OTICS: Vindkraft til havs

Flytende vindturbiner til havs

Vindturbiner finnes i to hovedtyper: de med horisontal aksel (HAWT) og de med vertikal aksel (VAWT). De horisontale turbinene er mest effektive og derfor mest brukt i dag.

For å utnytte sterkere vind ute på dypere hav, har man begynt å bygge vindparker lenger fra land. Der er det for dypt til å feste turbinene til havbunnen, så man bruker flytende plattformer i stedet.

En vanlig type plattform er den halvt nedsenkbare, som også brukes i olje- og gassindustrien. Disse plattformene må tåle bølger, vind og strøm – derfor er det viktig å forstå hvordan de beveger seg i vannet når man designer dem.

Eksempler på flytende vindturbiner

Det finnes flere testprosjekter med flytende vindturbiner:

• Hywind i Norge – en turbin festet med tau til havbunnen
• WindFloat i Portugal – en halvt nedsenkbar plattform
• Et prosjekt i Kabashima, Japan – med en annen type flytende løsning

I 2017 startet verdens første kommersielle flytende vindpark, Hywind Scotland, strømproduksjon.

Forskning ved Universitetet i Stavanger (UiS)

Forskere ved UiS har analysert hvordan både horisontale og vertikale flytende vindturbiner oppfører seg i sjøen. Nå jobber de med en ny modell som kombinerer en vertikal vindturbin med bølgeenergi – altså to typer fornybar energi i én løsning.

Vindbelastning på store turbiner

For å gjøre vindkraft billigere, bygger man stadig større vindturbiner. Disse har enorme rotorblader – eksempelvis 178 meter for en 10 MW turbin og 252 meter for en 20 MW turbin. Slike turbiner strekker seg høyt opp i atmosfæren, der vindforholdene er mer kompliserte enn nær bakken.

Målinger og simuleringer

For å forstå hvordan vinden påvirker disse store turbinene, skal forskere:

• Måle vinden i full skala med spesielle lasermålere (lidar) i Nordsjøen.
• Simulere vinden med avanserte dataprogrammer.

Dette skjer i samarbeid med Universitetet i Bergen, Christian Michelsen Research (CMR) og Equinor, og bygger videre på forskning fra 2014.

Målet er å forstå hvordan vinden varierer i tid og rom – spesielt hvordan turbulens (vindkast og svingninger) påvirker turbinene.

Beregninger og analyser

Forskerne vil også:

• Lage datamodeller av vindturbiner i 3D-vindfelt og se hvordan de reagerer over tid.
• Undersøke hvordan vind og bølger sammen påvirker belastningen på turbinene og hvor mye strøm de kan produsere.

Dette er krevende analyser og gjøres i samarbeid med Statkraft.

Modell for å forutsi hvordan havbunnen påvirker vindturbiner

Mange vindparker til havs står på havbunn med løse masser som sand og grus. Da er det viktig å forstå hvordan disse massene påvirker fundamentet til vindturbinene.

Skur betyr at sand og grus rundt fundamentet blir skylt bort av vannstrømmer. Dette kan gjøre at fundamentet blir mindre stabilt og kan forkorte levetiden til turbinen.

Fundamentene til vindturbiner til havs utsettes for sterke strømmer og bølger, som skaper kompliserte vannbevegelser. Det finnes fortsatt få datamodeller som kan forutsi hvordan disse strømningene oppfører seg rundt turbinene, fordi det er vanskelig å beregne og krever mye datakraft.

Forskere og doktorgradsstudenter ved Universitetet i Stavanger (UiS) jobber nå med å utvikle en datamodell (numerisk fluiddynamikk-modell) som kan gjøre slike beregninger.

Modellering av bølgebelastning på støttestrukturer til havvindmøller

For å kunne designe sikre og robuste maritime konstruksjoner, som for eksempel støttestrukturer til havvindmøller, er det viktig å kunne forutsi hvordan bølger påvirker dem. Spesielt store og bratte stormbølger kan forårsake skader på for eksempel moloer, kaier, oljeplattformer og skip.

En type bølgekraft, kalt impulsive bølgelaster, er spesielt vanskelig å beregne nøyaktig. Derfor brukes ofte fysiske modeller i vannlaboratorier for å studere hvordan bølger påvirker konstruksjoner. Men slike modeller kan gi avvik fra virkeligheten, blant annet på grunn av skalering og forenklinger i modellene.

Et forskningsprosjekt kalt WaveSlam, et samarbeid mellom Universitetet i Stavanger (UiS) og NTNU, har undersøkt hvordan bruddbølger (bølger som bryter) treffer konstruksjoner på grunt vann. Forskerne brukte en stor modell i et bølgelaboratorium i Tyskland for å samle inn detaljerte målinger.

Datasettet skal brukes til å utvikle bedre modeller for kappekonstruksjoner (en type støttestruktur) og til å teste og forbedre avanserte datasimuleringer (numerisk fluiddynamikk-modeller).

I tillegg planlegges et nytt samarbeid med HR Wallingford i Storbritannia for å utvikle en avansert simuleringsmodell basert på såkalt OpenFOAM. Denne modellen skal kunne lage realistiske og stabile bølgesimuleringer som kan brukes til å analysere belastninger på marine konstruksjoner.

Målet med forskningen er å få bedre forståelse av hvordan bølger og konstruksjoner påvirker hverandre, forbedre simuleringsverktøyene og gi bedre retningslinjer for praktisk design av slike strukturer.

Installasjon av vindturbiner til havs

Å bygge vindparker til havs blir stadig mer utfordrende. Dette skyldes at turbinene og fundamentene blir større og tyngre, og at de plasseres lenger ut i havet og på dypere vann.

Dagens installasjonsmetoder er svært avhengige av været. For eksempel må man bruke store kranfartøy som flyter på vannet for å løfte tunge deler som fundamenter, tårn og rotorblader. Disse løftene skjer ofte i stor høyde, og dårlig vær kan gjøre arbeidet risikabelt eller umulig.

Derfor er det viktig å planlegge slike operasjoner nøye. Ved Universitetet i Stavanger (UiS) forsker professor Muk Chen Ong og førsteamanuensis Lin Li på hvordan man kan bruke datamodeller og simuleringer for å analysere og forbedre disse installasjonene. Et eksempel er studier av hvordan man trygt kan løfte stativfundamenter.

De bruker avanserte datamodeller for å finne ut hvilke værforhold som gjør det trygt å jobbe, og hvilke som ikke gjør det. Resultatene fra simuleringene hjelper til med å planlegge installasjonen bedre og kan bidra til å redusere kostnadene.

Dette er en del av et internt forskningsprosjekt ved UiS.

Drivlinjemodellering for offshore vindturbiner

Havvindmøller er avanserte maskiner som må tåle tøffe værforhold. Det er dyrt og vanskelig å komme seg ut til dem for vedlikehold og reparasjoner. Derfor er det viktig å forstå hvordan drivlinjen – altså systemet som overfører kraft fra rotorbladene til generatoren – fungerer.

Et stort problem i bransjen er at girkassen ofte svikter. Dette fører til lange perioder med nedetid og høye kostnader. Mange vindturbiner har heller ikke nådd den forventede levetiden på 20 år. Noen i industrien omtaler til og med girkassen som det "manglende leddet" i utviklingen av pålitelige havvindprosjekter.

For å løse dette, forsker professor Yihan Xing og teamet hans ved Universitetet i Stavanger (UiS) på hvordan drivlinjen oppfører seg. De lager detaljerte datamodeller av drivverket og analyserer hvordan de ulike delene påvirker hverandre.

Målet er å forbedre designet, forutsi levetiden bedre og gjøre havvind mindre risikabelt og mer lønnsomt.

Skipspåvirkning på flytende havvindmøller

Det blir stadig flere flytende havvindmøller (FOWT), men disse kan være utsatt for uhell. Et vanlig problem er at skip, som forsyningsbåter eller andre fartøy, kan kollidere med dem ved et uhell.

Slike kollisjoner kan skade fundamentet til vindturbinen, enten det er laget av stål eller betong. I tillegg til skader på selve vindturbinen, kan også skipet få store skader.

Forskere ved Universitetet i Stavanger (UiS) jobber med å forstå hva som skjer under slike kollisjoner. De gjør både småskalaforsøk i laboratorier og utvikler datamodeller for å simulere virkelige situasjoner.

Målet er å finne bedre måter å designe og forsterke vindturbinene på, slik at de tåler slike sammenstøt bedre.

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