A numerically efficient and holistic approach to design optimization of offshore wind turbine jacket substructures

Abstract

Die Strukturoptimierung von Jacket-Tragstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen birgt das Potenzial, signifikant zur Senkung der normierten Stromentstehungskosten von Offshore-Wind-energie beizutragen. In der Wissenschaft wurden in den letzten Jahren große Anstrengungen unternommen, um geeignete Ansätze hierfür zu entwickeln. Nichtsdestotrotz besteht weiterhin die Herausforderung, diese als unverzichtbare Optionen für die Dimensionierung von Jacket-Tragstrukturen nach dem Stand der Technik zu etablieren. In dieser Arbeit wird ein Optimierungsansatz vorgestellt, der das Problem ganzheitlich adressiert und sowohl hinsichtlich Genauigkeit als auch numerischer Effizienz Verbesserungen gegenüber dem Stand der Forschung darstellt. Dabei werden im Wesentlichen vier Aspekte thematisiert: Erstens, eine numerisch effiziente Implementierung der Boden-Bauwerk-Interaktion in Gesamtsimulationen von Offshore-Windenergielagen. Zweitens, eine umfangreiche Studie über reduzierte Lastsätze, die für die Berechnung der Ermüdungslebensdauern von Jacket-Tragstrukturen verwendet werden können. Der dritte Aspekt adressiert die Formulierung des Optimierungsproblems und beinhaltet die Entwicklung von Modellen für eine Zielfunktion, ein Kostenmodell auf Basis linear gewichteter Faktoren einzelner Kostenanteile, und nichtlineare Nebenbedingungen, für die Ersatzmodelle auf Basis der Gaußprozessregression zur numerisch effizienten Evaluation von Ermüdungs- und Extremlastnachweisen eingesetzt werden. Alle Entwicklungen werden im Rahmen des vierten Aspektes zu einem ganzheitlichen Optimierungsansatz zusammengeführt, der unter Verwendung gradientenbasierter Methoden am Beispiel der Optimierung von Jacket-Tragstrukturen für die NREL 5 MW-Referenzturbine vielversprechende Ergebnisse liefert.