Optimización de la subestructura para una turbina eólica flotante semi-sumergible bajo condiciones ambientales extremas
Autores: Fletcher, Kevin; Tetteh, Edem; Loth, Eric; Qin, Chris; Damiani, Rick
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Optimización de la subestructura para una turbina eólica flotante semi-sumergible bajo condiciones ambientales extremas
Categoría
Procesos industriales
Subcategoría
Diseño de procesos industriales
Palabras clave
Barrera
Costo
Subestructura
Optimización
Anclajes
Dinámico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 16
Citaciones: Sin citaciones
Una barrera para la adopción de turbinas eólicas flotantes en alta mar es su alto costo en relación con las turbinas eólicas convencionales de fondo fijo. El mayor contribuyente a esta disparidad de costos es generalmente la subestructura flotante, debido a su gran tamaño y complejidad. Típicamente, un factor principal de la geometría y el tamaño de una subestructura flotante es el caso de carga ambiental extrema de la Región 4, donde las cargas de la plataforma son las más grandes debido al impacto de vientos y olas extremos. Para abordar este problema de costos, se optimizó un nuevo concepto para la subestructura de una turbina eólica flotante en alta mar, sus amarras y anclajes para una turbina de referencia de 10 MW bajo condiciones de carga extrema utilizando OpenFAST. El costo nivelado de energía se minimizó fijando el diseño de la turbina sobre el agua y minimizando la masa equivalente de la subestructura, que se basa en la masa de todos los componentes de la subestructura (tronco, patas, latas de flotación, sistema de amarre y anclaje) y los costos asociados de sus materiales, fabricación e instalación. Se utilizó un esquema de optimización escalonada para permitir una comprensión de su influencia tanto en el costo del sistema como en las respuestas dinámicas del sistema para el caso de carga estacionaria extrema. Las variables de diseño investigadas incluyen la longitud y la relación de tensión de las líneas de amarre, la longitud y el calado de las latas, y las longitudes de las patas y el tronco. Las respuestas dinámicas investigadas incluyen el cabeceo de la plataforma, el balanceo de la plataforma, la aceleración horizontal de la góndola y la sumersión de la lata. Se impusieron algunas restricciones sobre las respuestas dinámicas de interés, y se utilizó la altura metacéntrica del sistema flotante para garantizar la estabilidad estática. Los resultados ofrecen información sobre la influencia paramétrica en el movimiento de la turbina y sobre los posibles ahorros que se pueden lograr a través de la optimización de componentes individuales de la subestructura. Se logró una reducción del 36% en los costos de la subestructura mientras se mejoraba ligeramente la estabilidad hidrodinámica en cabeceo y se generaba un movimiento de oleaje algo grande y un ligero aumento en el balanceo.
Descripción
Una barrera para la adopción de turbinas eólicas flotantes en alta mar es su alto costo en relación con las turbinas eólicas convencionales de fondo fijo. El mayor contribuyente a esta disparidad de costos es generalmente la subestructura flotante, debido a su gran tamaño y complejidad. Típicamente, un factor principal de la geometría y el tamaño de una subestructura flotante es el caso de carga ambiental extrema de la Región 4, donde las cargas de la plataforma son las más grandes debido al impacto de vientos y olas extremos. Para abordar este problema de costos, se optimizó un nuevo concepto para la subestructura de una turbina eólica flotante en alta mar, sus amarras y anclajes para una turbina de referencia de 10 MW bajo condiciones de carga extrema utilizando OpenFAST. El costo nivelado de energía se minimizó fijando el diseño de la turbina sobre el agua y minimizando la masa equivalente de la subestructura, que se basa en la masa de todos los componentes de la subestructura (tronco, patas, latas de flotación, sistema de amarre y anclaje) y los costos asociados de sus materiales, fabricación e instalación. Se utilizó un esquema de optimización escalonada para permitir una comprensión de su influencia tanto en el costo del sistema como en las respuestas dinámicas del sistema para el caso de carga estacionaria extrema. Las variables de diseño investigadas incluyen la longitud y la relación de tensión de las líneas de amarre, la longitud y el calado de las latas, y las longitudes de las patas y el tronco. Las respuestas dinámicas investigadas incluyen el cabeceo de la plataforma, el balanceo de la plataforma, la aceleración horizontal de la góndola y la sumersión de la lata. Se impusieron algunas restricciones sobre las respuestas dinámicas de interés, y se utilizó la altura metacéntrica del sistema flotante para garantizar la estabilidad estática. Los resultados ofrecen información sobre la influencia paramétrica en el movimiento de la turbina y sobre los posibles ahorros que se pueden lograr a través de la optimización de componentes individuales de la subestructura. Se logró una reducción del 36% en los costos de la subestructura mientras se mejoraba ligeramente la estabilidad hidrodinámica en cabeceo y se generaba un movimiento de oleaje algo grande y un ligero aumento en el balanceo.