktır. Bu, yük arttıkça başarısızlığın tekelden önce kulede başlayacağı anlamınagelir. Bu nedenle, kuledeki gerilimleri azaltmak için iki alternatif çözüm önerilmiştir.1. Kulenin kalınlığındaki artış, kuledeki gerilmeleri azaltacaktır. Ancak, buekonomik giderler ile gelecek ve mantıklı bir şekilde yapılması gerekenxxv2. Kule yüksekliğini azaltın. Bu rüzgar türbini üzerindeki genel aerodinamik yüküazaltacaktır, dolayısıyla kule üzerindeki baskıları azaltacaktır. Ancak, bunun birdezavantajı var, rüzgar türbininin çıkardığı rüzgar gücü düşük irtifa düşük rüzgar hızıanlamına geldiğinden tehlikeye girer.

We live in a changing world, and the world energy demands changes with it. The increasein population and a greater environmental awareness means engineers has to produce moreenergy than ever and more sustainably. This has led engineers to find alternatives to meetthose demands. Ultimately it is technology that will make the difference. Wind energyengineering is among the forefront of making this change happen. Today, offshoreengineers set out to move some the onshore wind turbine offshore in other to increaseeffectiveness of wind turbines. To do that, engineers are integrating new technology intoexisting fleet to give them access to a higher performance.Engineers believe wind technology will change the future phase of world energydemand for the benefit of all. Wind energy is already a proven technology, it has shownlots promise and potential over the years. According to a press release from world windenergy association energy (WWEA), `The total capacity wind turbines installed aroundthe world at the end of 2018 will get to almost 600 GW, as shown by statistics publishedby WWEA. About 54,000 Megawatt were integrated to the commercial grid in the year2018, which is relatively more than what is expected in the year 2017 when about 52'552Megawatt were constructed. Similarly, in 2018 the growth has continued to increase, thereare new installations although, it's at a lower rate of about 9.8 %, after 10.8% growth theprevious year. As pointed out by data, wind turbines constructed by end of 2018 can reachup to 7% of worldwide electric power demand` (Gsänger, 2019).Due to the dynamic complication of offshore wind turbine OWT and their subjection tovarious internal and external loading, offshore wind turbine is especially constantlysubjected to environmental loadings especially aerodynamic and hydrodynamic loads.Therefore, the environmental load is an important design criterion that should beconsidered during the design of support structure of OWT.Due to the dynamic complication of offshore wind turbine (OWT) and their subjection tovarious internal and external loading, OWT are especially constantly subjected toenvironmental loadings especially aerodynamic and hydrodynamic loads. Therefore, theenvironmental load is an important design criterion that should be considered during thedesign of support structure of OWT.In this research, the main objective is to investigate the response and influence of variousenvironmental loads subjected on the support structure of offshore wind turbine underextreme aerodynamic and hydrodynamic load. In order to do this, it is very important toxxanalyze the unstable aerodynamic wind as well as the hydrodynamic wave that issubjected on the offshore wind turbine (OWT) support structure.The first chapter of the thesis give the introduction about OWT in general, the benefit ofoffshore wind turbine, the type support structure in the OWT industry. It went further togive literature review of past research done other researchers in similar field.National renewable energy laboratory (NREL) wind turbine is selcted for the research,and the second chapter presents the specification of the NREL 5MW wind turbine and themonopile. Furthermore, the chapter presents the scope and limitations of the thesisnecessary assumptions are made in order to simplify the problem for instance the soilmonopile interaction is neglected and it is assumed the monopile has a static fixed supportat the sea bed.In chapter 3, necessary theoretical background related to the problem of the thesis ispresented and it is followed by calculations of the loads. To make the calculations morereliable, renowned recommended standard practices are used to calculate the aerodynamicand hydrodynamic loads. One of the standards used in this thesis is the Americanpetroleum institute (API) standard, it is applied in the calculations for the wave loads.Recommended practice by Det Norske Veritas (DNV) is used for the wind loadcalculations on the tower while the rotor thrust load calculations is as giving by the NREL5MW wind turbine. However, an alternative rotor theory solution was given forcalculating the rotor thrust.In chapter 4 the loads calculated in the previous chapter and constrains on the supportstructure are defined and it is set up on the support structure model. Using finite elementanalysis software ANSYS APDL the calculations of the response of the support structureis carried out. Load cases is assumed (Load case 1 & Load case 2) in order to see theresponse of the support structure under a maximum worst-case scenario. Afterwards,results of the simulations are presented and analyzed. Two main areas are looked at, thedisplacement of the support structure and the stresses field in the support structure. Fromthe results, it is evident the load case 1 create higher displacement of the support structure.The maximum displacement for the load case 1 is about 0.97m however, when theapplication is change to load case 2, the max displacement decreases by 11.9%. On theother hand, the Von Mises stress remain the same for both load cases which is about0.131E+09pa (131Mpa). This means the change of wave load direction has no effect onthe Von Mises stress. From the result of the Von Mises stress it is evident the Von Misesstress are higher at the tower when compared to the monopile. This means that failure willbegin at tower before the monopile when the load is increased. Therefore, in order toreduce the stresses in the tower two alternative solutions are proposed.xxi1. Increase in the thickness of the tower will reduce the stresses in the tower.however, this will come with economical expenses and should be done in a logicalway2. Decrease the tower height. This will reduce the overall aerodynamic load on thewind turbine consequently it will reduce stresses on the tower. However, there's adrawback to this, the wind power extracted by the wind turbine will compromisedsince lower altitude means low wind speed.