NJOMO WANDJI, Wilfried

Mange samfund introducerer bæredygtige energi kilder ud fra økologiske og geo-strategiske overvejelser. Vind energi er blandt de energi teknologier, som har opnået betydelig interesse over de seneste årtier, fordi den kan opfylde de behov som flere samfund har brug for. Der er dog en række udfordringer forbundet med at udnytte havvindkraft, så som reduktion af prisen på energien, håndtering af store strukturer, uforudsigeligheden af havbetingelserne og en bedre forståelse af de mekaniske egenskaber af strukturerne. Tre tiltag er anvendt til at reducere kosten af energien fra havvind i denne afhandling: Reduktion af konservatismen i design, forbedrede design procedurer og udvikling af innovative strukturelle systemer som passer til store havvindmøller. Opskaleringen af strukturerne medfører nye udfordringer, som ikke er tilstede for små strukturer. Disse inkluderer: forberedelse af brugbare modeller, som kan erstatte modeller verificeret på mindre strukturer, opskalering af substrukturer så som masse dæmpere (hvis volumen bliver for store) og forlængelse af udmattelses levetid for jacket substrukturer. Udover at være aggressive, så er miljø betingelserne og de tilsvarende modeller for havmiljøer meget usikre. Passende statistiske metoder skal derfor bruges for at opnå robuste design af strukturer, hvis ydeevne ikke påvirkes betydeligt af små ændringer i havmiljøet. Nylige inspektioner af havvindmøllerinstalleret på monopæle har vist seriøse skader på støbte sammenføjninger. Den efterfølgende undersøgelse viste at de mekaniske fænomener for støbte sammenføjninger var blevet misforstået. Forklaringer på dette er blevet foreslået i tidligere studier og denne afhandling undersøger en af de foreslåede løsninger. Dette studie adresserer ovenstående udfordringer gennem tre aktiviteter: (i) Aktivitet 1: reduktion af konservatisme, (ii) Aktivitet 2: Levetidsforlængelse og (iii) Aktivitet 3: Innovative systemer. Disse aktiviteter er implementeret forskelligt gennem opgaver på forskellige vindmøllestrukturer (aksel, jacket, semi-flyder, monopæl og støbte sammenføjninger). Nedenstående forskningsspørgsmål erspecielt besvaret: • Hvordan bliver ekstrem og udmattelseslaster på en given struktur påvirket af designet af andre strukturer på den samme vindmølle? Hvordan kan belastningerne forberedes, så de bedre kan udveksles mellem designere og fabrikanter af forskellige vindmølle komponenter og med højere nøjagtighed og med mindre konservatisme? • Hvordan kan levetiden for store strukturer på dybt vand forlænges? Hvilke teknikker er brugbare? Hvor stort er omfanget af disse teknikker? Hvilken effektivitet har de? • Hvordan kan innovative strukturer, som tillader installation på dybt vand, bibeholder en lav udmattelsesbelastning og er konkurrencedygtige med flydende strukturer udvikles/tilpasses? Hvorfor er de innovative koncepter effektive? • Hvordan påvirker de individuelle design parametre designet af en monopæl og dens ydelse? Hvad er effekten af vekselvirkninger mellem parametrene? • Hvordan influerer designparametrene langtidsoverlevelsen af støbte sammenføjninger under normale forhold? Givet regnekraftbehovet for finite element-simuleringer, hvordan kan støbte sammenføjninger evalueres under ekstrembelastning, hvor der samtidig tages højde for unøjagtigheder i variable? De primære bidrag og resultater af denne afhandling er: Format for udveksling af belastninger. En forberedende metode til udveksling af belastninger mellem interessenter i en kompleks design proces er blevet introduceret. Udviklingen af denne metode er baseret på spændingsberegningsalgoritmen. For ekstrem belastninger er den foreslåede metode i overensstemmelse med standard anbefalingerne for bestemmelse af disse som denhøjeste af maksimalgennemsnit af hver gennemsnitsvind hastigheden. Sammenligning mellem denne og den konventionelle belastningerbestemmelse fra litteraturen viser, at yderligere strukturel kapacitet er tilstede ved den foreslåede metode og at materiale besparelse er mulig. Forlængelse af udmattelseslevetid. Tre metoder for udmattelseslevetidsforlængelse er blevet udviklet for jacket substrukturer. Den første fokuserer på metoder til design af sammenføjninger.Klare retningslinjer regler er blevet etableret for at hjælpe designere til at reducere spændingskoncentrationsfaktorer for sammenføjninger. Den anden har til formål at reducere vibrationer i tværforbindelser i substrukturer ved at anvende magneto-rheologiske-dæmpere. Modellerings metoder og effektivitet er præsenteret sammen med installationstrin. Den tredje anvender en skræddersyet aero-elastisk rotor til at reducere udmattelseslasterne på supportstrukturen.Rotor optimeringsprocessen blev ikke udført i dette arbejde, men effekten på substrukturen er blevet vist. Semi-flyder: En innovativ sub-struktur. Semi-flyder konceptet blev introduceret i tidligere studier. I dette arbejde er det detaljerede design af en universal sammenkobling blevet foreslået sammen med installations processen af sub-strukturen. En design proces af sådanne sub-strukturer er blevet præsenteret sammen med en algoritme til indledende design af ankerlinjer.Monopæl: Indflydelse af modelparametre. Den individuelle indflydelse af nogle af nøgleparametrene (dæmpning, konstruktions fejl og bundegenskaber) og deres vekselvirkning er blevet kvantificeret i et sammenlignende studie. Det er blevet eftervist, at vekselvirkningen mellem bund or struktur kan vekselvirke med konstruktionsfejl og øge udmattelse i visse positioner på monopæle. Støbte sammenføjninger: Mekaniske egenskaber og afgørende parametre. En sandsynlighedsdesign tilgang baseret på finite element modellering er blevet udviklet. For at reducere den beregningstunge analyse af sammenføjninger, er en metode baseret på et belastningskriterie blevet foreslået og den tilpassede sandsynlighedsanalyseproces er forklaret. Indflydelsen af ståls vægtykkelse, af den koniske vinkel og længden af samlingen er blevet identificeret. Anbefalinger er givet for at forbedre design processen.Several societies have envisaged renewables as sources of energy for ecological and geo-strategical considerations. Amongst others, wind energy has gained considerable interest in the past decades due to its high potential to fulfil the aspirations of the societies that opted for it. However, harnessing offshore wind energy poses challenges such as cost of energy reduction, handling of very large structures, randomness pertaining to the metocean environment, and need for better understanding of the mechanical behavior of the structures.Three means are employed in this thesis for cost reduction: decrease of conservatism level, improvement of design procedures, and development of innovative structural systems that suit well for large wind turbines. The increasing size of the structure introduces new problems that were not present for small structures. These problems include: (i) the preparation of models with sufficient adequacy in replacement of models whose validity ranges were restricted for small size structure; (ii) the upscaling of supplementary structures like mass dampers whose volume or mass become prohibitive; (iii) the satisfaction of fatigue lifetime requirements for jacket substructures. In addition to being aggressive, conditions for offshore environments and the associated models are highly uncertain. Appropriate statistical methodologies should be used in order to design robust structures, which are structures whose engineering performance is not significantly affected by reasonably small changes of the environmental conditions. Recent inspections of some installed wind turbines on monopiles have unveiled serious damage to the grouted joints. The subsequent investigations revealed a misunderstanding of phenomena related to the mechanical behaviour of the grouted joints. Explanations have been proposed by previous studies and the present thesis investigates one of the derived solutions.This study addresses these challenges sorted in three research areas: (i) Area 1: reduction of conservatism; (ii) Area 2: Lifetime improvement; and (iii) Area 3: Innovative systems. These research areas are differentially implemented through tasks on various wind turbine structures (shaft, jacket, semi-floater, monopile, and grouted joint). In particular the following research questions are answered:How are extreme and fatigue loads on a given structure influenced by the design of other structureson the same wind turbine? How can loads be prepared in order to be exchanged betweenthe designers / manufacturers of different wind turbine components with better accuracy andlower conservatism level?• How can fatigue lifetime of large substructures at deep waters be extended? What techniques are suitable? To which extent do they act on the structures? What are their efficiencies?• How can innovative structures be developed/adapted which allow installations in deeper waters while maintaining low fatigue load levels and being economically competitive to floating structures? Why is the innovative concept efficient?• How do the design parameters individually impact the design of monopiles and their engineering performance? What could be the effect of the interaction of these parameters?• How do the design parameters influence the long term survival of the grouted joint under normal conditions? Given the computational cost of the finite element simulation, how can the grouted joint be assessed under extreme loading taken into account the uncertainties in the variables?Respectively, the principal contributions and findings of the present work are:Format for load exchange. A preparative method of loads to be exchanged between the different stakeholders of a complex design process is introduced. The development of this method is buttressed on the stress calculation algorithm. For the extreme loads, the promoted method is in line with the standards’ recommendations relative to determination of the extreme loads as the highest of the peak averages of each mean wind speed. Comparison between this methodand the conventional load format seen in literature shows that additional structure capacity is revealed by the proposed method and that material saving is possible.Improvement of fatigue lifetime. Three methods for fatigue lifetime improvement have been developed for jacket substructures. The first focuses on the joint design methodology. Clear guideline rules have been established to help designers to reduce stress concentration factors at joints. The second intends to reduce the vibration of braces based on the application of magneto-rheological dampers. Modelling methods and effectiveness are presented together with installation steps. The third employs an aero-elastically tailored rotor to alleviate fatigue loads on the support structure. Whereas the rotor optimization process was not done within the present study, its effect on the substructure is shown in this work.Semi-floater: An innovative substructure. The semi-floater concept has been introduced by previous studies. In this work, the detailed design of the universal joint has been proposed together with the installation process of the substructure. A design process of such substructure type has been presented along side with an algorithm to design mooring line at the preliminary phase.Monopile: Influence of model parameters. The individual influences of some key model parameters (damping, construction errors, soil properties) and their interactions have been quantified in a comparative manner. It has been established for example that the soil-structure interaction can interact with the construction errors to amplify the fatigue demand at some hotspots of the monopile.Grouted joint: Mechanical behavior and determinant parameters. A probabilistic design approach based on a detailed finite element model has been developed. In order to reduce the computationally expensive analysis of the joint, a method based on load criteria is proposed and the adapted probabilistic analysis process is explained. The influences of the steel wall thickness, of the conical angle, and of the grout length have been respectively identified. Recommendationsare given to improve the design process

Online Research Database In Technology

Probabilistic Design of Wind Turbine Structures: Design Studies and Sensitivities to Model Parameters

http://orbit.dtu.dk/ws/files/145075997/NJOMO_W_PhD_Thesis_MainText_4.pdf

Probabilistic Design of Wind Turbine Structures: Design Studies and Sensitivities to Model Parameters

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology