Design of Non-conventional Wind Turbine structures with Integrated Design for manufacturing

Abstract

Masteroppgaven tar for seg to sentrale aspekter knyttet til offshore vindturbiner: sammenføyningsmetoder for vindturbinblader og evaluering av produksjonsverdikjeder. Målet er å utforske effektive og bærekraftige tilnærminger til turbindesign og produksjon.

Når det gjelder sammenføyningsmetoder, ble to ulike kategorier undersøkt: standardkomponent som er MIG-sveiset eller med boltforbindelse, og spesialekstrudert T-spor med boltforbindelse. Hver metode ble evaluert basert på styrke, materialbruk, kompleksitet og produserbarhet. Resultatene indikerte at MIG-sveising tilbyr høy styrke, lav materialbruk, moderat kompleksitet og lav produksjonsevne. Boltforbindelse gir moderat styrke, lav materialbruk, lav kompleksitet og høy produksjonsevne. Det ekstruderte T-sporet med boltforbindelse demonstrerer høy styrke, høy materialbruk, moderat kompleksitet og moderat produksjonsevne gjennom simuleringer i Abaqus.

Vurderingen av produksjonsverdikjeder fokuserte på tre tilfeller: primæraluminiumproduksjon i Kina ved bruk av kull, primær aluminiumproduksjon i Slovenia ved bruk av kjernekraft, og innsamling av post-consumer metall i Norge for omsmelting. Analysen tok for seg kostnad og energiutslipp for ulike produksjonsvolumer. Funnene avslørte at den integrerte produksjonslinjen viste høye kostnader og karbonutslipp for lave produksjonsvolumer, på grunn av byggingen av fabrikk. For høyere produksjonsvolumer sank verdiene, noe som gjorde det til det mest gunstige alternativet. Det er viktig å nøye vurdere de høye investeringene som kreves både når det gjelder kostnader og utslipp, da det har potensielle fordeler for fremtiden.

Ved å vurdere både sammenføyningsmetoder og produksjonsverdikjeder, blir det mulig å designe vindturbiner til havs som er strukturelt robuste, kostnadseffektive og miljøansvarlige. Det er imidlertid viktig å erkjenne begrensningene ved forskningen, inkludert datatilgjengelighet og behovet for ytterligere samarbeid og forskning for å avgrense funnene.

Samlet sett bidrar denne oppgaven til kunnskap og forståelse av sammenføyningsmetoder og produksjon av verdikjeder for vindturbiner til havs. Innsikten oppnådd fra denne forskningen kan informere beslutningsprosesser, og støtte utviklingen av effektive og bærekraftige offshore vindturbindesign.

The master thesis addresses two key aspects related to offshore wind turbines: joining methods for wind turbine blade and the evaluation of manufacturing value chains. The objective is to explore efficient and sustainable approaches regarding turbine design and production.

Regarding joining methods, two major techniques were examined: standard component that is MIG-welded or using bolt connection, and special purpose extruded T-track with bolt connection. Each method was evaluated based on strength, material use, complexity, and manufacturability. The results indicated that MIG welding offers high strength, low material use, moderate complexity and low manufacturability. Bolt connection provides moderate strength, low material use, low complexity and high manufacturability. The extruded T-track with bolt connection demonstrates high strength, high material use, moderate complexity and moderate manufacturability through simulations in Abaqus.

The assessment of manufacturing value chains focused on three cases: primary aluminium production in China using coal, primary aluminium production in Slovenia using nuclear energy, and gathering post-consumer metal in Norway for remelting. The analysis considered cost and energy emissions for different production volumes. The findings revealed that the integrated production line exhibited high cost and carbon emissions for low production volumes, due to the construction of the factory. For higher production volumes, the values decreased making it the most favorable option. It is important to carefully consider the high investment required in terms of both cost and emissions, as it holds potential benefits for the future.

By considering both joining methods and manufacturing value chains, it becomes possible to design offshore wind turbines that are structurally robust, cost-effective, and environmentally responsible. However, it is important to acknowledge the limitations of the research, including data availability and the need for further collaboration and research to refine the findings.

Overall, this thesis contributes to the knowledge and understanding of joining methods and manufacturing value chains for offshore wind turbines. The insights gained from this research can inform decision-making processes, supporting the development of efficient and sustainable offshore wind turbine designs.