Uncertainties in the Design of Monopile Offshore Wind Turbines
Doctoral thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3090678Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3397]
Sammendrag
English summary
If the ambitious targets for growth in installed capacity of offshore wind turbines over the next decades are to be met, more cost-efficient wind farms need to be developed. One way of achieving this can be to reduce the uncertainty in the design calculations, which will allow for reducing the conservatism in the design process. Focusing on the support structure of monopile offshore wind turbines, this thesis aims at identifying the major sources of uncertainty when performing fatigue calculations. This spans both uncertainty in the design basis parameters, productions tolerances, and operational parameters, as well as uncertainties in the engineering models and software used. Further, an efficient method for fatigue calculations has been developed. In total, the results of this thesis will: (i) help designers prioritize which parameters to focus on to gain more confidence in the fatigue design calculations; (ii) identify the engineering models that should be the focus of further research; and (iii) provide a computationally efficient method for performing fatigue analysis in early design stages or in screening studies.
To identify the parameters accounting for the majority of the uncertainty in the fatigue calculations, a screening study was performed. This included 16 parameters from a variety of fields, including the environmental design basis, aerodynamic loads, hydrodynamic loads, geotechnics, material properties and turbine operation. The fatigue properties of steel were found to have the largest influence on the calculated fatigue utilization. However, the uncertainties of these parameters have been unchanged for nearby 40 years (since 1984), with no promises of improvement in the near future. The second largest influence on the uncertainty was seen for a group of parameters describing the environmental conditions at the site. The uncertainty in these may be reduced by using longer time series of data when determining the design basis. As the turbine size increases, the effect of uncertainty in design turbulence intensity increases, as wind loads become more important compared to wave loads. In the monopile below seafloor, the soil conditions also have a significant effect on the total uncertainty.
When using different engineering models in the design calculations, the largest variation in predicted fatigue damage was seen when waves were modelled as short-crested rather than long-crested. The software used for performing the calculations also had a significant influence, with particularly the stiffness modelling of the blades being important. In the tower, the wind coherence model also has a significant impact on the fatigue damage. For the monopile, the difference between the two investigated soil models depends heavily on the model calibration. These topics are all suggested for further research to develop models and methods suitable for offshore wind turbines. It is also important for the designer to be aware of the large difference in fatigue damage than can occur with the different engineering models, as it is not known a priori which models that are conservative.
Finally, a method for performing fatigue calculations was developed. This uses one lumped sea state per wind bin, as opposed to analysing the full wave scatter diagram for each wind speed class. The lumped sea state is identified by performing computationally efficient wave-only analysis. In this work, an empirical wave-to-stress transfer function has been used, but other modelling methods may also be applied. In this case study, the long-term fatigue damage was predicted with an error of <6% for aligned wind and waves, and ≈10% for misaligned wind and waves, while the computational effort was reduced by >90%.
Norsk sammendrag
Hvis de ambisiøse målene for vekst i installert kapasitet for havvind over de neste tiårene skal bli nådd må mer kostnads-effektive vindfarmer bli utviklet. Dette kan blant annet oppnås ved å redusere usikkerheten i design-beregningene, noe som vil muliggjøre reduksjon av konservatismen i designprosessen. Med fokus på fundamentet til monopæl offshore vindturbiner søker denne avhandlingen å identifisere hovedkildene til usikkerhet i de gjennomførte utmattingsberegningene. Dette dekker både usikkerhet i design basisen, produksjonstoleransene og operasjonelle parametere. I tillegg undersøkes usikkerheten i ingeniørmodellene og beregningsprogrammene brukt. Videre har en effektiv metode for utmattingsberegninger blitt utviklet. I sum vil resultatene fra avhandlingen: (i) Hjelpe designere prioritere hvilke parametere å fokusere på for å redusere usikkerheten i designberegningene; (ii) identifisere ingeniørmodellene som bør være fokus for videre forskning; og (iii) gi en beregnings-effektiv metode for å gjennomføre utmattingsberegninger i tidlige designfaser og i screeningstudier.
For å identifisere parameterne ansvarlig for majoriteten av usikkerheten i utmattingsberegningene ble en screeningstudie gjennomført. Denne inkluderte 16 parametere fra forskjellige fagfelt, inkludert vind- og bølgeforhold, aerodynamiske laster, hydrodynamiske laster, geoteknikk, materialegenskaper og operasjon av turbiner. Utmattingsegenskapene til stål ble funnet å ha den største påvirkningen på utmattingslevetiden. Usikkerheten i disse parameterne er imidlertid uforandret i nesten 40 år (siden 1984), med ingen utsikter til forbedring med det første. Den nest største påvirkningen på usikkerheten ble funnet for en gruppe av parametere som beskriver vind- og bølgeforhold på lokasjonen. Usikkerheten i disse kan bli redusert ved å bruke lengre tidsserier av data når designbasisen blir etabler. Når turbinstørrelsen øker blir effekten av usikkerhet i turbulensintensitet større, ettersom vindlaster blir viktigere sammenlignet med bølgelaster. I monopælen under havbunnen har også jordforholdene en viktig påvirkning på den totale usikkerheten.
Når forskjellige ingeniørmodeller ble brukt i designberegningene ble den største endringen i beregnet utmattingsskade observert når bølgene blir modellert som kortkammede i stedet for langkammede. Programvaren brukt for å gjøre beregningene har også en signifikant påvirkning, hvor spesielt stivhetsmodelleringen av bladene er viktig. I tårnet er også valget av modell for vindkoherens viktig for den beregnede utmattingsskaden. I monopælen er forskjellen mellom de to undersøkte jordmodellene avhengig av modellkalibreringen. Disse temaene foreslås alle for videre forskning for utvikling av modeller og metoder tilpasset offshore vindturbiner. Det er også viktig for designere å være klar over de store forskjellene i beregnet utmattingsskade som kan oppstå ved bruk av forskjellige ingeniørmodeller, da det ikke alltid er mulig å si på forhånd hvilke modeller som er konservative.
En metode for gjennomføring av utmattingsberegninger ble også utviklet. Denne bruker en ekvivalent sjøtilstand per vindklasse, i motsetning til å analysere alle sjøtilstander i hver vindklasse. Den ekvivalente sjøtilstanden blir identifisert ved beregningseffektive analyser med kun bølgelaser. I dette arbeidet har en empirisk bølge-til-spenning-transferfunksjon blitt brukt, men andre modelleringsmetoder kan også bruker. I casestudien utført ble utmattingsskaden over levetiden beregnet med en feil <6% for vind og bølger i samme retning, og ≈10% ved retningsforskjell på vind og bølger. Beregningstiden ble redusert med >90%.
Består av
Paper 1: Sørum, Stian Høegh; Katsikogiannis, Georgios; Bachynski-Polic, Erin Elizabeth; Amdahl, Jørgen; Page, Ana M.; Klinkvort, Rasmus Tofte. Fatigue design sensitivities of large monopile offshore wind turbines. Wind Energy 2022 ;Volum 25.(10) s. 1684-1709 https://doi.org/10.1002/we.2755 This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0)Paper 2: Katsikogiannis, George; Sørum, Stian Høegh; Bachynski, Erin Elizabeth; Amdahl, Jørgen. Environmental lumping for efficient fatigue assessment of large-diameter monopile wind turbines. Marine Structures 2021 ;Volum 77. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2021.102939 This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0)
Paper 3: Paper 3: Sørum, Stian Høegh; Horn, Jan-Tore H.; Amdahl, Jørgen. Comparison of numerical response predictions for a bottom-fixed offshore wind turbine. Energy Procedia 2017 ;Volum 137. s. 89-99 https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.10.336 This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
Paper 4: Sørum, Stian Høegh; Krokstad, Jørgen R; Amdahl, Jørgen. Wind-wave directional effects on fatigue of bottom-fixed offshore wind turbine. Journal of Physics: Conference Series (JPCS) 2019 ;Volum 1356. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1356/1/012011 Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence (CC BY 3.0)
Paper 5: Sørum, Stian Høegh; Bachynski-Polic, Erin Elizabeth; Amdahl, Jørgen. Wind and soil model influences on the uncertainty in fatigue of monopile supported wind turbines. Journal of Physics: Conference Series (JPCS) 2022 ;Volum 2362. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2362/1/012038 Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence (CC BY 3.0)