Numerical appoaches for loads and motions assessment of floating offshore renewable energy devices moored by means of catenary mooring systems

Resumen

Actualmente se están desarrollando tecnologías para la captación de energías renovables marinas basadas en plataformas flotantes, como las energías eólica marina, undimotriz y mareomotriz, con el fin de lograr un coste de la energía competitivo. El impacto económico del sistema de fondeo es significativo dentro del coste total de dichos despliegues y se están realizando grandes esfuerzos para optimizar los diseños. Con el fin de obtener diseños económicamente eficientes, es muy conveniente que el sistema de fondeo se considere con suficiente precisión desde las primeras etapas del desarrollo tecnológico de las tecnologías correspondientes. El análisis de los sistemas de fondeo en las primeras etapas generalmente requiere un equilibrio entre métodos rápidos de análisis y una precisión suficiente para llevar a cabo análisis de sensibilidad de múltiples variables. Aunque los enfoques más precisos se basan en el método de elementos finitos no lineales en el dominio del tiempo, éstos pueden resultar en altos costes computacionales.En la etapa preliminar de esta tesis se han analizado y comparado los enfoques numéricos más utilizados para estimar las cargas en las líneas de amarre. Se muestra que se pueden realizar análisis de optimización de fondeos para convertidores de energía de olas basados en su dinámica vertical considerando la rigidez horizontal que introduce el sistema de fondeo en la estructura flotante, siempre que las pretensiones consideradas sean leves. Asimismo, se verifica que estimaciones precisas de las tensiones de línea requieren que se tengan en cuenta las fuerzas de inercia y viscosas del fluido en dichas líneas.Posteriormente se ha desarrollado un modelo acoplado de estructura flotante y fondeo basado en el enfoque `lumped mass¿. Éste ha sido validado con resultados de ensayos experimentales en tanque de olas de una boya cilíndrica flotante amarrada a través de tres líneas en catenaria, proporcionados por TECNALIA. Se ha confirmado que las diferencias encontradas entre los resultados del modelo numérico y los del modelo físico se han producido principalmente por incertidumbre en las estimaciones de las fuerzas hidrodinámicas en la estructura flotante, en lugar de en el modelo de las líneas de fondeo, basado en el método de `lumped mass¿ que se ha verificado que es muy preciso. Asimismo, la fricción con el lecho marino influye significativamente en la tensión de las líneas con movimientos transversales, y los modelos de fricción deben seleccionarse y ajustarse cuidadosamente.Con el fin de permitir estimaciones rápidas de la tensión de la línea, se ha propuesto una linealización del modelo acoplado de estructura y fondeo y se ha desarrollado un enfoque en el dominio de la frecuencia. Se ha verificado con los correspondientes resultados del modelo en el dominio del tiempo ya validado, ambos aplicados a un convertidor de energía undimotriz flotante amarrado con tres líneas en catenaria. Los resultados obtenidos en condiciones operativas han sido satisfactorios, permitiendo a su vez el análisis modal del sistema acoplado.