Published April 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Global vibration control of offshore wind turbines with a flexible monopile foundation using a pendulum-tuned mass damper: Risk mitigation and performance incrementation

Creators

  • 1. Universidade Federal de Goiás
  • 2. Universidade de Brasília
  • 3. Sapienza University of Rome

Description

This study investigates an optimized design approach for a passive-adaptive pendulum-tuned mass damper (PTMD). The PTMD is used to mitigate structural vibrations in offshore wind turbines (OWTs) with flexible monopile foundations considering Pile-Soil Interaction (PSI). The model OWT is based on the 5-MW design proposed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). The PSI incorporates a pile that is modeled as beam–column elements supported by nonlinear springs and accounts for lateral loads (p-y curves) and axial loads (t-z and Q-z curves) at nodal points. Wind and wave spectra estimation, as well as hydrodynamic and aerodynamic load analysis, are performed using a bespoke MATLAB® program operated in conjunction with an ANSYS® 3-D finite element global model. The resultant peak response at the OWT hub was evaluated through power spectral density (PSD) analysis. Optimal design choices for PTMD parameters are obtained via parametric analysis, which assesses the dynamic response in the along and across directions at the hub and stress at the tower base. A systematic representation considers the uncertainties stemming from the geometric and mechanical properties of the tower, environmental loads, and rotating blade dynamics. To address these uncertainties, a Monte Carlo simulation is employed to assess the structural risk via the Performance-Based Wind Engineering (PBWE) framework. Consequently, the probabilistic evaluation of structural response, foundation stresses, and power production assists in the optimal design process of PTMDs that mitigate the global structural vibrations of OWTs.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تبحث هذه الدراسة في نهج التصميم الأمثل لمخمد الكتلة المضبوط بالبندول السلبي التكيفي (PTMD). يتم استخدام PTMD للتخفيف من الاهتزازات الهيكلية في توربينات الرياح البحرية (OWTs) مع أسس أحادية مرنة مع الأخذ في الاعتبار التفاعل بين الركائز والنفط (PSI). يعتمد النموذج على تصميم 5 ميجاوات الذي اقترحه المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL). يتضمن PSI كومة على غرار عناصر عمود العارضة المدعومة من الينابيع غير الخطية وتحسب الأحمال الجانبية (منحنيات p - y) والأحمال المحورية (منحنيات t - z و Q - z) عند النقاط العقدية. يتم إجراء تقدير أطياف الرياح والأمواج، بالإضافة إلى تحليل الحمل الهيدروديناميكي والهوائي، باستخدام برنامج MATLAB® مفصل يتم تشغيله جنبًا إلى جنب مع نموذج عالمي ثلاثي الأبعاد من ANSYS®. تم تقييم استجابة الذروة الناتجة في مركز OWT من خلال تحليل الكثافة الطيفية للقدرة (PSD). يتم الحصول على خيارات التصميم المثلى لمعلمات PTMD من خلال التحليل البارامتري، والذي يقيم الاستجابة الديناميكية على طول وعبر الاتجاهات في المحور والإجهاد في قاعدة البرج. يأخذ التمثيل المنهجي في الاعتبار الشكوك الناشئة عن الخصائص الهندسية والميكانيكية للبرج، والأحمال البيئية، وديناميكيات الشفرة الدوارة. لمعالجة هذه الشكوك، يتم استخدام محاكاة مونت كارلو لتقييم المخاطر الهيكلية من خلال إطار هندسة الرياح القائم على الأداء (PBWE). وبالتالي، فإن التقييم الاحتمالي للاستجابة الهيكلية، وإجهادات الأساس، وإنتاج الطاقة يساعد في عملية التصميم الأمثل لأمراض ما بعد الصدمة التي تخفف من الاهتزازات الهيكلية العالمية لأمراض ما بعد الصدمة.

Translated Description (French)

Cette étude étudie une approche de conception optimisée pour un amortisseur de masse à réglage pendulaire passif-adaptatif (PTMD). Le PTMD est utilisé pour atténuer les vibrations structurelles dans les éoliennes offshore (OWT) avec des fondations monopieux flexibles en tenant compte de l'interaction pieu-sol (PSI). Le modèle OWT est basé sur la conception de 5 MW proposée par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL). Le psi intègre un pieu qui est modélisé comme des éléments de poutre-colonne supportés par des ressorts non linéaires et tient compte des charges latérales (courbes p-y) et des charges axiales (courbes t-z et Q-z) aux points nodaux. L'estimation des spectres du vent et des vagues, ainsi que l'analyse de la charge hydrodynamique et aérodynamique, sont effectuées à l'aide d'un programme Matlab® sur mesure exploité conjointement avec un modèle global à éléments finis ANSYS® 3D. La réponse de crête résultante au niveau du hub Owt a été évaluée par une analyse de densité spectrale de puissance (PSD). Les choix de conception optimaux pour les paramètres PTMD sont obtenus via une analyse paramétrique, qui évalue la réponse dynamique le long et à travers les directions au niveau du moyeu et la contrainte à la base de la tour. Une représentation systématique tient compte des incertitudes découlant des propriétés géométriques et mécaniques de la tour, des charges environnementales et de la dynamique des pales rotatives. Pour répondre à ces incertitudes, une simulation Monte Carlo est utilisée pour évaluer le risque structurel via le cadre PBWE (Performance-Based Wind Engineering). Par conséquent, l'évaluation probabiliste de la réponse structurelle, des contraintes de fondation et de la production d'énergie aide au processus de conception optimal des PTMD qui atténuent les vibrations structurelles globales des OWT.

Translated Description (Spanish)

Este estudio investiga un enfoque de diseño optimizado para un amortiguador de masa sintonizado con péndulo pasivo-adaptativo (PTMD). El PTMD se utiliza para mitigar las vibraciones estructurales en turbinas eólicas marinas (OWT) con cimentaciones monopilote flexibles considerando la interacción pila-suelo (PSI). El modelo OWT se basa en el diseño de 5 MW propuesto por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL). El psi incorpora un pilote que se modela como elementos de viga-columna soportados por resortes no lineales y tiene en cuenta las cargas laterales (curvas p-y) y las cargas axiales (curvas t-z y Q-z) en los puntos nodales. La estimación de los espectros de viento y olas, así como el análisis de carga hidrodinámica y aerodinámica, se realizan utilizando un programa MATLAB® a medida operado junto con un modelo global de elementos finitos ANSYS® 3-D. La respuesta de pico resultante en el centro OWT se evaluó a través del análisis de densidad espectral de potencia (PSD). Las opciones de diseño óptimas para los parámetros PTMD se obtienen a través del análisis paramétrico, que evalúa la respuesta dinámica en las direcciones a lo largo y a través del buje y la tensión en la base de la torre. Una representación sistemática considera las incertidumbres derivadas de las propiedades geométricas y mecánicas de la torre, las cargas ambientales y la dinámica de las palas giratorias. Para abordar estas incertidumbres, se emplea una simulación de Monte Carlo para evaluar el riesgo estructural a través del marco de Ingeniería Eólica Basada en el Rendimiento (PBWE). En consecuencia, la evaluación probabilística de la respuesta estructural, las tensiones de cimentación y la producción de energía ayuda en el proceso de diseño óptimo de los PTMD que mitigan las vibraciones estructurales globales de los OWT.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التحكم العالمي في اهتزاز توربينات الرياح البحرية بأساس أحادي مرن باستخدام مخمد كتلي مضبوط بالبندول: تخفيف المخاطر وزيادة الأداء
Translated title (French)
Contrôle global des vibrations des éoliennes offshore avec une fondation monopile flexible utilisant un amortisseur de masse à réglage pendulaire : atténuation des risques et incrémentation des performances
Translated title (Spanish)
Control global de vibraciones de turbinas eólicas marinas con una base flexible de monopilote utilizando un amortiguador de masa sintonizado por péndulo: mitigación de riesgos e incremento del rendimiento

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4391939556
DOI
10.1016/j.oceaneng.2024.117168

Is supplement to
https://openalex.org/W598184394 (Other)
https://openalex.org/W4391429813 (Other)
https://openalex.org/W4312617418 (Other)
https://openalex.org/W4205107551 (Other)
https://openalex.org/W3134935823 (Other)
https://openalex.org/W2973061854 (Other)
https://openalex.org/W253625768 (Other)
https://openalex.org/W2328786084 (Other)
https://openalex.org/W2094660272 (Other)
https://openalex.org/W2040277022 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1509486062
  • https://openalex.org/W1533975523
  • https://openalex.org/W1963642707
  • https://openalex.org/W1971474077
  • https://openalex.org/W198241023
  • https://openalex.org/W1982640456
  • https://openalex.org/W1986289009
  • https://openalex.org/W1999895158
  • https://openalex.org/W2109330601
  • https://openalex.org/W2136889516
  • https://openalex.org/W2225821678
  • https://openalex.org/W2235868116
  • https://openalex.org/W2616664703
  • https://openalex.org/W2623269836
  • https://openalex.org/W2788468859
  • https://openalex.org/W2810851004
  • https://openalex.org/W2888643319
  • https://openalex.org/W2900574590
  • https://openalex.org/W2900946498
  • https://openalex.org/W2908882413
  • https://openalex.org/W2956617833
  • https://openalex.org/W2974791460
  • https://openalex.org/W3015689574
  • https://openalex.org/W3017415369
  • https://openalex.org/W3023091099
  • https://openalex.org/W3083844774
  • https://openalex.org/W3098791121
  • https://openalex.org/W3127185481
  • https://openalex.org/W3131207535
  • https://openalex.org/W3160357633
  • https://openalex.org/W3166458042
  • https://openalex.org/W4210966628
  • https://openalex.org/W4220658805
  • https://openalex.org/W4220716240
  • https://openalex.org/W4288032603
  • https://openalex.org/W4293198876
  • https://openalex.org/W4297886996
  • https://openalex.org/W4308142116
  • https://openalex.org/W4308421362
  • https://openalex.org/W4321790901
  • https://openalex.org/W4365457459
  • https://openalex.org/W4377090041
  • https://openalex.org/W4379530614
  • https://openalex.org/W4385948393
  • https://openalex.org/W4386006808
  • https://openalex.org/W4387552418