This review article aims to provide an overview and insight into the most relevant aspects of wind energy development and current state-of-the-art. The industry is in a very mature stage, so it seems to be the right time to take stock of the relevant areas of wind energy use for power generation. For this review, the authors considered the essential aspects of the development of wind energy technology: research, modeling, and prediction of wind speed as an energy source, the technology development of the plants divided into the mechanical and electrical systems and the plant control, and finally the optimal plant operation including the maintenance strategies. The focus is on the development in Europe, with a partial focus on Germany. The authors are employees of the Fraunhofer Institutes, Institute for Energy Economics and Energy Systems Technology and Institute for Wind Energy Systems, who have contributed to the development of this technology for decades.
Immer größere Abmessungen stellen die gesamte Wertschöpfungskette der Windindustrie vor große Herausforderungen. Eine effiziente Fertigung wird für die Unternehmen immer wichtiger, um dem steigenden Kostendruck standzuhalten und auch auf dem internationalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben. Im schweren Stahlbau ist das Schweißen die am weitesten verbreitete Fügetechnik. Durch den Einsatz neuartiger Hochleistungsfügeverfahren sollen zukünftig die Lagenanzahl und die Durchlaufzeit in der Fertigung verringert werden. Für diese alternativen Verbindungen ist nachzuweisen, dass die mechanisch‐technologischen Nahteigenschaften vergleichbar oder sogar besser sind. In diesem Beitrag liegt der Fokus insbesondere auf einer Beurteilung der Ermüdungsfestigkeit. Dabei werden sowohl konventionell Unterpulver (UP)‐geschweißte Stumpfstöße als auch Verbindungen, gefügt mit einer Verfahrenskombination aus UP‐ und Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre, experimentell und analytisch untersucht. Motiviert durch die Frage nach einer optimierten Ermüdungsbemessung mit Berücksichtigung lokaler Nahteigenschaften wurde die Nahtgeometrie aller Schwingproben zunächst vermessen. Um eine allgemeine Vergleichbarkeit dieser Messungen zu gewährleisten, werden Standards für diese Messaufgabe und die anschließende Aufbereitung der Daten vorgeschlagen. Die gemessenen Profile wurden in FE‐Modelle überführt und elastische Kerbfaktoren ermittelt. Bei ausreichender Profilanzahl entlang der Naht kann der spätere Anrissort eindeutig prognostiziert werden. Die statistische Auswertung der Kerbfaktoren in Kombination mit den Schwingversuchen zeigt abschließend einen direkten Zusammenhang zwischen geometrischer Kerbwirkung und Lebensdauer.
As basements of offshore wind turbines (OWTs) in deep water (>50 m), jacket structures are an economic alternative to monopiles. For this reason, the structural durability of jackets has become more important. In such structures, welded tubular joints are weak points for fatigue design. The harmful effect of tensile residual stresses in welding joints is well known. For these reasons, the residual stresses and the loading stresses of offshore jacket structures were determined by X-ray diffraction (XRD) using a mobile diffractometer. This allows us to directly determine the load stress at the fatigue-critical locations, namely at the weld toe at the testing rig. High tensile residual stresses up to 250 MPa were determined in a welded (and unloaded) condition. At a loaded structure (10,000 load cycles), a lower residual stress level was determined. During loading, a local increase in the stress at the welded joint that is between 1.4 and 4 times higher than the applied nominal stress was determined. Furthermore, it is shown that additional treatment (grinding and clean blasting) influences the local stress state significantly.
In der industriellen Fertigung von Schiffen, Pipelines und Mobilkränen werden hochfeste Feinkornbaustähle, die durch Vorteile bezüglich Schweißeignung und mechanisch‐technologischer Eigenschaften gekennzeichnet sind, im Dickblechbereich eingesetzt. Konventionell werden Feinkornbaustähle durch mehrlagige Lichtbogenschweißverfahren mit relativ geringer Schweißgeschwindigkeit gefügt. Dabei sind sowohl der Verbrauch von Zusatzmaterial als auch die benötigte Fertigungszeit hoch. Hier stellt das Laserstrahl‐MSG‐Hybridschweißen eine potentielle Alternative dar. Dabei werden die Vorteile des MSG‐Schweißens und des Laserstrahlschweißens kombiniert bzw. die Nachteile kompensiert. Im Rahmen der vorgestellten Untersuchungen werden Laserstrahl‐MSG‐Hybridschweißprozesse zum einen mit einem integrierten induktiven Vorwärmprozess und zum anderen mit einem integrierten nachlaufenden MSG‐Prozess für Feinkornbaustähle der Güten S690QL (t = 15 mm und t = 20 mm), L485MB (t = 23 mm) und L450MB (t = 30 mm) entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe des Laserstrahl‐MSG‐Hybridschweißens qualitativ hochwertige Schweißverbindungen an Dickblechen mit nur einer Lage erzeugt werden können. Zudem konnte die Robustheit des Laserstrahl‐MSG‐Hybridschweißens bezüglich der überbrückbaren Spaltbreite sowie Kantenversatz demonstriert werden. Laser‐GMA hybrid welding of high‐strength fine‐grained steels using in steel construction. For industrial manufacturing of ships, pipelines or cranes, thick plates made of high‐strength fine‐grained steels are used, which are characterized by advantages with respect to weldability and mechanical properties. Steel structures made of thick plates are conventionally joined using multi‐layer arc welding procedures, but this causes long production times and requires a high consumption of filler material. A potential alternative is laser‐GMA hybrid welding technology, which combines the best advantages of laser beam welding with those of conventional gas metal arc welding. In the context of these investigations, the laser‐GMA hybrid welding with an integrated inductive preheating process, and a laser‐GMA hybrid welding process with a trailing GMA‐welding process were developed for welding high‐strength fine‐grained steels with the grades of S690QL (t = 15 mm and t = 20 mm), L485MB (t = 23 mm) and L450MB (t = 30 mm). The results show that it is able to generate high quality welding seams by using a single‐layer laser‐GMA hybrid welding process. Furthermore, the robustness of the laser‐GMA hybrid welding process for bridging gap widths as well as vertical edge offsets could be demonstrated.
Suction Buckets sind etablierte Gründungselemente für Offshore‐Öl‐ und ‐Gasplattformen, die bisher in der Offshore‐Windindustrie nur vereinzelt eingesetzt wurden. Diese Fundamente können zusammen mit der Unterstruktur installiert werden, wodurch zusätzliche Offshore‐Operationen wie das Grouting von Transition Pieces oder von Jacket‐Beinen vermieden werden. Außerdem werden bei der Installation von Suction Buckets, im Gegensatz zu Pfahlgründungen, minimale akustische Emissionen erzeugt, sodass zusätzliche schallreduzierende Maßnahmen überflüssig sind. Aus diesen Gründen gelten Suction Buckets als eine praktikable und potenziell kostengünstige Gründungslösung für Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA). Das Forschungsvorhaben ProBucket wurde 2020 initiiert und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Durch die geplanten vielfältigen physikalischen und numerischen Untersuchungen strebt das Vorhaben an, die Unsicherheiten der existierenden Bemessungsverfahren zu verringern. In diesem Beitrag werden die aktuellen Herausforderungen zum Design und zur wirtschaftlichen Umsetzung von Suction Buckets für OWEA erläutert. Darüber hinaus werden die Forschungsaktivitäten von ProBucket beschrieben.
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