Cargas en la estructura de soporte del aerogenerador marino

Abstract

Este proyecto se engloba dentro de la optimización de métodos de obtención de energía limpia ya existentes. En concreto, optimización de la tecnología de generación eólica marina. Para ello, este proyecto analiza las distintas cargas a las que está sometido un aerogenerador marino. Dichas cargas actuantes se clasifican en cargas últimas (estudiadas mediante análisis último de cargas) y cargas de fatiga (analizadas con métodos de cálculo a fatiga).

Los aerogeneradores marinos se ven sometidos a una serie de cargas últimas y de fatiga que influyen notablemente en su funcionamiento y tiempo de vida. Actualmente es un campo de estudio amplio, en el cual se desarrollan nuevas técnicas innovadoras. El elemento sobre el cuál recae la mayor parte del peso de la estructura y efectos del mar y viento es la torre. Por tanto, el principal objetivo del proyecto es estudiar las cargas actuantes sobre la torre de un aerogenerador marino, así como su dimensionado de forma que esta soporte las cargas últimas como cargas de fatiga durante una vida de 25 años.

La metodología usada para el análisis de este proyecto de investigación es un método deductivo ya que se obtienen hipótesis a partir de teoría ya existente. Se parte inicialmente de un aerogenerador marino con unas dimensiones y especificaciones determinadas. Para el diseño del modelo del aerogenerador marino y el estudio de las cargas últimas y de fatiga se ha usado el software Bladed. Esta versión del software contiene algunas limitaciones de análisis, pero es suficientemente completa para el estudio realizado. Por otro lado, se ha seguido la normativa GL (Germanischer Lloyd) para la realización de todas las simulaciones y análisis. En cuanto al análisis de datos se ha usado teoría de Análisis Estructural y Resistencia de Materiales.

Repasados los resultados se ha observado que el dimensionado de la torre se ve dominado por el dimensionado en función del análisis último de cargas. En concreto, el momento flector compuesto (Mxy) en la base de la torre del aerogenerador produce las tensiones más determinantes.

Como resultado se obtiene un predimensionado de la torre del aerogenerador que soporta las cargas últimas y de fatiga. Dicho dimensionado inicial considera una torre de sección constante y un espesor de 0,55 m, lo cual es notablemente conservador. Debido al nivel de conservadurismo, el aerogenerador soporta las cargas de fatiga con un margen de vida después de los 25 años del 92,9%. Por tanto, se diseña finalmente una estructura de la torre con espesor variable de forma que soporte, a su vez, las distintas tensiones generadas por las cargas en cada punto de la torre. De esta forma se consigue un optimizado del diseño de la torre y un ahorro notable de material (dimensionado menos conservador que el inicial).

El optimizado de la torre permite un ahorro económico notable, por lo que es un campo de investigación de gran importancia.

En cuanto a rentabilidad, se ha hecho un análisis de un proyecto de 5 aerogeneradores marinos. Se ha evaluado la diferencia de rentabilidad entre el proyecto base y el proyecto optimizado, obteniéndose notables mejoras de rentabilidad en el proyecto optimizado. La estructura de capital de cada proyecto se ha considerado de 40% deuda y 60% de fondos propios.This project is included in the optimization of methods of obtaining clean energy already existing. Specifically, optimization of offshore wind generation technology is one of the main R&D fields. According to that, this project analyzes the different loads affecting offshore wind turbines. These acting loads are classified into ultimate loads (studied by ultimate load analysis) and fatigue loads (analyzed with fatigue calculation methods).

Offshore wind turbines are subject to a series of ultimate loads and fatigue that significantly influence their operation and life duration. It is currently a broad field of study, in which new innovative techniques are being developed. The tower is the element on which most of the weight of the structure and effects of the sea and wind loads affect. Therefore, the main objective of the project is to study the loads acting on the tower of an offshore wind turbine, as well as determining its dimensions so that it supports the ultimate loads as fatigue loads during a lifetime of 25 years.

The methodology used for the analysis of this research project is a deductive method since hypotheses are obtained from existing theory. Initially, a given offshore wind turbine model with certain dimensions and specifications will be created. For the design of the marine wind turbine model and the study of ultimate loads and fatigue, Bladed software has been used. This version of the software contains some analysis limitations, but it is complete enough for the study carried out. On the other hand, the GL (Germanischer Lloyd) regulation has been followed for the completion of all the simulations and analyses. In terms of data analysis, theory of Structural Analysis and Material Resistance has been used.

After reviewing the results, it has been observed that the dimensions of the tower is mainly dominated by ultimate load analysis. Most specifically, the bending moment (Mxy) at the base of the wind turbine tower produces the biggest stresses.

As a main result, a pre-determination of the dimensions of the wind turbine tower that supports the ultimate loads and fatigue is obtained. These initial dimensions consider a constant tower cross section with a tubular thickness of 0.55 m, which is remarkably conservative. Due to the level of conservatism, the wind turbine supports fatigue loads with a life span after 25 years of 92.9%. Therefore, a tower structure with variable thickness is finally designed so as to support the different stress generated by the loads at each point of the tower. An optimized design of the tower is achieved and a significant savings in material (dimensions are less conservative than the initial).

The optimized tower allows a significant economic savings and, therefore, it is a field of research of remarkable importance.

In terms of returns, an analysis of a project of 5 offshore wind turbines has been conducted. The return difference between the base project and the optimized project has been evaluated, and the optimized project has shown an increase in the returns. The capital structure of each project has been considered as 40% debt and 60% equity.