Steel Hybrid High-Rise Wind Turbine Tower

Abstract

Wind turbine technology and supporting structure grows rapidly contributing to increase the share of renewable energy generation in different countries. The question arises whether the advanced wind turbines can reach higher altitude to benefit from higher wind speed and higher wind probability to generate more electricity. The height of the most commonly used steel tubular towers is limited by fabrication, transportation logistics and possible cost benefits for accomplish function. Moreover, increase of the tower hight has exponential relation with the cost of installation cranes. The lattice tower instead of tubular steel towers appears as a possible solution because of the ease of components transportation. This thesis proposes an hybrid high-rise lattice-tubular structure with novelty lifting mechanism as a new solution for the high wind turbine’s tower structure. By assembling a lattice structure at the lower portion and a tubular tower for the upper portion the hub height of the turbine can reach above 220 meters high. The core of the thesis work consists of (i) conceptual development of the hybrid supporting structure including the simulation of the most critical load cases, (ii) the development and analysis of the transition piece details as the key component connecting the lattice structure and the tubular tower and support of the lifting mechanism and (iii) use of new self-lifting mechanism for the high rise hybrid towers. It is important to investigate the transition piece carefully as it is exposed to large cyclic moment and it is prone to fatigue. Moreover, The transition piece should be designed in order to facilitate the execution process. An iterative process was adopted to investigate the load-structural interaction using aeroservo- elastic simulation and finite element structural analysis of the tower. The load and structural dimensions converge after three iterations. The load simulations illustrate that the wind model with turbulence is the most critical load case and it is used to analyse the structural integrity for the hybrid tower. The structural analysis led to a lattice tower solution using cold-form profiles that is compromise between the minimum number of bolts and the structural mass. Based on comprehensive finite element simulation, a modular transition piece consisting of six parts was developed that connects to the tubular tower and the lattice structure using bolted connection. The transition was investigated exposed to the design loads from aeroelastic simulation for ultimate limit state, buckling and fatigue limit state. Results revealed that the transition can resist ultimate limit state loads, it is proposed to use the high strength steel grade for the last tubular segment to increase the local resistance. The fatigue assessment based on load spectra and FE fatigue analysis shows satisfactory results. It is found that the lifetime of the supporting structure could be anticipated as 33 year of service life. In the last part of the thesis, a scaled prototype of the tower lifting was developed and fabricated. Three lifting scenarios, lifting the tubes with and without nacelle and lift down the tubes were theoretically analysed and tested. The tests demonstrated that the self-lifting mechanism is feasible though further detail like automatic control of lifting and sufficient roller guidance, should be taken into account for the commercial application. This thesis addresses above mentioned topics using research methodology beyond state of the art and contributes to best practices for lowering the wind energy cost and introduces an important step toward high-rise wind turbine installation.

A tecnologia das turbinas eólicas cresce rapidamente contribuindo para aumentar a quota da produção de energia renovável em diferentes países. Contudo, a muitos dos parques eólicos en’contram-se em fase de fim de vida, sendo inevitável a necessidade de os repotenciar num futuro próximo. A questão é se as turbinas eólicas mais recentes podem atingir maior altura para beneficiarem de maior velocidade do vento e maior probabilidade de gerar mais electricidade. A tese aborda problemas de concepção estrutural das estruturas de suporte das turbinas eólicas de grande altura. Além disso, foi desenvolvido um novo processo de elevação para aumentar a eficiência e reduzir o custo de instalação das torres altas. A altura das torres tubulares de aço mais frequentemente utilizadas é limitada pela logística de fabrico e transporte. Além disso, o aumento da altura da torre tem uma relação exponencial com o custo de instalação das gruas. A torre treliçada em vez das torres tubulares de aço aparece como uma solução possível devido à facilidade de transporte de componentes. No entanto, o número de parafusos na estrutura da treliça aumenta o custo de mão-de-obra de instalação. Esta tese propõe uma estrutura híbrida tubular com treliça como uma nova solução para a estrutura da torre da turbina eólica. Ao montar uma estrutura treliçada para a parte inferior e uma torre tubular para a parte superior, a altura da turbina pode atingir 185 m a 220 m de altura. O âmbito deste trabalho será (i) o desenho conceptual da estrutura de suporte híbrida incluindo a análise de carga, (ii) o novo mecanismo de auto-elevação para as torres híbridas de grande altura e (iii) o desenho detalhado da peça de transição como componente chave que liga a estrutura da treliça e a torre tubular e o suporte do mecanismo de elevação. É importante investigar a peça de transição sob diferentes casos de carga. Além disso, a peça de transição deve ser concebida de modo a facilitar o processo de montagem. O dimensionamento da estrutura de suporte é um processo iterativo entre a simulação aeroelástica e o dimensionamento estrutural da torre. Após algumas iterações, a estrutura converge para a solução final. A análise por elementos finitos (FEM) foi realizada para verificar o dimensionamento da peça de transição para estados limites últimos e o estado limite de fadiga. A utilização do aço de alta resistência foi investigada no diemnsionamento da peça de transição. Para superar o grande número de parafusos como a maior desvantagem da torre de treliça convencional, a estrutura da treliça é concebida usando elementos de aço de paredes finas, o que diminui o número de ligações, e leva a um menor número de parafusos. Para avaliar o tempo de vida útil da peça de transição, foram aplicados dois espectros de carga na análise de fadiga por elementos finitos. A comparação dos resultados com a análise de fadiga de torre tubular convencional mostra resultados promissores. Verifica-se que a vida útil da estrutura de suporte pode ser prolongada até 33 anos de vida útil. Um mecanismo de auto-elevação é desenvolvido usando macacos apoiados na peça de transição. A qual foi concebida de forma a que os segmentos da torre tubular possam ser levantados através dela. Um protótipo á escala da torre foi concebido, fabricado e testado. Os testes demonstraram que o mecanismo de auto-elevação é viável, sendo identificados os aspetos a melhorar tendo em conta considerações mais detalhadas para o mecanismo em escala real. Os resultados desta tese contribuem para as melhores práticas de redução do custo da energia eólica e introduzem um passo importante no sentido de facilitar a instalação de enormes turbinas eólicas e de potenciar a substituição por turbinas mais potentes do parque eólico existente.