Havvind - turbinfundament

Bølger forvirrer flytende vindmøller - komplekse beregninger skal finne løsningen

Beregningsmodeller skal sørge for at havvindmøller virker optimalt.

Danske forskere og vindmølleprodusenter skal utvikle havvindmøller som fungerer optimalt også når bølger beveger møllene.
Danske forskere og vindmølleprodusenter skal utvikle havvindmøller som fungerer optimalt også når bølger beveger møllene.
EKSTRA

Beregningsmodeller skal sørge for at havvindmøller virker optimalt.

  • energi
Hei, dette er en Ekstra-sak som noen har delt med deg.
Lyst til å lese mer? Få fri tilgang for kun 199,- i måneden.
Bli Ekstra-abonnent »

Forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og Siemens-Gamesa har gått sammen med vindmøllepioneren Henrik Stiesdal om et prosjekt som skal utvikle beregningsmodeller for fremtidige flytende vindmøllefundamenter.

Det er ikke usannsynlig at danske vindmølleparker i fremtiden kommer til å flyte på havet. Det er blant ambisjonene til prosjektet Float.

­Step, DTU Vindenergi, Siemens Gamesa og Henrik Stiesdal samarbeider om å lage de beregningsmodellene som skal gjøre det mulig å konstruere flytende havmøller på en lønnsom måte. Den danske Innovationsfonden støtter prosjektet med over 20 millioner norske kroner.

Mange faktorer spiller nemlig inn når havmøllene ikke har fundamentet godt festet i bakken, forklarer professor Henrik Bredmose ved DTU Vindenergi. Han er også faglig leder på FloatStep-prosjektet.

– Forskjellige typer bølger, vind, tårnets bevegelse, møllevingenes rotasjon, generatorens moment, møllens styre­system, ankerkablenes svingninger og materialenes bevegelighet – det er et ganske så komplekst system, sier han.

Prosjektet skal utvikle svært raske beregningsmodeller og benytte dem sammen med optimeringsmetoder som tidligere har blitt brukt til havvindmøller som er festet til bunnen. Det skal også forbedre beregningsmetodene for lavfrekvente bølger, og sammen med bedriften Stromning utvikle CFD (comp fluid dynamics)-modeller for ekstreme bølger og de dempende effektene som forårsakes av strømvirvler.

Flytende vindmøller kommer

Også i utlandet er utviklingen av flytende vindmøller godt i gang. Verdens første flytende havvindmøllepark, Hywind Scotland på 30 MW, ligger utenfor den skotske kysten, og er satt opp av Equinor med vindmøller fra Siemens-Gamesa. Samtidig har amerikanske Principle Power, franske Ideol og flere andre bedrifter fullskalamodeller på havet.

Hywind-flottøren er litt anner­ledes enn den modellen som DTU beregner, men prinsippet er det samme: en mølle, en relativt stabil flyteplattform og en forankring.

FloatStep har foretatt modellforsøk i skala 1:60. Disse har blitt testet i et bølgebasseng på Dansk Hydraulisk Institut (DHI). Flyteelementet er en TetraSpar-konstruksjon som er utviklet av den tidligere teknologisjefen Henrik Stiesdal fra Siemens Wind Power og hans bedrift Stiesdal Offshore Technologies. Et demonstrasjonsprosjekt i fullskala er nå på trappene.

Vippende møller er en utfordring

En flytende mølle vipper fram og tilbake når bølgene passerer under flottøren til møllen. Den vipper kanskje ikke mer enn noen grader, men for nacellen (den sentrale enheten med gir og generator, overs. anm.) innebærer det mange meters bevegelse fram og tilbake i vindretningen.

– Når møllen vipper mot vinden, endrer dette naturligvis vindpresset og rotasjonen til møllevingene. Dette problemet har ikke landmøller. Kontrollsystemet til en landbasert mølle vil tolke dette som at vinden øker, forklarer Henrik Bredmose.

Møllen vil vri på møllevingene, slik at de får mindre flate mot ­vinden, og dermed reduseres vindpresset. Møllen vil vri vingene den andre veien når den vipper bakover, og dermed øker vindpresset.

– Dette er en ganske dårlig løsning for en flytende mølle, siden det er en slags resonans eller feedback. En landmølle står også og vibrerer i vinden, men mye raskere, så det problemet har de ikke.

Løsningen har vært å bygge inn en treghet inn i systemet, slik at eventuelle endringer registreres senere eller ignoreres. Et forbedret tillegg er å bygge inn et signal fra tårnets bevegelse i kontrollsystemet, slik at det tolker tårnets bevegelser korrekt.

– Det er mye mer komplekst enn å regne på et landbasert tårn, fordi det er langt flere ting å beregne. Og noen av dem – faktisk nesten alle sammen – henger sammen i modellen. Så hvis man har foretatt en feil, forplanter den seg videre i beregningen.

Mindre bølger rykker i kabelen

De mest ekstreme bølgene som man har jobbet med i modellforsøkene, tilsvarer 18 meter høye bølger med bølgelengder på flere hundre meter. Altså den typen bølger som man kan forvente på Atlanterhavet i kraftig vind.

– Faktisk ligger utfordringene for tiden i de lavfrekvente bølgene – de lange, subharmoniske bølgene som henger sammen med bølgegruppene. De kan skape ­svingninger i ankerkablene. Dette må vi regne mer på, sier Henrik Bredmose.

Prosjektet har som delmål å utvikle en optimal flottør. De modellene som man utvikler, vil kunne brukes til alle flottører. For prosjektet handler om å få et forsprang.

I utviklingsarbeidet er det enormt nyttig å få validert regnemodellene i fullskala, for bare på den måten kan man ta høyde for alle elementene i dynamikken mellom mølle, vind, flottør og hav. Etter planen skal Siemens-Gamesa levere en mølle på 3–6 MW, som man kan benytte i demonstrasjonsprosjektet. Den skal taues ut neste sommer, og deretter monteres på en TetraSpar-flottør.

Et viktig forsprang

Siemens-Gamesa har levert en del data til FloatStep-prosjektet, og vil – ifølge Rune Rubak, som er leder av selskapets avdeling Loads and Control Offshore Technology – også få nyttige data ut av dette.

Deltakere i prosjektet

  • DTU sitter som prosjektleder og koordinator på FlowStep projektet. De kommer også til å samle inn data og utarbeide beregningsmodellene.
  • DHI (Dansk Hydraulisk Institut) har gjennomført de mange modellforsøkene i skala 1:60.
  • Stiesdal Offshore Technologies har utviklet TetraSpar-konstruksjonen som brukes i modellen og i den flottøren som skal benyttes i fullskalatester.
  • Siemens-Gamesa er partner i fullskalaprosjektet, hvor de vil levere vindmøllen. De kommer til å levere nøkkeldata fra fullskalademonstrasjonen som validering av FlowStep-beregningene.
  • Stromning utvikler Computational Fluid Dynamics (CFD)-modeller, og leverer ekspertise i OpenFoam; et CFD-program med åpen kildekode.
  • University of Western Australia har ekspertise med beregning av CFD, som FlowStep-modellene baserer seg på.
  • Den danske Innovationsfonden har støttet FlowStep-prosjektet med 15,8 millioner kroner.

– Vi regner med at vi får forbedret beregningsmodellene våre, noe som gjør at vi bedre kan optimere møllen og samspillet dens med fundamentet. Selvfølgelig får vi også et generelt forsprang, for det blir generert konkret kunnskap som vi kan bruke framover, sier han.

Selve konstruksjonen av flottøren tilhører Stiesdal Offshore Technologies, i likhet med den flottøren som vil bli brukt i modellforsøkene. De optimeringene som kommer ut av beregningene til DTU, vil forbedre fremtidige versjoner av flottøren, men vil også kunne brukes til beregninger av andre flottører.

– Det viktigste for meg i selve proto­typ-prosjektet er naturligvis at det blir en god referanse-case, som viser at teknologien fungerer. Men det tilknyttede forskningsprosjektet er også veldig viktig, for det danner grunnlaget for den videre utviklingen av teknologien, sier Henrik Stiesdal.

– Derfor er det også glimrende å ha med DTU-gjengen og Siemens- Gamesa, for med dem dekker vi hele fagfeltet, fra det teoretiske til det praktiske.

Åpen utvikling

Kombinasjonen av et universitet som DTU, en selvstendig oppfinner som Henrik Stiesdal og en vindmøllegigant som Siemens Gamesa gjør også prosjektet interessant av andre årsaker. Det kommer nemlig til bli offentliggjort en del data som deltagerne fra DTU måtte velge å publisere i diverse avhandlinger. Noen av disse dataene vil komme fra vindmøllen i fullskala-demonstrasjonen

– Helt fortrolige mølledata, som for eksempel nøyaktige detaljer omkring aerodynamiske profiler for møllevingen, vil vi ikke offentliggjøre – men det blir heller ikke nødvendig her, siden det dreier seg om å kunne regne på den globale dynamikken. Overfor partnerne i prosjektet er vi veldig åpne overfor en gjensidig fortrolighets­avtale, sier Rune Rubak.

Denne saken ble først publisert som Plus-artikkel på ing.dk, og gjøres tilgjengelig for abonnenter av TU Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.

Kommentarer (0)

Kommentarer (0)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå