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Effiziente Analyse der Lebensdauerschädigung von schwimmenden Windenergieanlagen

Titel: Effiziente Analyse der Lebensdauerschädigung von schwimmenden Windenergieanlagen
Typ:
  • Diplomarbeit
  • Masterarbeit
Betreuer:
Status: offen

Hintergrund

Betreuer IMA: Martin Dazer (martin.dazer@ima.uni-stuttgart.de)

Die erhöhte Flexibilität bezüglich der Wassertiefe und somit die Möglichkeit, Windparks in beliebigen Abständen zur Küste zu realisieren machen schwimmende Windenergieanlagen zu einer vielversprechenden Ergänzung im Offshore Bereich. Durch das komplexere Systemverhalten sind jedoch neue Berechnungsmethoden zur schnellen Auslegung erforderlich. So erfordert etwa die genaue Beurteilung der Ermüdungsschädigung von schwimmenden Windenergieanlagen (engl: floating offshore wind turbines, FOWT) eine große Anzahl von zeitaufwendigen Simulationen aufgrund der komplexen Interaktion des Systems (Turbine, Substruktur und Vertäuung) mit der Umgebung (Wind und Wellen). Um den Simulationsaufwand im Designprozess zu reduzieren, werden deshalb üblicherweise vereinfachte Umweltbedingungen verwendet, welche jedoch zu konservativen Ergebnissen führen.

Problemstellung

Es gibt verschiedene Methoden, um die Auswirkungen der verschiedenen Umweltbedingungen in das Design einzubeziehen. Eine effiziente Methode, die auch Einblicke in das Systemverhalten erlaubt, ist der Entwurf eines Simulations-experiments (engl: Design of Experiments, DoE), bei dem eine sorgfältige Auswahl von Designpunkten getroffen wird, um eine Antwortfunktion (response surface model, RSM) zu ermitteln. Das RSM ist eine kontinuierliche Funktion der auf das System wirkenden Lasten in Abhängigkeit der betrachteten Umgebungsparameter.

Aufgabe

Eine Reihe von Vorgehen zur Designpunktauswahl wurden bereits in früheren Arbeiten entwickelt, welche jedoch auf ihre Anwendbarkeit hinsichtlich der Ermüdungsbeurteilung von FOWTs untersucht werden müssen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Ermittlung eines realisierbaren Ansatzes für eine FOWT, die zum Beispiel auf einer so genannten Tension-Leg-Platform (TLP) positioniert ist. Dies geschieht durch eine Simulations-studie, die mit dem gängigen Windenergie-Simulationswerkzeug FAST durchgeführt wird und das am SWE entwickelte Simulationsverarbeitungswerkzeug WITLIS verwendet. Basierend auf den Ergebnissen führen verschiedene DoE-Verfahren zu unterschiedlichen RSM, die im nächsten Schritt verglichen und einer quantitativen Auswertung unterzogen werden.

Zusätzlich kann ein DoE-Ansatz verwendet werden, um weitere Sensitivitäten bezüglich Extremlasten, Simulationslänge, des Einflusses von nichtlinearen Umgebungseinflüssen usw. zu bestimmen. Die Ergebnisse können auch in eine Zuverlässigkeitsanalyse (z. B. IFORM) integriert werden, die ein weiterer Fokus sein kann.

Empfohlenes Vorgehen:

  • Literaturstudie zur DoE und Berechnung der Ermüdnungslasten von schwimmenden Windenergieanlagen
  • Einarbeiten in FAST, WITLIS
  • Konzeption der Arbeit
  • Vorbereitende Simulationen, Erstellen der Simulationsmatrix
  • Erarbeitung einer Routine für Pre-, und PostProcessing und Implementierung in WITLIS
  • DoE zur Ermittlung der Abhängigkeit von Ermüdungslasten / IFORM (optional)
  • Zusammenfassung und Empfehlungen, Präsentation

Anforderung

Der ideale Kandidat arbeitet unabhängig, hat ein großes Interesse an der numerischen Modellierung von komplexen Systemen, Simulationsstudien und Sensitivitätsanalyse. Fortgeschrittene Fähigkeiten in Matlab oder ähnlichen Programmiersprachen sind von Vorteil.

Dauer: ca. 6 Monate (Master Arbeit)
Start: so bald wie möglich (frühestens: 05.2017)

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