Concept study of a sailing offshore wind turbine

Abstract

Wind turbines play an important role in the transition towards a sustainable future. With the demand for clean energy unbroken, suitable sites onshore become rare and more and more conflicts around land use arise. That’s why the industry moved to the sea, where wind resources and space are abundant. After the development of fixed-bottom and floating offshore wind turbines (FOWT), we now present the concept of a sailing offshore wind turbine (SOWT). It can enter deeper waters and will unlock more resources. The concept builds on the existing spar floating turbines. Specifically, the IEA Wind 15 MW reference turbine and the WindCrete spar are used. Simulations are run in OpenFASTv2.4, while the hydrodynamics of the spar are calculated in Ansys AQWA. The turbine is not attached to the sea floor but free to move. It is intended to sail with the wind like a ship. The turbine’s controller can be used to perform manoeuvres such as stop or turn. The turbine will produce power while sailing. It can store the energy onboard and will unload it periodically, e.g. to ships or stations. From this approach, many challenges arise. This work focuses on the stability. Special interest lies on the floater’s yaw stiffness which is very low. Due to the lack of mooring lines, it plays an important role for the stability. We concentrate on improving yaw stability by the instalment of underwater drag elements that slow down the yaw. Drag elements lead to a reasonable period of stability. Still, the turbine becomes unstable afterwards. Reason for this is the sideways force F_T,y, the y – component of the thrust force F_T. It is defined as F_T,y = F_T * sin{alpha_yaw}. The yaw angle alpha_yaw increases constantly under wind load, leading to an increase in F_T,y as well. Instabilities occur when F_T,y reaches a tipping point but not before. For steady wind with wind speeds v of 20 m/s and 25 m/s, the following pitch and roll are so strong that the rotor blades touch the water. For the lower wind speeds of 9 m/s and 17 m/s, pitch and roll are less strong. The turbine can recover and stabilize. The suggestion is to avoid the tipping point to prevent instabilities. Minimizing F_T,y can be achieved by the reduce of the thrust force F_T through rotor blade pitching. Another option is to control the yaw angle alpha_yaw through the nacelle yaw. Both strategies can be implemented into the turbine‘s controller.

Windturbinen spielen eine wichtige Rolle im Wandel hin zu einer nachhaltigen Zukunft. Die Nachfrage nach sauberer Energie ist ungebrochen hoch. Doch Plätze mit guten Windressourcen an Land werden immer knapper. Daher werden nun Anlagen im Meer errichtet, wo Wind und Platz in Fülle vorhanden ist. Nach der Entwicklung von fixierten und schwimmenden Offshore Windturbinen (FOWT) präsentieren wir nun das Konzept einer segelnden Offshore Windturbine (SOWT). Das Konzept baut auf die bestehende schwimmende Anlage mit SPAR-Schwimmer. Es werden die IEA Wind 15 MW Referenzturbine und der WindCrete spar verwendet. Die Simulationen werden in OpenFASTv2.4 durchgeführt, während die Hydrodynamik des SPARs in Ansys AQWA berechnet wird. Die Turbine ist nicht am Meeresboden verankert sondern kann sich frei bewegen. Sie soll, ähnlich wie ein Schiff, mit dem Wind segeln. Der Controller der Turbine kann verwendet werden um Manöver wie Halt oder Lenken auszuführen. Die Turbine wird während dem Segeln elektrische Energie erzeugen und an Bord speichern. Die Energie wird periodisch abgeladen, z.B. an Schiffen oder Stationen. Dieser Ansatz beinhaltet viele Herausforderungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Stabilität. Besonderes Interesse liegt auf der Steifigkeit des SPAR Schwimmers gegen Scherung, da diese sehr gering ist. Weil Ankerleinen fehlen, spielt sie aber eine wichtige Rolle für die Stabilität. Eine Verbesserung durch das Anbringen von Widerstandselementen unter Wasser wird untersucht. Widerstandselemente führen zu einer akzeptablen Dauer von Stabilität. Danach wird die Turbine jedoch instabil. Der Grund ist die seitliche Kraft F_T,y, die y – Komponente der Schubkraft F_T. Sie ist definiert als F_T,y = F_T * sin{alpha_yaw}. Der Scherwinkel alpha_yaw steigt unter Windlast konstant an und führt damit zu einem Anstieg von F_T,y. Instabilität tritt erst auf, wenn F_T,y einen Kipppunkt erreicht. Für stetigen Wind mit Windgeschwindigkeiten v von 20 m/s und 25 m/s sind die darauffolgenden Roll- und Neigungsbewegungen so stark, dass die Rotorblätter das Wasser berühren. Für die geringeren Windgeschwindigkeiten von 9 m/s und 17 m/s fallen die Roll- und Neigungsbewegungen weniger stark aus. Die Turbine kann sich wieder stabilisieren. Es wird vorgeschlagen, den Kipppunkt zu vermeiden, um Instabilitäten zu verhindern. Um F_T,y zu verringern, kann die Schubkraft F_T vermindert werden. Dies ist durch die Verstellung des Blattwinkels möglich. Eine andere Option ist die Regelung des Scherwinkels alpha_yaw durch die Drehung des Rotorkopfes. Beide Strategien können mit der normalen Regelung der Turbine durchgeführt werden.