Estudio de las solicitaciones meteoceánicas extremas y las respuestas asociadas a una plataforma eólica flotante tipo Spa

Abstract

RESUMEN: El objetivo del presente estudio es determinar, utilizando herramientas básicas de cálculo, las solicitaciones que generan los diferentes fenómenos climáticos de la dinámica marina –viento, corrientes y oleaje– sobre una plataforma flotante tipo SPAR para eólica offshore. A partir de ellas, pueden hallarse las respuestas de la misma, considerando los diferentes elementos que juegan un papel fundamental en el proceso, como son el sistema de amarre y las amortiguaciones hidrodinámicas. Como introducción y punto de partida, se hace un recorrido por la situación actual de los muchos elementos relacionados con la explotación de energía eólica offshore, como son las características y tendencias de la energía eólica, las características especiales del ambiente marino, las diferentes plataformas que existen y se están desarrollando –fijas y flotantes–, los tipos de sistemas de amarre y una pequeña reseña de las clases de anclajes que se suelen utilizar. Los apartados de cálculo se han realizado principalmente siguiendo las pautas e indicaciones de manuales como el de Subrata Chakrabarty (Handbook of Offshore Engineering, 2005) y estándares para diseño de estructuras offshore como los DNV Standards. Se ha utilizado la expresión de Morison para determinar las cargas horizontales –estacionarias y no estacionarias– sobre el cuerpo de la plataforma debidas a viento, corrientes y oleaje, cuyas magnitudes se han obtenido de regímenes extremos facilitados por el Instituto de Hidráulica Ambiental IH Cantabria. Se ha supuesto una situación donde todos estos fenómenos atacan a la estructura alineados en la dirección de una de las líneas de fondeo. Para el cálculo de la respuesta de la SPAR, se ha asimilado la boya a un sistema físico de oscilador con muelle y amortiguación no lineal bajo oleaje regular, haciendo las simplificaciones y ajustes oportunos. Finalmente, se ha resuelto la ecuación de movimiento del oscilador en el dominio de la frecuencia, y se han podido describir los desplazamientos que realiza la plataforma como una función del tiempo una vez se ha estabilizado la oscilación.

ABSTRACT: The aim of this study is to determine, using basic engineering tools, the forces generated by the different climatic phenomena in the marine environment –wind, currents and waves- on a SPAR-type floating platform. Once the forces are known, they are used to find the responses of the platform, taking into consideration the different elements involved in the process, such as the mooring system and the hydrodynamic non-linear damping. As an introduction and starting point, a general state-of-the-art is presented for the many elements involved in the offshore wind technology development, including special characteristics of wind energy and its evolution in the last decades, special facts about the offshore marine environment, the different existing platforms –both fixed and floating– and the ones still in research phase, types of mooring systems and a brief description of the types of anchors that are commonly used. All sections involving calculations have been developed following the recommendations and rules from handbooks and standards as the Handbook of Offshore Engineering (Chakrabarty 2005) and the DNV Standards. To determine the horizontal wind, current and wave loads, Morison’s equation has been used. The magnitudes of these natural phenomena have been taken from extreme regime charts for the Santander area, issued by the Environmental Hydraulics Institute IH Cantabria. To describe the response of the SPAR platform under these conditions, the buoy has been studied as a forced non-linearly damped oscillator, making the necessary simplifying hypothesis and adjustments. Finally, the oscillator motion equation has been solved in the frequency domain, so the motion of the buoy once oscillation has become stable is known as a function of time.