Ons werk

Ontwerpbeperkingen voor toekomstige zeer grote monopalen

Tegenwoordig is de monopaal het meest gebruikte type draagconstructie voor offshore-windturbines, vooral in het ondiepe water van de (Nederlandse) Noordzee. Door het eenvoudige buisvormige ontwerp is het gebruik uitgebreid naar grotere en grotere windturbines. De toenemende omvang van de monopaal brengt echter ook uitdagingen met zich mee en ECN part of TNO heeft een verkennend onderzoek gestart om deze uitdagingen te onderzoeken.
Zeer grote monopaal voor Veja Mate offshore windmolenpark

De monopaal is een populaire oplossing voor de ondersteuning van offshore windturbines. Het is in feite een buisvormige structuur, die relatief eenvoudig te ontwerpen en te vervaardigen is. Het hoofddoel is de windturbine te dragen en de windbelastingen naar de bodem over te brengen. Daarnaast zijn er nog vele andere vereisten om rekening mee te houden: de monopaal zal worden onderworpen aan golfbelastingen, het heeft invloed op de dynamiek van de systeemstructuur, het moet bestand zijn tegen corrosie, enzovoort. De installatie gebeurt meestal door de monopile in de bodem te slaan, hoewel ook andere oplossingen worden onderzocht.

De grootste monopaal die momenteel geïnstalleerd is nadert 10m diameter, de zogenaamde XL monopaal. Op dit moment staan nog grotere windturbines op de tekentafel, waarvoor de volgende generatie XXL-monopalen nodig zou zijn. De toenemende omvang van de monopaal brengt uitdagingen met zich mee, zowel van meer praktische aard (zoals logistiek, installatie en productie), als gerelateerd aan ontwerp-/analysemethoden (golfdiffractie-effecten, knik).

In een verkennende studie, uitgevoerd in 2016, is de ontwerp-beperking onderzocht door het uitvoeren van een voorontwerp van een draagconstructie (van zeebodem tot gondel) voor een 10MW windturbine in 50m waterdiepte. Dit was wat groter dan de huidige ontwerpen in de industrie met als doel onze huidige modellen op de proef te stellen.
Het basisontwerp heeft een modderlijn paaldiameter van 9,3 m en een totale staalmassa daarboven van 1850 ton. Het basisontwerp is niet geoptimaliseerd, maar werd onderworpen aan een controle van ultieme belasting, knik en vermoeidheid. Het ontwerp doorstond de ultieme belastingcontroles en vermoeidheidscontrole aan de modderlijn. Er zijn aanwijzingen dat bezwijking een uitdaging zou kunnen zijn, omdat de totale knik voor een knikmodus met een lengte van twee keer de lengte van de draagconstructie niet is gepasseerd. Het is echter de vraag of deze modus representatief is.
De grootste diameter in de onderconstructie is 9,3 m, wat binnen de productiecapaciteit ligt. De totale grootte en het totale gewicht vormen echter een grote uitdaging voor de installatie, zowel voor het hijsvermogen van de schepen als voor de slaguitrusting. Het huidige geavanceerde ontwerpinstrument kan ook de interactie tussen bodem en structuur omvatten. Voor funderingen met een grote diameter zijn echter andere fysieke draagmechanismen in gebruik en is de PY-curve benadering niet voldoende voor nauwkeurige bodemstructuurmodellering. Voor deze diameter monopaal heeft het modelleren van de hydrodynamische belasting door diffractie slechts een kleine invloed op de grootte van de belastingen en daarom kan Morison's vergelijking nog steeds gebruikt worden zonder al te conservatief te zijn. Voor monopalen met een diffractie-effect van meer dan 10 m diameter moet rekening worden gehouden, aangezien voorlopige belastingsberekeningen een vermindering van de vermoeiingsbelasting met 10-15% gedurende de levensduur aangeven.

Monopalen zullen er nog vele jaren zijn, zelfs met de steeds groter wordende windturbines. Er zijn echter ook uitdagingen. Neem contact met ons op als u meer wilt weten over onze studies op dit gebied.

Ir. Feike Savenije

Contact

Ir. Feike Savenije

  • wind turbine
  • wind farm dynamics
  • offshore wind support structures
E-mail

VOLG TNO OP SOCIAL MEDIA

blijf op de hoogte van ons laatste nieuws, vacatures en activiteiten

Wij gebruiken anonieme cookies om het gebruik van onze site te verbeteren. Ons privacystatement is aangepast aan de nieuwe privacywetgeving in de EU.