Desarrollo de las cimentaciones para soportar cargas extremas en turbinas eólicas marinas

Abstract

Los aerogeneradores marinos se diferencian de los clásicos en tierra por la forma en la que están anclados al suelo, existiendo dos tipos de cimentaciones: fijas y flotantes. Las fijas válidas para profundidades hasta 60 metros y las flotantes para cualquier profundidad. Existen diferentes tipos de cimentaciones fijas en función de la profundidad del emplazamiento: gravedad, monopilote y jacket. Existen también diferentes tipos de estructuras flotantes, si bien en este caso su uso no depende de la profundidad: barge, semi-sumergible, spar-buoy y tension leg platform. En este proyecto se desarrollan unas cimentaciones para un aerogenerador de 5MW situado en la costa de Sao Bento do Norte en Brasil donde hay una profundidad de 41 metros, dada esta profundidad se decide desarrollar una cimentación tipo jacket. Utilizando Bladed se modela el aerogenerador con monopilote y las condiciones meteorológicas según determina GL. Se estudian los diferentes casos de carga y se obtienen unas cargas extremas resultantes a la altura del suelo. Para poder relacionar estas cargas para monopilote con los diferentes casos de jacket se calculan a mano estos casos y se observa en qué porcentaje cambian las cargas al calcular para monopilote y jacket. Conocidas las relaciones se diseñan tres geometrías iniciales de jacket: X-braces, Z-braces y K-braces, estas tienen las mismas dimensiones principales y se modelan en Robot Structural Analysis utilizando dos tipos de viga para los tres casos. A partir de estas tres estructuras iniciales se itera variando los perfiles de viga y las cargas que sufre cada una hasta obtener la óptima, una K-braces constituida por dos tipos de perfil. La razón de tener solo dos perfiles para toda la estructura es facilitar la logística y fabricación de las jacket ahorrando en costes de material y tiempo de mano de obra lo que abarataría los costes totales.

Offshore wind turbines differentiate from the classic ones on land in the way they are anchored to the ground, existing two types of foundations: fixed and floating. Fixed foundations are valid for depths up to 60 meters and floating foundations for any depth. There are different types of fixed foundations depending on the depth at which the turbines are installed: gravity, monopile and jacket. There are also currently different types of floating structures, although in this case their use does not depend on the depth of the site: barge, semi-submersible, spar-buoy and tension leg platform. In this project, foundations are developed for a 5MW wind turbine that would be located on the coast of Sao Bento do Norte in Brazil where the sea has a depth of 41 metres, given this depth, it is decided to develop a jacket type foundation. Using Bladed the turbine is modeled with a monopile foundation and the meteorological conditions introduced as GL determines. The different load cases are studied and the resulting extreme loads at ground height are obtained. In order to relate the loads obtained with Bladed for monopile with the different jacket cases, these load cases are calculated by hand and the percentage change between jacket and monopile is observed. Once the ratios are known, three jacket geometries are designed: X-braces, Z-braces and K-braces. These have the same main dimensions and are modeled in Robot Structural Analysis using two beam types. Starting from these three initial structures the beam profiles and loads are iterated until the optimal structured is obtained, a K-braces built with two types of beam. The reason for having only two types of beams for the whole structure is to facilitate logistics and fabrication of the jackets, saving on materials and labor time which would lower total costs.