Bruk av kraner på vindmøller offshore

English text - please scroll down.

Kraftproduksjon fra flytende vindmøller vil bli en viktig del av energiforsyningen. Magnus Berthelsen Kjelland har brukt mekatronikklaboratoriet ved UiA til å forske på hvordan en spesiell type kraner – knekkbom-kraner - kan brukes i vedlikeholdsarbeidet på vindmøllene under røffe værforhold.

Mekatronikk-laboratoriet på Campus Grimstad har vært testarena for forsøk i avhandlingen – der de hydrauliske Stewart-plattformene har muliggjort forsøk som gjenskaper bølger og vind under løfteoperasjonene til havs. Det er blant annet større versjoner av disse som kommer i det nye MIL-bygget som nå reiser seg på campus.

Kjelland har vært stipendiat ved UiA finansiert gjennom det store forskningsprogrammet NORCOWE - Norwegian Centre for Offshore Wind Energy - der UiA er en av deltakerne. I dette videoklippet fra NRK-Sørlandet fra 2012 ser vi noe av problematikken i avhandlingen.

Magnus Berthelsen Kjelland disputerer for ph.d.-graden på Fakultet for teknologi og realfags doktorgradsprogram med spesialisering i mekatronikk, med avhandlingen «Offshore Wind Turbine Access Using Knuckle Boom Cranes». Han arbeider nå i ved Red Rock Marine, som leverer bølgekompenserte kraner og annet utstyr for den maritime industrien. (Se også RedRock.no og "Startet suksessfirma som masterstudent".)

Les mer om avhandlingen: Grønn ingeniør fra mekatronikklaben

Slik beskriver kandidaten selv essensen i avhandlingen:

Tilgang til havvindturbiner ved bruk av knekkbom kran

Det er et stort behov for fornybar og bærekraftig energi og det finnes flere ulike kilder for energi, hvor havvind er en av dem som har en stor planlagt kraftproduksjon.

Vindkraftproduksjonen har i mange år blitt gjort på land, men ved å installere vindturbiner til havs får en noen fordeler som følge av høyere og mer stabile vindforhold. Flertallet av installerte vindturbiner er i dag festet til grunnen, men når de flyttes til dypere vann er det svært høye kostnader i å bygge og installere turbinene, noe som reduserer muligheten for utbygging av vindparker i steder av verden der det ikke er grunt nok til bunnfast fundament.

Været begrenser tilgangen 

Det er også utfordringer med tanke på tilgangen for både faste og flytende havvindturbiner, da det kun er mulig å ha tilkomst ved et spesifikt værvindu. Under oppstart, reparasjon og vedlikehold er det et behov for enkel tilgang til både personell og utstyr.

Denne presentasjonen vil kort gå gjennom de ulike typer tilkomstløsninger, sammen med de utfordringene de opplever. Deretter vil det bli forslag til løsninger for noen av disse problemene.

Tilkomstløsninger for havvindturbiner som overfører personell eller utstyr fra et flytende fartøy til en fast eller flytende havstruktur tar ofte i bruk knekkbomkraner. En kran som er mye brukt i olje- og gassindustrien og som også omfatter undervannskraner, men de er også mye brukt som lastebilkraner.

Kranen følger bevegelsene 

For å utføre en sikker overføring på havet er det nødvendig å plukke opp eller plassere nyttelast så skånsomt som mulig. For å gjøre dette, må vinsjen på kranen betjenes slik at kroken følger bevegelsen til plassen den skal plassere eller plukke opp lasten fra. Denne operasjon styres automatisk ved hjelp av et kontrollsystem. En spesiell type bevegelsessensor benyttes for å måle bevegelsen av skipet hvor kranen er montert. Denne sensoren har mulighet til å måle ikke bare vinkelen på skip, men også høyden av skipet i referanse til havbunnen.

Det er noen utfordringer når du gjør en overføring fra et skip til en struktur på havet. Det første er kontrollen av kranen i seg selv. En jevn kranstyring er nødvendig hvis kranen selv skal kompensere for bevegelsene av bølgene, i tillegg til vinsjen. I tillegg må fleksibiliteten i kranen også tas i betraktning. Dersom systemet er designet for å holde enden av kranen i et vertikal punkt over målet, må begge disse to områder være under kontroll.

Lite skal til for å miste kontrollen

Også bevegelsen/pendling av kroken er et stort problem, spesielt når nyttelasten er forbundet med kroken. Ofte flyttes laster på 1000 kg som henger i et 5 meter langt ståltau, og da er det ikke mye bølger som skal til for at lasten blir ukontrollerbar.

For å møte disse utfordringene, er bevegelseskontroll som unngår svingninger av selve kranen nødvendig. Dette gjør at kranen kan motvirke bevegelser laget av bølgene. Og det gjør overføring av nyttelast enklere, raskere og tryggere for kranførere. Reduksjon av pendling til nyttelasten kan bli dempet ved hjelp av å kontrollere enden av kranen. Og dermed holde lasten i ro ved plassering eller henting. 

Disputasfakta:

Kandidaten: Magnus Berthelsen Kjelland fikk bachelorgrad i elektronikk ved Høgskolen i Vestfold i 2009. I 2011 ble en Master i mekatronikk tatt ved Universitetet i Agder. Deretter - fra 2011 til 2014 - har han arbeidet med et doktorgradsprosjekt om tilkomst til havvindturbiner ved Universitetet i Agder. Nå arbeider han ved Red Rock Marine som leverer bølgekompenserte kraner og annet utstyr for den maritime industrien, som leverer utstyr til havvindturbiner under oppstart og vedlikehold.

Prøveforelesning og disputas finner sted i Rom C2 041, Campus Grimstad.

Instituttleder ved Institutt for Ingeniørvitenskap Rein Terje Thorstensen leder disputasen.

Tid for prøveforelesning: Fredag 4. november 2016 kl 10:00

Oppgitt emne for prøveforelesning: «Hydraulic booms – design, transmission and control».

Tid for disputas: Fredag 4. november 2016 kl 12:00

Tittel på avhandling: «Offshore Wind Turbine Access Using Knuckle Boom Cranes»

Søk etter avhandlingen i AURA - Agder University Research Archive AURA - Agder University Research Archive, som er et digitalt arkiv for vitenskapelige artikler, avhandlinger og masteroppgaver fra ansatte og studenter ved Universitetet i Agder. AURA blir jevnlig oppdatert.

Opponenter:

Førsteopponent: Professor Ole Balling, Aarhus universitet, Danmark

Annenopponent: Professor Heikki Handroos, Lappeeranta University of Technology, http://www.lut.fi/web/en/school-of-energy-systems/research/intelligent-machines Finland

Bedømmelseskomitéen er ledet av professor Henrik Kofoed Nielsen, UiA

Veiledere i doktorgradsarbeidet var professor Michael Rygaard Hansen, UiA (hovedveileder) og professor Geir Hovland, UiA (bi-veileder).

Offshore Wind Turbine Access Using Knuckle Boom Cranes

There is a great need for renewable and sustainable energy today and there are several different sources for energy where offshore wind is one with a high estimated planned power production.

Wind power production has for many years been produced onshore, but installing the wind turbines offshore has some benefits due to higher and more stable wind conditions. The majority of installed wind turbines are today bottom fixed, but when moving to deeper waters it is too high cost in building and installing foundation, which brings down the possibility of building wind parks in countries where the ocean is too deep for bottom fixed turbines.

There are, however, also challenges due to the access solutions for both the fixed and floating offshore wind turbines. During startup, repair and maintenance there is a demand for easy access of both personnel and equipment.

This presentation will briefly introduce the different types of access solutions, along with the challenges they experience and then proposed solutions for some of those problems.

Offshore access solutions that transfers personnel or equipment from a floating vessel to a fixed or floating offshore structure dose often use the knuckle boom crane. A crane which is widely used in the offshore oil and gas industry which also includes subsea cranes, but it is also used as vehicle loader cranes.

To perform a safe offshore transfer it is necessary to pick up or place the payload as carefully as possible. To do this, the winch on the crane has to be operated so it move the hook so that it follows movement of the destination area of the payload. This operation is automatically controlled using a control system. A special type of motion sensor is used to measure the movement of the ship where the crane is mounted. This sensor has the possibility to measure not just the angle of the ship but also the height of the ship in reference to the seafloor.

There are some challenges when doing this type of offshore transfer. First is the control of the crane itself. A smooth crane control is needed if the crane itself is to compensate for the movements caused by the ocean waves. In addition, the flexibility of the crane itself must also be taken into consideration. If the system is designed to keep the tip of the crane in a vertical point over the target, both these two areas must be under control.

Secondly, the movement of the hook is a big problem, especially when the payload is connected to the hook. Imagine 1000kg is moving around in a 5-meter long wire and the crane operator has to place the payload within a small area and not damage anything around.

To meet these challenges, motion control that avoid introduction of crane vibrations is necessary. This enables the crane to cancel out the movements introduces by the ocean waves. In addition, makes the payload transfer easier, faster and safer for the crane operators.

Reduction in payload movement can be dampened by correctly moving the crane tip, which enables the operator to safely placing down the load.

Candidate’s background:

Magnus Berthelsen Kjelland obtained a Bachelor’s degree in Electrical Engineering from Vestfold University College in 2009. From 2009 to 2011, a Master in Mechatronics was obtained from University of Agder. From 2011 to 2014, a position as a PhD fellow in Mechatronics has been held also at the University of Agder.

He is now currently employed at Red Rock Marine, which is a global supplier of heave compensated crane for the offshore wind industry, along with other ship machinery.

Supervisor: Professor Michael Rygaard Hansen