Tesis:
Numerical tools for the assessment of offshore wind platforms
- Autor: BERDUGO PARADA, Irene
- Título: Numerical tools for the assessment of offshore wind platforms
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES
- Departamentos: ARQUITECTURA, CONSTRUCCION Y SISTEMAS OCEANICOS Y NAVALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88903/
- Director/a 1º: GARCÍA ESPINOSA, Julio
- Director/a 2º: SERVÁN CAMAS, Borja
- Resumen: Floating offshore wind turbines (FOWT) are a promising solution to capture the wind energy potential found in the oceans. However, these structures face aggressive environmental conditions that can jeopardize their structural integrity. In that account, their design relies on the use of modeling tools that can simulate the entire coupled system behavior. To address this challenge, this doctoral thesis presents a comprehensive numerical framework for the simulation of floating offshore wind turbines. The developed tool allows for their integrated load analysis (ILA) by obtaining their structural response under combined wind-wave excitation.
Efforts to reduce the levelized cost of energy produced by FOWTs are driving the development of larger and lightweight platforms. This upscaling increases their energy production capacity, but also might introduce significant elastic deformations, which makes them prone to fatigue damage. Research is now focused not only on optimizing energy generation but also on extending the operational lifespan of these platforms. In this context, the present framework incorporates a reduced order solution for detailed structural analysis. A novel hydroelastic strategy based on the Modal Matrix Reduction (MMR) technique is proposed and tested. This approach allows for the simulation of the elastic behavior of floating turbines, capturing local stresses and identifying potential hotspots for fatigue failure.
The marine energy field is a sector undergoing exponential growth, open to diverse incoming structural designs and bringing with it new engineering challenges. Among these, multi-rotor concepts stand out as an interesting alternative to the upscaling of wind turbines. Due to the innovative nature of these systems, the numerical solvers for their assessment are at a lower level of maturity. In this regard, within this dissertation, a methodology is proposed to extend the present tool allowing for the simulation of multi-turbine systems.
The core idea of this research is to design a tool aligned with the advances in the marine wind energy sector, promoting its growth while overcoming current numerical limitations. As a result, this work provides a robust numerical solution for the simulation of FOWTs, combining high-fidelity models with affordable computational costs.
RESUMEN
Las plataformas eólicas flotantes son una solución prometedora para capturar el potencial energético del viento que se encuentra en los océanos. Sin embargo, estas estructuras están sujetas a condiciones ambientales agresivas que podrían poner en peligro su integridad estructural. En este sentido, su diseño depende del uso de herramientas de modelado que puedan simular el comportamiento de todo el sistema acoplado. Para abordar este desafío, esta tesis doctoral presenta un marco numérico completo para la simulación de turbinas flotantes. La herramienta desarrollada permite realizar análisis acoplados obteniendo su respuesta estructural bajo cargas combinadas de viento y oleaje.
Los esfuerzos por reducir el coste nivelado de la energía producida por la eólica flotante están impulsando el desarrollo de plataformas cada vez más grandes y ligeras. Como consecuencia del aumento estructural destinado a mejorar la capacidad de producción energética, también podrían generarse deformaciones elásticas significativas, siendo propensas a daños por fatiga. La investigación actual se centra no solo en optimizar la generación de energía, sino también en extender la vida útil operativa de estas plataformas. En este contexto, la herramienta desarrollada incorpora una solución de orden reducido para poder realizar análisis estructurales de detalle. Se propone y verifica una nueva estrategia hidroelástica basada en la técnica de Reducción de la Matriz Modal. Esta metodología permite simular el comportamiento elástico de las turbinas flotantes, capturando tensiones locales e identificando posibles puntos críticos para fallos por fatiga.
El campo de la energía marina es un sector en desarrollo exponencial, abierto a diversos diseños estructurales emergentes, lo que trae consigo nuevos desafíos para la ingeniería. Entre estos, los conceptos multi-rotor destacan como una alternativa interesante frente al escalado de turbinas eólicas. Debido al carácter innovador de estos sistemas, los códigos numéricos para su evaluación están en un nivel de madurez inferior. En consecuencia, dentro de esta disertación, se propone una metodología para extender la herramienta actual permitiendo la simulación de sistemas con múltiples turbinas.
La idea central de esta investigación es diseñar una herramienta alineada con los avances en el sector de la energía eólica marina, promoviendo su crecimiento y superando las limitaciones numéricas actuales. Como resultado, este trabajo proporciona una solución numérica robusta para la simulación de turbinas eólicas flotantes, combinando modelos de alta fidelidad con costes computacionales asequibles.