HBM technology and service for building up the first German offshore wind farm

Efficiently generating electric power without polluting the environment becomes increasingly important in times of high commodity prices and growing environmental awareness among consumers. Within the scope of the OGOWin research project for building up a first prototype of a jacket-construction-type offshore wind power plant, HBM supplies and installs test and measurement equipment for a test plant in Bremerhaven, Germany. The challenge is to install the equipment such that it also withstands the extreme stresses to which the production models will be subjected later when used in rough sea conditions.

Offshore wind farms comprise many wind turbines installed far off shore in the open sea and permanently producing clean current. This is an attractive concept which, however, is not easy to implement because of the stresses resulting from wind, waves and saltwater to which the materials used are subjected. For this reason, the German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety (BMU) subsidizes the research and optimization of disarrayed foundation structures for offshore wind power plants (OGOWin) regarding material usage, the assembly process and new manufacturing methods for the carrying structure of wind power plants. Prior to the actual use of the foundation structures on the sea bed, the OGOWin project focuses on onshore research of the offshore plants.

The two main components of a wind power plant are the carrying structure (jacket + tower) and the actual nacelle with the rotor blades for generating electric power from the wind. The OGOWin project focuses on the jacket as the object of study. Researchers aim at minimizing material usage, because steel is expensive and a jacket weighs about 350 tons. In addition, the status of the wind power plant is to be continuously monitored. Maintenance cycles and the residual service life are inferred from the results.

Criteria of Selecting the Measurement Technology: Positive Experiences, Convincing Results, Competent Service

The Fraunhofer Center for Wind Energy and Marine Technology (SWMT) in Bremerhaven, Germany, is responsible for the design and layout of the test and measurement equipment at the carrying structure. HBM has built up and installed the test and measurement equipment on behalf of the Fraunhofer CWMT. HBM was chosen, not least because of the positive experiences and convincing results with FINO1, a research platform for offshore wind power for which HBM provided the test and measurement equipment (electrical strain gages installed fully waterproof) already in 2003. It had been used without any problems for several years until an exceptionally strong storm destroyed parts of the platform. Moreover, HBM has a competent and international service team enabling problems to be quickly and reliably eliminated on site. And last but not least, HBM offers both technologies from a single source so that reproducibility is guaranteed.

The Measurement Chain

Strain gauges
Opto-electric interrogators
MGC amplifier
catman DAQ software

HBM's tasks in the framework of the OGOWin project include installing electrical and fiber-optical strain gages at the "stressed" points of the jacket, cabling the HBM amplifiers and transmitting the measured values to the Fraunhofer Center. The goal is to test both technologies (optical, fiber-Bragg-grating-based strain gages and electrical strain gages) with respect to reproducibility of test results and suitability for use in offshore wind power plants.

For implementing the test and measurement concept, HBM provided the required hardware and software (MGC amplifier, opto-electric interrogators, catman software) and installed about 70 strain gages on the jacket. Many measuring points were doubly configured - i.e. strain gages of both technologies were installed. The focus is on analyzing the static and dynamic behavior of the newly developed cast-iron nodes used in this design for the first time. The measuring points were covered with multiple layers to enable them to withstand many years of continuous use in a water depth of up to 40 meters. Test data is transmitted by saltwater-proof cables to the amplifier located at the foot of the tower and sent to Fraunhofer at periodic intervals. There, data is visualized, converted and analyzed using HBM's catman software.

Tecnologia e serviço HBM para a construção do primeiro parque eólico marítimo alemão

Nestes tempos de preços elevados e de crescente consciência quanto ao cuidado com o meio-ambiente, uma eficaz e não-poluente produção de energia elétrica adquire uma importância cada vez maior aos olhos do usuário.

O projeto de investigação OGOWin, cuja instalação experimental se encontra em Bremerhaven, Alemanha, visa a construção do primeiro protótipo de um parque eólico marítimo (offshore). A HBM fornece e instala a tecnologia de medição necessária para a realização deste projeto. O desafio deste empreendimento consiste em instalar o equipamento de maneira que o mesmo resista à tensões extremas, às quais os modelos de produção serão submetidos mais tarde, quando usados em difíceis condições marítimas.

Os parques eólicos marítimos são compostos de uma grande quantidade de moinhos de vento, que se encontram em mar aberto, distantes da costa, e que produzem permanentemente energia renovável. Um conceito atraente que, não obstante, não se deixa realizar com facilidade, devido às fortes cargas – tais como vento, ondas e água salgada – às quais estão submetidos os materiais utilizados. Por esta razão, o Ministério Federal do Meio Ambiente, Proteção da Natureza e Segurança Nuclear alemão subsidia a investigação e a otimização de estruturas de fundação soltas para as centrais eólicas marítimas (OGOWin) no que concerne à materiais utilizados, desenvolvimento da montagem e novos procedimentos de fabricação para a estrutura de suporte de centrais eólicas. O projeto OGOWin se concentra na investigação em terra das instalações marítimas, antes do uso das estruturas de fundação no mar.

Uma central eólica consta de dois elementos principais: a estrutura de suporte (couraça + torre) e a gôndola propriamente dita com as pás do rotor que permitem obter energia elétrica a partir do vento. A couraça é o objeto de investigação do projecto OGOWin. Um dos objetivos da pesquisa é reduzir ao mínimo os materiais utilizados, dado que o aço é caro e uma couraça pesa cerca de 350 toneladas. Ademais, o estado da central eólica tem que ser supervisionado continuamente. Os ciclos de manutenção e a vida útil residual são derivados dos resultados.

O Fraunhofer CWMT, Centro para Energia Eólica e Tecnologia Marítima de Bremerhaven, é responsável pela concepção e pelo “layout” do equipamento de medição e teste na estrutura de suporte. A HBM fabricou e instalou o equipamento de medição e teste em nome do Fraunhofer CWMT. A HBM foi escolhida, entre outras razões, por causa das experiências positivas e resultados convincentes obtidos com a FINO1, uma plataforma de pesquisa de energia eólica marítima, para a qual a HBM forneceu, em 2003, a tecnologia de medição (instalação de strain gages elétricos completamente à prova d’água) e que funcionou sem problemas durante muitos anos, até que uma tormenta particularmente intensa destruiu parte da plataforma. Além disso, a HBM conta com uma competente equipe internacional de manutenção, capaz de solucionar rápida e confiavelmente qualquer problema “on-site”. Por último, e não menos importante por isso, a HBM oferece ambas as tecnologías de uma fonte única, o que garante a reprodutibilidade.

No marco do projeto OGOWin, a responsabilidade da HBM inclui a instalação de  strain gages elétricos e de fibra ótica nos pontos da couraça “submetidos à tensão”, o cabeamento até os amplificadores HBM e a transmissão dos dados de medição ao Fraunhofer Center. O objetivo consiste em testar ambas as tecnologias (strain gages óticos baseados em grade de Bragg e strain gages elétricos) no que diz respeito à reprodutibilidade dos resultados de teste e adequação para uso nas centrais eólicas marítimas.

Para implementar o conceito de teste e medição, a HBM forneceu o hardware e o software necessários (amplificador de medição elétrico MGC / integradores opto-elétricos / software catman®) e instalou cerca de 70 strain gages na couraça vertical. Ademais, muitos pontos de medição foram duplamente configurados, o que significa que as duas tecnologias foram aplicadas. O foco é a análise do comportamento estático e dinâmico dos nós de fundição, recentemente desenvolvidos e utilizados pela primeira vez nessa construção. Os pontos de medição foram recobertos com várias camadas a fim de que possam resistir por vários anos de uso contínuo à uma profundidade de água de 40 metros. Os dados medidos são transmitidos por cabos à prova de água salgada ao amplificador localizado ao pé da torre e, então, enviados periodicamente para o centro Fraunhofer. Uma vez no centro, os dados são visualizados, convertidos e analisados com o software catman® da HBM.

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