Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi: Luận Văn Thạc Sĩ Tại Đại Học Liège

Chuyên khảo phân tích Design monopile foundation of offshore wind turbines 4869756, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Mai Anh Quang
• Người hướng dẫn: Giáo Sư Philippe Rigo
• Trường học: University of Liège
• Chuyên ngành: Sustainable Hydraulic Structures
• Đề tài: Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2011 – 2012
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: FOUNDATION OF OFFSHORE WIND TURBINES
• 1.1. Design Optimization Project for Offshore Wind Turbines
• 1.2. Which type of foundation should be chosen?
• 1.3. Tasks of the thesis
• 1.4. Method to carry out
• 1.5. Structure of the thesis
• 1.6. Support structure of monopile OWTs - components, fabrication and installation
• 1.7. How it works?
• 1.8. Components of the support structure
• 1.9. Support structure components
• 1.10. Design process for offshore wind turbine support structures
• 1.11. Design Load Cases
• 1.12. Limit State Checks. From requirements to criteria
• 1.13. Design criteria for monopile foundations
• 1.14. Design requirements for manufacturing and installation
• 1.15. The basics of dynamics
• 1.16. Damping in offshore wind turbines structures
• 1.17. Definition of damping
• 1.18. Damping for piled offshore support structure
• 1.19. Damping of soil (piled structure)
• 1.20. Sources of excitations
• 1.21. Statistical methods and Deterministic approach
• 1.22. Mean annual wind speed and wind speed frequency distribution
• 1.23. Increase wind speed with altitude
• 1.24. Wind turbine classes
• 1.25. Assessment of wind loads on the support structure
• 1.26. General characteristics of waves
• 1.27. Reference sea states. Combined Wind and Wave Loading
• 1.28. Horizontal to Moment Load Ratio
• 1.29. Effect of cyclic loading to foundation
• 1.30. Cyclic degradation effects
• 1.31. Loading rate effects
• 1.32. Basis of Soil Mechanics. Stress-strain behavior, stiffness and strength
• 1.33. Combined Elasto-Plastic Behavior
• 1.34. Types of Soil Model
• 1.35. Finite Element Models
• 1.36. Beam Nonlinear Winkler Foundation
• 1.37. Pile-soil interface
• 1.38. Load-displacement relationship
• 1.39. Sap2000 and methods to solve a nonlinear dynamic analysis
• 1.40. Step-by-step solution method
• 1.41. Mode superposition method
• 1.42. Solution in frequency domain
• 1.43. Preliminary Design for Support Structure of a Chosen OWT Project
• 1.44. Structure definitions and limitations
• 1.45. The chosen turbine
• 1.46. Tower and substructure design
• 1.47. Further meteorological – oceanographical parameters
• 1.48. Load combination for ULS
• 1.49. Results of internal forces for foundation design
• 1.50. For ULS design
• 1.51. For SLS check
• 1.52. Results of natural frequency analysis. Foundation pile design
• 1.53. Ultimate limit state design
• 1.54. Structural Capacity of the steel pile
• 1.55. Serviceability limit state check
• 1.56. Results of calculation
• 1.57. Conclusions of SLS calculation
• 1.58. Effect of foundation in dynamic behavior of the structure
• 1.59. Reconsidering the model
• 1.60. Spring foundation vs. Linear spring vs. nonlinear spring foundation
• 1.61. Effect of p-y curve on the dynamic behavior of structure
• 1.62. Conclusions and Future works

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió ngoài khơi là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tuabin gió, việc tối ưu hóa thiết kế nền cọc trở nên cấp thiết. Nền cọc không chỉ hỗ trợ trọng lượng của tuabin mà còn phải chịu đựng các tác động từ gió và sóng biển. Việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế nền cọc sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của công trình.

1.1. Khái Niệm Về Nền Cọc Đơn Trong Tuabin Gió

Nền cọc đơn là một cấu trúc được sử dụng để hỗ trợ tuabin gió, giúp phân phối tải trọng xuống đất. Cọc đơn thường được thiết kế với chiều dài và đường kính phù hợp để đảm bảo tính ổn định và khả năng chịu lực. Việc lựa chọn vật liệu xây dựng cho nền cọc cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống chịu của công trình.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nền Cọc Trong Thiết Kế Tuabin Gió

Nền cọc đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho tuabin gió. Nếu không tính toán chính xác, nền cọc có thể gây ra các vấn đề về ổn định và an toàn cho toàn bộ cấu trúc. Việc nghiên cứu và tối ưu hóa thiết kế nền cọc sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường hiệu suất hoạt động của tuabin.

II. Các Thách Thức Trong Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió ngoài khơi đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm điều kiện địa chất phức tạp và tác động của môi trường biển. Các yếu tố như sóng, gió và động đất đều có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của nền cọc. Việc hiểu rõ các thách thức này là cần thiết để phát triển các giải pháp thiết kế hiệu quả.

2.1. Điều Kiện Địa Chất Và Ảnh Hưởng Đến Thiết Kế

Điều kiện địa chất nơi lắp đặt tuabin gió có thể rất đa dạng, từ đất cát đến đất sét. Mỗi loại đất có đặc tính khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của nền cọc. Việc khảo sát địa chất kỹ lưỡng là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế.

2.2. Tác Động Của Sóng Và Gió Đến Nền Cọc

Sóng và gió là hai yếu tố chính tác động đến nền cọc. Sóng có thể gây ra lực xô đẩy lớn, trong khi gió có thể tạo ra tải trọng động. Cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo nền cọc có thể chịu được các lực này mà không bị hư hại.

III. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Thiết Kế Nền Cọc Đơn

Tối ưu hóa thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các phương pháp hiện đại như mô hình hóa động lực học và phân tích số có thể giúp cải thiện hiệu quả thiết kế. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thi công.

3.1. Mô Hình Hóa Động Lực Học Trong Thiết Kế

Mô hình hóa động lực học giúp phân tích ứng xử của nền cọc dưới tác động của tải trọng. Phương pháp này cho phép dự đoán chính xác hơn về khả năng chịu lực và độ ổn định của nền cọc trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Phân Tích Số Trong Tối Ưu Hóa Thiết Kế

Phân tích số là công cụ mạnh mẽ trong thiết kế nền cọc. Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng, các kỹ sư có thể thử nghiệm nhiều kịch bản khác nhau để tìm ra thiết kế tối ưu nhất cho nền cọc, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Thiết Kế Nền Cọc Đơn

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió không chỉ là lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các dự án tuabin gió ngoài khơi đã chứng minh tính hiệu quả của các phương pháp thiết kế hiện đại. Những kết quả này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của tuabin mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng tái tạo.

4.1. Các Dự Án Tuabin Gió Thành Công

Nhiều dự án tuabin gió ngoài khơi đã được triển khai thành công, nhờ vào thiết kế nền cọc tối ưu. Những dự án này không chỉ cung cấp năng lượng sạch mà còn tạo ra nhiều cơ hội việc làm và thúc đẩy kinh tế địa phương.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Nền Cọc Đơn

Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng nền cọc đơn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của tuabin gió. Việc tối ưu hóa thiết kế nền cọc giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng cường độ bền cho toàn bộ hệ thống.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Nền Cọc Đơn Cho Tuabin Gió Ngoài Khơi

Thiết kế nền cọc đơn cho tuabin gió ngoài khơi là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Với sự tiến bộ của công nghệ và nghiên cứu, các phương pháp thiết kế ngày càng trở nên hiệu quả hơn. Tương lai của ngành công nghiệp năng lượng gió ngoài khơi phụ thuộc vào khả năng tối ưu hóa thiết kế nền cọc, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất cao nhất cho các tuabin gió.

5.1. Tương Lai Của Thiết Kế Nền Cọc Đơn

Tương lai của thiết kế nền cọc đơn sẽ tiếp tục được cải thiện nhờ vào các công nghệ mới và nghiên cứu sâu hơn. Việc áp dụng các giải pháp sáng tạo sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của các tuabin gió ngoài khơi.

5.2. Những Xu Hướng Mới Trong Ngành Năng Lượng Gió

Ngành năng lượng gió đang chứng kiến nhiều xu hướng mới, từ việc sử dụng vật liệu nhẹ hơn đến các phương pháp thi công tiên tiến. Những xu hướng này sẽ định hình tương lai của thiết kế nền cọc đơn và nâng cao hiệu suất của các tuabin gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THE JOINT EDUCATION MASTER PROGRAM UNIVERSITY OF LIÈGE – BELGIUM WATER RESOURCES UNIVERSITY – VIETNAM DESIGN MONOPILE FOUNDATION OF OFFSHORE WIND TURBINES A master thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the Master of Science degree in Sustainable Hydraulic Structures by Mai Anh Quang Supervisor: Professor Philippe Rigo Assoc. Professor Trinh Minh Thu ACADEMIC YEAR 2011 – 2012 Lời cảm ơn Qua luận văn này, những dòng đầu tiên tác giả muốn được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới những người đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo, tạo mọi điều kiện thuận lợi suốt từ những buổi đầu của khóa học cho đến những ngày hoàn thiện luận văn. Đầu tiên tác giả muốn được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Philippe Rigo, giáo sư hướng dẫn chính, người đã định hướng nghiên cứu, tận tình đọc và sửa lỗi cả về mặt học thuật và câu chữ trong luận văn. Lời cảm ơn chân thành xin được gửi tới ban ANAST – khoa ARGENCO – đại học Liège (Bỉ), nơi đã hỗ trợ kinh phí và hướng dẫn khoa học để luận văn này được thực hiện tại Ulg.

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến giáo sư Federic Colin (địa kỹ thuật) và giáo sư Vincent Denoel (động lực học) đã tận tình giúp đỡ trong các vấn đề chuyên ngành liên quan trong thời gian thực hiện luận văn. Tác giả mong muốn được nói lời cảm ơn tới các lãnh đạo Viện Thủy Lợi và Môi Trường – trường ĐHTL vì những sự giúp đỡ về vật chất và khoa học trong quá trình học tập tại thành phố HCM. Đặc biệt là hai người thầy đáng kính, phó giáo sư, tiến sĩ Trịnh Công Vấn và phó giáo sư, tiến sĩ Trịnh Minh Thụ, những người không chỉ động viên, giúp đỡ về khoa học mà còn là chỗ dựa tinh thần của tác giả trong suốt khóa học này. Tác giả không quên công ơn của những người tâm huyết xúc tiến sự hình thành và phát triển của chương trình hợp tác đào tạo có chất lượng này.

Một môi trường học tập thực sự hữu ích cho những kỹ sư đã có kinh nghiệm thực tế. Lời cảm ơn của tác giả cũng xin được trân trọng gửi tới các thầy cô giáo đến từ WRU và Ulg đã nhiệt tình chỉ bảo và dành nhiều cảm tình cho tác giả trong suốt sáu mô đun của chương trình tại thành phố HCM. Cuối cùng xin được dành những tình cảm chân thành gửi tới các anh chị em lớp Cao học Việt – Bỉ khóa 1, những người đã dành cho tác giả nhiều tình cảm ưu ái và sự động viên giúp đỡ trong quá trình học tập xa nhà. 1 Acknowlegments I wish to thank, first and foremost, Professor Philippe Rigo – University of Liège (Belgium) – the promoter and supervisor of my master thesis, who read and corrected all technical as well as English mistakes in the thesis.

This thesis would have remained a dream had it not been for ANAST Department – ARGENCO Faculty – University of Liège (Ulg), who gave me financial support to do my research in Ulg. It gives me great pleasure in acknowledge the support and help of Professor Frederic Collin and Professor Vincent Denoël – ARGENCO Faculty – on geotechnical and dynamic issues of the foundation pile under cyclic loading. I owe my deepest gratitude to leaders of Institute for Water and Environment Research – Water Resources University – for all the academic helps and financial support that they gave me during the time I was taking this master course in Ho Chi Minh City. I cannot find words to express my gratitude to Associate Professor Trinh Minh Thu and Associate Professor Trinh Cong Van for their scientific supports and wisely advices.

I would like to thank all Professors and Lecturers giving lectures in six modules of the “Sustainable Hydraulic Structures” master course for all their favors given to me. This thesis would not have been possible unless Coordinators from both WRU and Ulg have made their greatest efforts to establish this Joint Master Course between the two Universities. I share the credit of my work with all of my colleagues in the master class for their supporting and encouraging while l was living in Ho Chi Minh City. I am indebted to my parents and my wife for all the loves they have given and all the difficulties they have borne during my study.

2 Tóm tắt nội dung luận văn THIẾT KẾ NỀN CỌC ĐƠN CHO TUABIN GIÓ NGOÀI KHƠI Sự tối ưu hóa thiết kế là vấn đề cấp thiết cho sự phát triển của ngành công nghiệp điện gió ngoài khơi. Vì tiến trình này mất rất nhiều thời gian nên các thông số được lựa chọn để tính toán tối ưu hóa càng giảm được nhiều càng tốt. Từ đó, một vấn đề nảy sinh là có thể loại bỏ được phần nền móng trong quá trình tối ưu hóa này hay không. Để thấy được tầm quan trọng của việc kể đến cọc nền trong ứng xử động lực học của toàn bộ công trình, trước tiên cần phải xác định các kích thước của nó dựa trên các yêu cầu về thiết kế theo trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái điều kiện làm việc sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, sau đó so sánh ứng xử động lực học giữa mô hình ngàm tại đáy biển và mô hình có phần kết cấu nền.

Việc mô hình hóa phần nền được tiến hành bằng phương pháp dầm trên nền đàn hồi phi tuyến có kể đến ứng xử của đất dính và đất rời đối với cọc nền. Với dự án tuabin gió ngoài khơi được chọn có công suất 7MW và chiều cao 115m đến đáy biển, việc tính toán cho thấy cần phải có cọc nền chiều dài 26m, đườn kính 6m và chiều dày 8cm. Ứng xử động lực học của hai mô hình cho thấy rằng sẽ là không an toàn nếu bỏ qua phần kết cấu nền trong quá trình tối ưu hóa thiết kế. Ngoài ra khả năng đóng góp sự giảm chấn của đất nền chiếm tỷ trọng lớn nhất trong ứng xử động lực học của toàn bộ kết cấu.

Kết quả nghiên cứu sẽ có ích trong việc xem xét các thông số cần tối ưu hóa trong thiết kế tuabin gió ngoài khơi, cũng như việc chọn lựa phương pháp giải thích hợp cho các phương trình động lực học trong tiến trình tối ưu hóa. Abstract DESIGN MONOPILE FOUNDATIONS OF OFFSHORE WIND TURBINES Design optimization is crucial to the development of the offshore wind turbine industry. This time consuming process is better to be done with a number of input parameters that is as short as possible. Whether the foundation pile part can be neglected in the design optimization process of an offshore wind turbine structure is a question need to be answer.

In order to see the importance of the presence of the foundation pile in dynamic behavior of the whole structure, dimensions of the foundation pile must be determined basing on requirements in ultimate limit state and serviceability limit state in current design standards. Afterward, the differences in dynamic behavior between a fixed- at-seabed tower model and a tower with foundation model must be observed. Beam nonlinear Winkler Foundation model in addition to gapping and non-gapping behavior in pile-soil interface were used to model the foundation. With the chosen offshore wind turbine project of 7MW and 115m high to seabed, a foundation pile with a penetration length of 26m, diameter of 6m and wall thickness of 8cm had been found.

The dynamic behavior of the two models showed that it was not on the safe side if the foundation was neglected in design optimization process. And that the internal damping of the soil was the most important factor in behavior of the structure. These results will be useful for reconsidering parameters in design optimization process of monopile offshore wind turbines as well as choosing suitable methods to solve dynamic equations in the optimization procedure. 3 Table of Contents Chapter I.

Foundation of offshore wind turbines. Design Optimization Project for Offshore Wind Turbines. Which type of foundation should be chosen?. Tasks of the thesis.

Method to carry out. Structure of the thesis. Support structure of monopile OWTs - components, fabrication and installation. How it works?.

Components of the support structure. Support structure components. Design process for offshore wind turbine support structures. Design Load Cases.

Limit State Checks. From requirements to criteria. Design criteria for monopile foundations. Design requirements for manufacturing and installation.

The basics of dynamics. Damping in offshore wind turbines structures. Definition of damping. Damping for piled offshore support structure.

Damping of soil (piled structure). Sources of excitations. Statistical methods and Deterministic approach. Mean annual wind speed and wind speed frequency distribution.

Increase wind speed with altitude. Wind turbine classes. Assessment of wind loads on the support structure. General characteristics of waves.

Reference sea states. Combined Wind and Wave Loading. Horizontal to Moment Load Ratio. Effect of cyclic loading to foundation.

Cyclic degradation effects. Loading rate effects. Basis of Soil Mechanics. Stress-strain behavior, stiffness and strength.

Combined Elasto-Plastic Behavior. Types of Soil Model. Finite Element Models. Beam Nonlinear Winkler Foundation.

Pile-soil interface. Load-displacement relationship. Sap2000 and methods to solve a nonlinear dynamic analysis. Step-by-step solution method.

Mode superposition method. Solution in frequency domain. Preliminary Design for Support Structure of a Chosen OWT Project. Structure definitions and limitations.

The chosen turbine. Tower and substructure design. Further meteorological – oceanographical parameters. Load combination for ULS.

Results of internal forces for foundation design. For ULS design. For SLS check. Results of natural frequency analysis.

Foundation pile design. Ultimate limit state design. Structural Capacity of the steel pile. Serviceability limit state check.

Results of calculation. Conclusions of SLS calculation. Effect of foundation in dynamic behavior of the structure. Reconsidering the model.

Spring foundation vs. Linear spring vs. nonlinear spring foundation. Effect of p-y curve on the dynamic behavior of structure.

Conclusions and Future works. 132 6 List of Figures Figure I.1: Nysted Offshore Wind Farm .2: Mechanical system of an offshore wind turbine .3: a) Standard Monopile Structure, b) Supported Monopile Structure.4: a) Tripod Structure, b) Gravity Pile Structure.6: Gravity Base Structure.7: Suction Bucket Structure.8: Tension-Leg Platform.9: Low-roll Floater.10: First offshore wind facility Vindeby in Denmark .11: The interface of the software EOL OS .1: Overview of offshore wind turbine terminology .2: Rolling and welding of a foundation pile .3: Pile driving at Offshore Wind Farm Egmond aan Zee .4: Drilling equipment at Blyth .5: Schematic example of scour protection .6: Transition piece installation .7: Lifting of a tower section for installation .8: Installation of a rotor in one piece .9: Various stages in the installation of a turbine using the bunny-ear method .1: Design process for an offshore wind turbine .1: Single degree of freedom mass-spring-damper system.2: a) Quasi-static b) resonant and c) inertia dominated response .3: Frequency response function .4: Measured time history of wind speed .5: An example of Wind Rose .6: Illustration of wake effect .7: Regular travelling wave properties .9: Tangent and secant stiffness moduli .10: Material behavior during load cycling .11: Yielding and Plastic Straining .12: Example Yield Surface for Footings on Sand .