DE102020104547A1 - METHOD FOR MONITORING SOIL-STRUCTURAL INTERACTION FOR AN OFFSHORE WIND ENERGY SYSTEM AND OFFSHORE WIND ENERGY SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Ausführungsformen beschreiben ein Verfahren zur Überwachung einer Boden-Struktur-Interaktion für ein Offshore-Windenergieanlage (10), wobei das Verfahren umfasst: Erfassen von Daten von mindestens einem ersten Sensor (11, 12, 13, 14, 15), der auf einer Struktur der Windenergieanlage (10) oberhalb eines Wasserspiegels angeordnet ist; Erfassen von Daten von mindestens einem zweiten Sensor (16, 17, 18), der auf einer Struktur der Windenergieanlage (10) unterhalb des Wasserspiegels angeordnet ist; und Verarbeiten der Daten der mindestens einen ersten und zweiten Sensoren zur Unterscheidung zwischen windbedingten Belastungen und wellenbedingten Belastungen der Windenergieanlage (10).Embodiments describe a method for monitoring a soil-structure interaction for an offshore wind energy installation (10), the method comprising: acquiring data from at least one first sensor (11, 12, 13, 14, 15) located on a structure the wind energy installation (10) is arranged above a water level; Acquisition of data from at least one second sensor (16, 17, 18) which is arranged on a structure of the wind energy installation (10) below the water level; and processing the data from the at least one first and second sensors to distinguish between wind-related loads and wave-related loads on the wind energy installation (10).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung einer Boden-Struktur-Interaktion für Offshore-Windenergieanlage sowie eine Offshore-Windenergieanlage. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Offshore-Windenergieanlage und ein zugehöriges Verfahren, die beispielsweise einen oder mehrere Sensoren oberhalb eines Wasserspiegels und einen oder mehrere Sensoren unterhalb eines Wasserspiegelaufweist, so dass zwischen windbedingten Belastungen und wellenbedingten Belastungen unterschieden werden kann.The present disclosure relates to a method for monitoring a soil-structure interaction for an offshore wind energy installation and an offshore wind energy installation. In particular, the invention relates to an offshore wind turbine and an associated method, which has, for example, one or more sensors above a water level and one or more sensors below a water level, so that a distinction can be made between wind-related loads and wave-related loads.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Offshore-Windenergieanlagen weißen üblicherweise einen Teil oder eine Struktur auf, der/die aus dem Wasser herausragt und einen Teil oder eine Struktur, der/die unter Wasser ist. Der Teil unter Wasser ist typischerweise im Boden verankert.Offshore wind turbines usually have a part or structure that protrudes from the water and a part or structure that is underwater. The underwater part is typically anchored in the ground.
Die Interaktion zwischen dem Boden und der (Trage-)Struktur für Offshore-Windenergieanlagen ist eine relevante, aber schwer zu bewältigende Aufgabe, da sie mit komplexen Belastungen konfrontiert sind, wobei Struktur und Fundament ein Drittel der Gesamtkosten des Offshore-Systems ausmachen können.The interaction between the ground and the (supporting) structure for offshore wind turbines is a relevant but difficult task as they face complex loads, with the structure and foundation accounting for a third of the total cost of the offshore system.
Der Entwurf solcher Strukturen ist hoch komplex, da vielen Faktoren von dem Standort innerhalb eines Windparks (Wellenperiode, Windturbulenzen usw.) sowie von der Größe und Art der Turbinen (zyklische Belastung, Betriebsverhalten usw.) und dem Design der Stützstruktur (auf Schwerkraft basierend, Monopile, Tripod, Mantel usw.), die an jedem Ort installiert werden würde, abhängen.The design of such structures is highly complex, as many factors depend on the location within a wind farm (wave period, wind turbulence, etc.) as well as on the size and type of the turbines (cyclical load, operating behavior, etc.) and the design of the support structure (based on gravity, Monopile, tripod, jacket, etc.) that would be installed in each location.
Ferner sind die Lastübertragung von der Struktur auf den Boden und ihre Reaktion für die Abschätzung der Stabilität des Gesamtsystems, d.h. für die Verankerung an Ort und Stelle, von großer Bedeutung.Furthermore, the load transfer from the structure to the ground and its reaction are of great importance for the assessment of the stability of the overall system, i.e. for the anchoring in place.
Es ist bekannt Wellen-Wind-Fehlausrichtungen und die Kippmomente basieren auf komplexen Simulationen zu berechnen. Diese sind jedoch nur partiell und fokussiert meist auf Schwingungsmessungen und deren Verknüpfung mit standortspezifischen und betrieblichen Bedingungen.
Es ist daher erstrebenswert, Offshore-Windenergieanlage und -Windparks derart zu verbessern, so dass eine bessere Bestimmung des Systems ermöglicht wird. Idealerweise könnten verbesserte Offshore-Windenergieanlage und -Windparks auf eine (vollständige) Messung des Systems abzielen.It is therefore desirable to improve offshore wind energy plants and wind farms in such a way that the system can be better determined. Ideally, improved offshore wind turbines and wind farms could aim at a (complete) measurement of the system.
ZUSAMMENFAS SUNGSUMMARY
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein Verfahren zur Überwachung einer Boden-Struktur-Interaktion für Offshore-Windenergieanlage gemäß Anspruch 1 und eine Offshore-Windenergieanlage gemäß Anspruch 10 bereit.Embodiments of the present disclosure provide a method for monitoring a soil-structure interaction for an offshore wind energy installation according to
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Überwachung einer Boden-Struktur-Interaktion für Offshore-Windenergieanlage bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Erfassen von Daten von mindestens einen ersten Sensor, der auf einer Struktur der Windenergieanlage oberhalb eines Wasserspiegels angeordnet ist; Erfassen von Daten von mindestens einen zweiten Sensor, der auf einer Struktur der Windenergieanlage unterhalb des Wasserspiegels angeordnet ist; und Verarbeiten der Daten der mindestens einen ersten und zweiten Sensoren zur Unterscheidung zwischen windbedingten Belastungen und wellenbedingten Belastungen der Windenergieanlage.According to one embodiment of the present disclosure, a method for monitoring a soil-structure interaction for an offshore wind turbine is provided. The method comprises acquiring data from at least one first sensor which is arranged on a structure of the wind turbine above a water level; Acquisition of data from at least one second sensor which is arranged on a structure of the wind turbine below the water level; and processing the data of the at least one first and second sensors to distinguish between wind-related loads and wave-related loads on the wind energy installation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Offshore-Windenergieanlage bereitgestellt. Die Offshore-Windenergieanlage umfasst mindestens einen ersten Sensor, der auf einer Struktur der Windenergieanlage oberhalb eines Wasserspiegels angeordnet ist; mindestens einen zweiten Sensor, der auf einer Struktur der Windenergieanlage unterhalb des Wasserspiegels angeordnet ist; und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die eingerichtet ist zum Ausführen eines Verfahrens zur Überwachung einer Boden-Struktur-Interaktion der Offshore-Windenergieanlage. Das Verfahren umfasst Erfassen von Daten von mindestens einen ersten Sensor, der auf einer Struktur der Windenergieanlage oberhalb eines Wasserspiegels angeordnet ist; Erfassen von Daten von mindestens einen zweiten Sensor, der auf einer Struktur der Windenergieanlage unterhalb des Wasserspiegels angeordnet ist; und Verarbeiten der Daten der mindestens einen ersten und zweiten Sensoren zur Unterscheidung zwischen windbedingten Belastungen und wellenbedingten Belastungen der Windenergieanlage.According to a further embodiment of the present disclosure, an offshore wind energy installation is provided. The offshore wind energy installation comprises at least one first sensor which is arranged on a structure of the wind energy installation above a water level; at least one second sensor which is arranged on a structure of the wind turbine below the water level; and a data processing device which is set up to carry out a method for monitoring a soil-structure interaction of the offshore wind energy installation. The method comprises acquiring data from at least one first sensor which is arranged on a structure of the wind turbine above a water level; Acquisition of data from at least one second sensor which is arranged on a structure of the wind turbine below the water level; and processing the data of the at least one first and second sensors to distinguish between wind-related loads and wave-related loads on the wind energy installation.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine beispielhafte Offshore-Windenergieanlage gemäß Ausführungsformen; -
2 ein beispielhaftes Model einer beispielhafte Offshore-Windenergieanlage gemäß Ausführungsformen; und -
3 ein Ablaufdiagramm zur Illustration eines beispielhaften Verfahrens zur Überwachung einer Boden-Struktur-Interaktion für Offshore-Windenergieanlage gemäß Ausführungsformen.
-
1 an exemplary offshore wind turbine according to embodiments; -
2 an exemplary model of an exemplary offshore wind turbine according to embodiments; and -
3 a flowchart to illustrate an exemplary method for monitoring a soil-structure interaction for offshore wind energy installation according to embodiments.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung näher erläutert. Die Zeichnungen dienen der Veranschaulichung eines oder mehrerer Beispiele von Ausführungsformen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen, oder ähnliche Merkmale der jeweiligen Ausführungsformen. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform beschrieben werden, können auch in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, und so eine weitere Ausführungsform bilden.Embodiments of the present disclosure are explained in detail below. The drawings serve to illustrate one or more examples of embodiments. In the drawings, the same reference numerals denote the same or similar features of the respective embodiments. Features that are described as part of one embodiment can also be used in connection with another embodiment, and thus form a further embodiment.
Wie oben erwähnt kann die Lastübertragung von der Struktur auf den Boden und ihre Reaktion für die Abschätzung der Stabilität des Gesamtsystems, d.h. für die Verankerung an Ort und Stelle, von großer Bedeutung sein.As mentioned above, the load transfer from the structure to the ground and its reaction can be of great importance for the assessment of the stability of the overall system, i.e. for the anchoring in place.
Eine Lastübertragung von Offshore-Strukturen kann auf einer Beziehung zwischen Kippmoment und Eigengewicht, die/das am Schlammspiegel (Struktur zur Fundament-Ebene) bewertet werden, basieren. Somit können sie auf der Grundlage einer Bewertung der Turbine und einer spezifischen Eigenschaften des Bodens am Standort geschätzt werden. Damit kann Wind, Welle, 1P (bezogen auf den Rotor) und 3P (bezogen auf die Rotorblätter) als Belastung angesehen werden.Load transfer from offshore structures can be based on a relationship between overturning moment and dead weight, which is assessed at the sludge level (structure to foundation level). Thus, they can be estimated based on an assessment of the turbine and specific soil properties at the site. This means that wind, waves, 1P (in relation to the rotor) and 3P (in relation to the rotor blades) can be viewed as loads.
Aufgrund der rauen Bedingungen und der geringen (oder gar keinen) Zugänglichkeit der Sensorposition in Offshore-Windenergieanlagen gibt es traditionell nur wenige Überwachungsfelddaten. Dynamische Änderungen einer Bodensteifigkeit und eines Schlammspiegels sowie standortspezifischen Windwellenbedingungen sind schwer zu berücksichtigen, um die Konstruktion und die Überwachung des Bauwerks zu optimieren. Jedoch ist es durchaus wünschenswert, progressive Fundament- und Bauwerksneigung, - Wellen-Abweichung sowie Änderungen der Eigenfrequenz überwachen zu können.Due to the harsh conditions and the low (or no) accessibility of the sensor position in offshore wind turbines, there is traditionally little monitoring field data. Dynamic changes in soil stiffness and a mud level as well as site-specific wind wave conditions are difficult to take into account in order to optimize the construction and monitoring of the structure. However, it is absolutely desirable to be able to monitor progressive foundation and building inclination, wave deviation and changes in the natural frequency.
Aufgrund der zufälligen Natur von Wind- und Wellenbelastungen (mit Ausnahme des Phänomens der Wind-Wellen-Fehlausrichtung oder der Wind-Wellen-Abweichung), der Komplexität, das Kippmoment am Schlammspiegel direkt zu messen, der geringen Zuverlässigkeit von Messungen auf elektrischer Basis und der geringen Zugänglichkeit von Offshore-Standorten basieren Überwachungssysteme oft auf Schwingungsmessungen, die an zugänglichen Stellen in der Struktur platziert werden. Wind-Wellen-Abweichung sowie die Interaktion zwischen Turbinen und Struktur werden normalerweise in sehr komplexen Simulationsumgebungen bewertet. Windturbinen- und Stützstrukturen werden typischerweise in kleinem Maßstab getestet, um das dynamische Verhalten besser zu verstehen.Due to the random nature of wind and wave loads (with the exception of the phenomenon of wind-wave misalignment or wind-wave deviation), the complexity of directly measuring the overturning moment at the sludge level, the low reliability of measurements on an electrical basis and the With limited accessibility from offshore locations, monitoring systems are often based on vibration measurements that are placed in accessible locations in the structure. Wind-wave deviation and the interaction between turbines and structure are usually assessed in very complex simulation environments. Wind turbine and support structures are typically tested on a small scale to better understand dynamic behavior.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können wichtige Aspekte zur Beurteilung der Boden-Struktur-Interaktion bei Offshore-Windkraftanlagen erfassen und numerisch evaluieren. Sowohl die Windturbinenblätter als auch die Tragstruktur an der Schlammgrenze können in Echtzeit bewertet werden. Ausführungsformen verwenden insbesondere faseroptische Sensoren zur Messung von Biegemomenten, Druckmomente und Schwingungen in jeder Achse. So können die Auswirkungen von Wind-Wellen-Abweichung, 1P (den Rotor betreffend) und 2/3P (die Blätter betreffend) sowie die Änderungen der Eigenfrequenzen in einem einzigen Messsystem und/oder Auswertungssystem zusammengeführt werden.Embodiments of the present disclosure can detect and numerically evaluate important aspects for assessing the soil-structure interaction in offshore wind turbines. Both the wind turbine blades and the supporting structure at the mud boundary can be assessed in real time. Embodiments use in particular fiber optic sensors to measure bending moments, pressure moments and vibrations in each axis. In this way, the effects of wind-wave deviation, 1P (relating to the rotor) and 2 / 3P (relating to the blades) as well as the changes in the natural frequencies can be combined in a single measuring system and / or evaluation system.
Die
An der Windenergieanlage
Sensoren
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen kann also ein Sensor
Beispielsweise kann der Sensor
Der Sensor
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen kann mindestens einer der Sensoren
Die Offshore-Windenergieanlage
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen kann der mindestens eine erste Sensor
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen kann der mindestens eine erste Sensor
Die auf die Windenergieanlage
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen kann die Datenverarbeitungsvorrichtung
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen kann die Überwachung auch dazu führen, dass eine Abweichung der Windenergieanlage von einem normalen Verhalten bestimmt werden kann. Beispielsweise können die Daten der Sensoren genutzt werden, um festzustellen, ob diese in einem normalen Bereich liegen. Alternativ oder zusätzlich Abweichung der Windenergieanlage von einem normalen Verhalten auch basierend auf den Eigenfrequenzen vorgenommen werden. Insbesondere kann basierend auf den Eigenfrequenzen normale Betriebszustände in Abgrenzung zu abrupten, anormalen Zustände klassifiziert und ein Trendverhalten identifiziert werden.According to the embodiments described herein, the monitoring can also lead to a deviation of the wind energy installation from normal behavior being able to be determined. For example, the data from the sensors can be used to determine whether they are in a normal range. Alternatively or additionally, deviations of the wind energy installation from normal behavior can also be carried out based on the natural frequencies. In particular, based on the natural frequencies, normal operating states can be classified as distinct from abrupt, abnormal states and a trend behavior can be identified.
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen kann die Datenverarbeitungsvorrichtung
Die Windenergieanlage
Die Windenergieanlage
Auf der rechten Seite der
Ohne auf dieses Model festgelegt wollen zu sein, kann mittels der auf der Windenergieanlage
Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen können erfasst Daten so verarbeitet werden, dass eine Wind-Wellen-Abweichung, ein Neigungswinkel der Struktur und/oder ein Kippmoment bestimmt werden kann. Zusätzlich oder alternativ können erfasst Daten so verarbeitet werden, dass Schwingungen in Abhängigkeit von einer Richtung bestimmt werden können. Die Richtung kann insbesondere von der Wind- und Wellenrichtung abhängen. Beispielsweise kann der Neigungswinkel der Struktur, auf Basis der Biegungen in der Struktur oder Tragstruktur und/oder dem Turm geschätzt werden.According to embodiments described herein Recorded data can be processed in such a way that a wind-wave deviation, an angle of inclination of the structure and / or a tilting moment can be determined. Additionally or alternatively, recorded data can be processed in such a way that vibrations can be determined as a function of a direction. The direction can depend in particular on the wind and wave direction. For example, the angle of inclination of the structure can be estimated on the basis of the bends in the structure or support structure and / or the tower.
Gemäß einem Kasten
Gemäß hierein beschriebener Ausführungsformen können die meisten der relevanten Belastungsfaktoren gemessen werden, um eine Interaktion zwischen Boden (Schlamm) und Struktur zu beurteilen (insbesondere eine Windbelastung in den Blättern, ein Umkippen an der Schlammgrenze und ein Schwingungspegel sowohl im Rotor als auch im Boden der Struktur).According to the embodiments described herein, most of the relevant stress factors can be measured in order to assess an interaction between soil (mud) and structure (in particular wind loading in the blades, overturning at the mud boundary and a vibration level both in the rotor and in the bottom of the structure ).
Zur Bewertung, insbesondere numerischen Bewertung, können SCADA-Daten und/oder meteorologische Daten verwendet werden. Insbesondere können SCADA-Daten verwendet werden, um normale Betriebszustände in Abgrenzung zu abrupten, anormalen Zustände zu klassifizieren und um ein Trendverhalten zu identifizieren. Mittels meteorologischen Daten kann beispielsweise eine Vorhersage von Stürmen getroffen werden, die auch an andere System weitergegeben und integriert werden kann. Beispielsweise kann dadurch eine Energieproduktion auf mechanische Belastungen hin optimiert werden.SCADA data and / or meteorological data can be used for evaluation, in particular numerical evaluation. In particular, SCADA data can be used to classify normal operating conditions as distinct from abrupt, abnormal conditions and to identify trend behavior. Meteorological data can be used, for example, to predict storms, which can also be passed on to other systems and integrated. For example, energy production can be optimized for mechanical loads in this way.
Insbesondere die Zuverlässigkeit der faseroptischen Sensortechnologie kann eine Messung unter rauen Offshore-Bedingungen verbessern bzw. ermöglichen.In particular, the reliability of fiber optic sensor technology can improve or enable measurement under rough offshore conditions.
Hierin beschriebene Ausführungsformen können insbesondere einen oder mehrere Vorteile der folgenden Vorteile mit sich bringen, die sich im Hinblick auf die besondere Herausforderung von Offshore-Windenergieanlagen ergeben können:Embodiments described herein can in particular bring one or more advantages of the following advantages with them, which can arise with regard to the particular challenge of offshore wind turbines:
Systemzuverlässigkeit: faseroptische Sensoren haben eine hohe intrinsische Zuverlässigkeit, die sie optimal für den Offshore-Einsatz macht.System reliability: fiber optic sensors have a high intrinsic reliability, which makes them ideal for offshore use.
Windbelastung: wenn Sensoren z.B. in den Blättern platziert sind, steht die gesamte Belastungskette zur Verfügung, um die Wind-Wellen-Abweichung und den -Trend abzuschätzen.Wind load: if sensors are placed in the leaves, for example, the entire load chain is available to estimate the wind-wave deviation and trend.
Schlammspiegel-Messungen: wenn Sensoren z.B. auf der Höhe des Schlammspiegels angeordnet sind, kann die Boden-Struktur-Interaktion mit Kippmoment und Vibration bewertet werden.Sludge level measurements: if sensors are arranged e.g. at the height of the sludge level, the soil-structure interaction can be evaluated with the tilting moment and vibration.
Komplette Belastungskette: die Analyse von Biegemomenten, Druck und Schwingungen aus dem (gesamten) Wind-Struktur-Boden-Aufbau kann zusammengefasst werden.Complete load chain: the analysis of bending moments, pressure and vibrations from the (entire) wind-structure-floor structure can be summarized.
Die Verwendung von faseroptischen Sensoren kann die Vorteile des Messprinzips einführen.The use of fiber optic sensors can introduce the advantages of the measurement principle.
Die Bewertung der (gesamten) Belastungskette, sowohl an der Schnittstelle Wind-zur-Struktur als auch Boden-zur-Struktur.The evaluation of the (entire) load chain, both at the interface between wind and structure and also at the interface between soil and structure.
Die Unterscheidung von Wind/Rotor-abhängigen und von Wellen/-Boden-abhängigen Belastungen in einem einzigen System.The distinction between wind / rotor-dependent and shaft / ground-dependent loads in a single system.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen angemessen miteinander kombinierbar sind, und dass einzelne Aspekte dort weggelassen werden können, wo es im Rahmen des fachmännischen Handelns sinnvoll und möglich ist. Abwandlungen und Ergänzungen der hierin beschriebenen Aspekte sind dem Fachmann geläufig.It should be pointed out at this point that the aspects and embodiments described herein can be appropriately combined with one another, and that individual aspects can be omitted where it makes sense and is possible within the scope of professional practice. Modifications and additions to the aspects described herein are familiar to the person skilled in the art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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