ES2415767A1 - Estructura flotante de hormigón prefabricado para soporte de aerogenerador - Google Patents

Abstract

Estructura flotante de hormigón prefabricado para soporte de aerogenerador. La plataforma objeto de la presente invención se basa en una plataforma monolítica flotante de tipo SPAR, prefabricada en hormigón y precomprimida mediante armaduras activas. La estructura está formada por un tramo de geometría cilíndrica (13), que hace las funciones de elemento de flotación y otro superior, situado por encima de la superficie marina (12), de forma cilíndrica y/o troncocónica, que sirve para el soporte del aerogenerador. La fijación de la estructura al fondo marino se realiza mediante líneas 20 de cables, a través de elementos de lastre pesados o pilotes de succión (16), capaces de contrarrestar las componentes vertical y horizontal inducidas por los cables.

Description

Estructura flotante de hormigón prefabricado para soporte de aerogenerador.

El objeto principal de la invención se refiere a una estructura flotante construida con hormigón para el soporte de aerogeneradores de gran potencia. Se enmarca en el ámbito de las energías renovables, en concreto en el aprovechamiento de la energía eólica en el mar, planteando su uso en zonas marítimas de gran profundidad, mayor de ciento cincuenta metros.

ANTECEDENTES

En el contexto que la tendencia global se decanta por el uso de las energías renovables, de entre ellas la tecnología referente a la extracción de energía eléctrica a partir del viento ha sufrido en un corto período de tiempo un importante impulso tecnológico y de I+D.

Los avances más significativos se han traducido, y siguen traduciéndose, en aerogeneradores con potencias mucho más elevadas que las de sus predecesores, más ligeros y con mayor vida útil. Éste hecho ha permitido el planteamiento y explotación de diseños de estructuras para el soporte de aerogeneradores situados en el mar, donde los costes relativos a la cimentación necesaria para estas estructuras son considerablemente más importantes que en las estructuras cimentadas en tierra (onshore) y que con la existencia de aerogeneradores de gran potencia, que por otra parte no requieren de estructuras de soporte significativamente más costosas que para sus predecesores, permiten desde un punto de vista comercial absorber los costes extra derivados del emplazamiento en el mar a cambio de una mayor potencia instalada.

Pese a las numerosas ventajas que la tecnología de la aerogeneración en el mar ha demostrado tener hasta el momento, éstas se han visto empañadas por la dificultad de hallar ubicaciones marinas con condiciones de viento favorables y a su vez con batimetrías que permitan la fijación de éstas estructuras en profundidades máximas del orden de los 50 metros a cierta distancia de la costa, donde sea posible la instalación de grandes parques eólicos marinos que no generen un importante impacto, principalmente visual desde el punto de vista de la aceptación social de la infraestructura.

Es en este punto donde cobra sentido el diseño de plataformas flotantes para el soporte de aerogeneradores, puesto que permiten la instalación de grandes parques eólicos alejados de la costa y con gran independencia de la profundidad de la zona considerada.

Hasta la fecha se han desarrollado algunas patentes en cuanto a diferentes diseños de plataformas flotantes para dicho fin, de las cuales cabe destacar las patentes WO2010106208 y WO2006132539, que por su simplicidad permiten garantizar la estabilidad del sistema sin necesidad de recurrir a elementos activos de control de estabilidad más allá de los propios relativos a los aerogeneradores.

La patente US20060165493 describe un diseño formado por 3 puntos de flotación diferenciados, con un sistema activo de transferencia de fluido de lastrado entre ellos que se traduce en importantes costos de mantenimiento, además del aumento de coste debido a la existencia de los múltiples puntos de flotación.

Otros diseños como los presentados en WO2010110329 y WO2010110330 mantienen una filosofía parecida al propuesto en WO2006132539, introduciendo métodos de instalación que permiten facilitar su colocación en el emplazamiento definitivo.

En todos los casos anteriores, el material base de la construcción es el acero, limitando el uso del hormigón a la concepción del peso de lastrado en algunos de ellos (WO2010110329 y WO2010110330).

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La plataforma objeto de la presente invención se basa en una plataforma flotante de tipo SPAR, prefabricada en hormigón en toda su longitud formado un sólo elemento monolítico con geometrías cilíndrica y troncocónica.

La estructura permite garantizar la estabilidad, adoptando ángulos máximos de escora del orden de 4º a 10º, perfectamente asumibles por los aerogeneradores existentes.

La principal novedad introducida respecto otras patentes existentes como la WO2006132539 es la consideración del hormigón como material de construcción básico en dicha estructura.

Comparando el hormigón con el acero en ambientes de agresividad importante por cloruros, como es el caso del ambiente marino, el hormigón presenta una muy buena durabilidad, con una importante disminución de las tareas de inspección y mantenimiento, no siendo necesario el uso de pinturas especiales de protección ni de ánodos de sacrificio. Asimismo, pese a que el hormigón normal presenta una permeabilidad baja, se propone el uso de ciertas adiciones que permitan aumentar tanto la compacidad (impermeabilidad) como la resistencia final del hormigón. Asimismo, el monolitismo de la estructura, evitando la presencia de juntas entre distintas piezas (p.e. flotador y torre) mejora las condiciones de durabilidad de la misma. Además, puede suponer una clara ventaja constructiva al reducir el número de operaciones.

La estabilidad del sistema se basa en la generación de un par estabilizador debido a la distancia entre el centro de carena (CdC) y el centro de gravedad (CdG) del sistema. A diferencia de otras soluciones como la propuesta en WO2010106208, donde la geometría juega un papel muy importante en la maximización de la distancia entre el CdG y el CdC, en este caso se ha previsto una geometría simple, que permita el hormigonado sin geometrías complejas ni elementos singulares, garantizando la separación necesaria entre CdG y CdC gracias al uso de materiales con una relación densidad/coste que permitan rebajar de forma drástica el CdG del sistema sin suponer un coste inviable para su ejecución, como pueden ser ciertos tipos de áridos.

La estructura está formada por un tramo inferior cilíndrico hueco, que hace las funciones de elemento de flotación y otro superior, situado por encima de la superficie marina, de forma cilíndrica y/o troncocónica, que sirve para el soporte del aerogenerador. En ambos tramos se prevé la disposición de distintas aberturas que conecten el interior de la estructura con el exterior, con sus correspondientes sistemas de apertura/sellado, para fines de construcción y/o mantenimiento. El material de lastre se debe disponer en la parte inferior del tramo cilíndrico de forma que se rebaje el CdG del conjunto “estructura-lastre” por debajo del CdC, garantizando así su estabilidad hidrostática.

Las dimensiones de este tipo de estructura, considerando un par estabilizante suficiente para contrarrestar la acción del aerogenerador, se hallan entre los 110 y los 320m totales, dependiendo de la relación diámetro/lastre utilizada, considerando unl rango de diámetros posibles de entre 5 hasta 15,2m. Otras dimensiones no podrían ya ser consideradas como soluciones tipo SPAR, ya que manteniendo la tipología estructural planteada carecerían de estabilidad hidrostática.

Debido a la escasa resistencia del hormigón a los esfuerzos de tracción, y a que se trata de una estructura donde las acciones externas generan grandes esfuerzos de flexión, la estructura debe ser pretensada para evitar la descompresión del hormigón, evitando fallos por tracción así como las posibles fisuras que puedan afectar a laestanqueidad del sistema. Éste hecho implica la necesidad de grosores de hormigón que permitan no tan solo limitar el valor máximo de las tensiones de compresión (inferiores a la tercera parte de la resistencia característica del hormigón), evitando a su vez la descompresión y la abertura de fisuras, sino que deben ser suficientes como para evitar la acción degradante de los vectores ambientales. En función del tipo de hormigón empleado, la localización dentro de la propia estructura y el diámetro considerado, estos grosores varían desde 20 hasta 100cm.

La base del tramo inferior presenta forma de hemiesfera a fin que la presión hidrostática asegure un buen confinamiento del hormigón, minimizando los esfuerzos de flexión y permitiendo un recorrido óptimo de las vainas para la armadura activa.

La unión entre el aerogenerador y la estructura de hormigón se resuelve mediante el remate en coronación de la estructura con una pletina anular de acero que permite la conexión entre ésta y la corona de giro de la góndola del aerogenerador. Adicionalmente esta pletina hace las funciones de placa de reparto para el pretensado de las armaduras activas previstas, de forma que queda perfectamente asegurada la unión hormigón-pletinaaerogenerador.

La fijación de la estructura al fondo marino se plantea realizarla mediante líneas de cables, tendiendo a evitar al máximo la deformación por peso propio que produce la típica forma de catenaria. Este efecto se prevé solucionarlo reduciendo el peso sumergido de los cables mediante adiciones sobre éstos, de forma que se compense parcialmente su peso propio con la flotación producida por las adiciones. El efecto que se busca conseguir es el de limitar la componente vertical sobre la estructura que induce la tensión a la que se encuentra sometido el cable. Adicionalmente, el hecho de minimizar la deformación del cable por peso propio, se consiguen mayores rigideces horizontales en los puntos de fijación de la estructura, minimizando sus desplazamientos. Se plantea una posible reducción de al menos el 50% de la tensión vertical inducida por las líneas de cable de fondeo en situación de reposo, lo que requeriría que al menos un 50% de su peso sumergido quede contrarestado con los elementos de flotación añadidos a éstas últimas.

Esta propiedad puede conseguirse mediante nuevos materiales poliméricos de los cuales, a diferencia del sistema propuesto, no se conocen muy bien sus características reológicas a largo plazo ni sus propiedades frente a los esfuerzos de fatiga del material, por lo que la propuesta es una innovación desde el punto de vista de conseguir ciertas propiedades interesantes de nuevos materiales, evitando la incertidumbre que estos nos plantean.

Al minimizar su deformación por peso propio, éstos adquieren una forma casi-rectilínea que, a diferencia de los sistemas típicos con deformadas de los cables de tipo catenaria, provoca una reacción vertical importante en el punto de fijación sobre el lecho marino. Este hecho plantea la necesidad de disponer cimentaciones que permitan resistir dichas componentes verticales. Las cimentaciones planteadas deben ser de tipo lastre por peso propio o pilotes de succión, en función de las características geotécnicas del terreno que compone el fondo marino.

Adicionalmente, el propio diámetro del cilindro de flotación nos permite disponer de un par estabilizador del movimiento de torsión de la estructura a través del par de fuerzas introducido por la unión de los cables a ésta.

El sistema planteado permitirá mayores facilidades de construcción en serie respecto a las estructuras de acero convencionales, debido a la versatilidad de la producción a gran escala de elementos de hormigón, reduciendo el coste por MW instalado de forma muy significativa.

De igual forma que en las invenciones relacionadas anteriormente, la estructura puede ser remolcada durante su vida útil con fines de mantenimiento o relocalización de la misma.

Para la unión entre el aerogenerador y el resto de la estructura se ha aprovechado la necesidad de armaduras activas en la estructura, se soluciona la unión entre el aerogenerador y la estructura de acero mediante el uso de una placa metálica, situada en la coronación de la estructura, con sección en cajón y un pequeño voladizo exterior y/o interior, donde la misma base de la placa que apoya sobre el hormigón desempeña a la vez la función de placa de reparto de los tendones activos y la función de elemento de conexión entre la interfase hormigón-acero. La unión contra el hormigón queda garantizada por la fuerza producida por los tendones activos contra la placa, quedando totalmente solidaria a la estructura de hormigón. La unión con el aerogenerador se realiza mediante tornillería fijada al voladizo exterior y/o interior de la placa metálica, sobre el cual asienta la base del aerogenerador.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Seguidamente se describen brevemente las figuras que ayudan a comprender mejor la invención y que se encuentran directamente relacionada con la invención, presentadas a modo de ejemplo, sin ser limitantes de ésta.

FIG 1: Esquema en alzado de la estructura flotante de hormigón para soporte de aerogenerador.

FIG 2: Esquema del detalle de la finalización del flotador mediante sección hemiesférica.

FIG 3: Esquema pletina de conexión estructura-aerogenerador.

Como se observa en la figura 1, la estructura está compuesta por un tramo superior troncocónico de hormigón (12), rematado superiormente por una pletina de acero (17) para la conexión con el aerogenerador (11).

La flotación del sistema se garantiza mediante un elemento cilíndrico de hormigón (13) que presenta un cierto resguardo sobre la superficie media del nivel del mar y que se encuentra lastrado mediante el añadido de árido y agua en su parte inferior (14), rematado inferiormente mediante casquete hemiesférico (18) para asegurar que el hormigón de la zona trabaje fundamentalmente a compresión y no aparezcan fisuras debidas a esfuerzos de tracción resultantes de posibles flexiones o tiros. Toda la estructura se plantea mediante el uso de armaduras activas de forma que se garantice la no descompresión del hormigón durante su vida útil a fin de evitar fisuras y sus consecuencias desde el punto de vista de la durabilidad.

Las dimensiones de la estructura dependen fundamentalmente de las acciones que sean de aplicación en cada caso, siendo posible debido a su simplicidad geométrica adaptarlas según las diferentes necesidades en uncaso u otro. Éstas pueden variar en un rango de diámetros de entre 5 y 15.2 metros y un calado de entre 80 y 150 metros, con espesores que pueden variar desde 20 a 100 centímetros. La parte troncocónica puede ser de diversas alturas, en función del aerogenerador instalado, condiciones de viento, etc. Su diámetro va comprendido entre el diámetro del cilindro inferior y un diámetro superior entre los 2.8 y 5m, en función del modelo de aerogenerador.

En el tramo cercano a la superficie del nivel del mar se puede mantener la sección cilíndrica del flotador o realizar un cierto estrechamiento del diámetro para conseguir una estructura más permeable al efecto del oleaje. En la figura mostrada se mantiene el diámetro en todo el cilindro.

La fijación de la estructura al lecho marino se realiza mediante líneas de cables (15) dispuestas simétricamente y con su peso sumergido minimizado de forma que adquieran una forma casi rectilínea en lugar de una forma ostensiblemente de catenaria. El flotador posee de un sistema de inundación y evacuación controlada para poder ajustar tanto la línea de flotación como la tensión inicial en los cables de fijación.

La fijación en el fondo marino (16) se plantea a través de elementos de lastre pesados o pilotes de succión, capaces de contrarrestar la importante componente vertical y horizontal inducidos por los cables en el fondo, a diferencia de los sistemas típicos de ancla o lastres poco pesados.

En la figura 2 se observa un detalle del remate inferior del tramo cilíndrico de flotador mediante un casquete

5 hemiesférico de hormigón (23), cuyo espesor puede variar entre los 30 y 100cm, que permite dar continuidad a los tendones de armaduras activas de la estructura y que a su vez permite distribuir la diferencia de presión entre la carga hidrostática del agua (22) y la presión interna generada por el lastre (21) en forma de compresiones a través del hormigón, eliminando posibles esfuerzos de flexión sobre el elemento y por lo tanto eliminando el riesgo de aparición de tracciones y fisuras.

10 En la figura 3 se muestra un detalle de la conexión estructura-aerogenerador, mediante una placa anular de acero (31) apoyada en el extremo de la estructura de hormigón (34) y fijada a ésta mediante el propio sistema de pretensado, en el cual la placa de acero anular hace las funciones de placa de reparto de los anclajes (32). Dicha placa presenta voladizos perimetrales que permiten la conexión del aerogenerador (33), de forma que se garantiza una unión perfecta entre placa-hormigón y placa-aerogenerador.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

   1.- Estructura flotante para el soporte de aerogeneradores u otros elementos, caracterizado por ser una estructura prefabricada monolítica de hormigón armado y pretensado, con tramos cilíndricos y troncocónicos de longitud total comprendida entre 110 y 320 metros, cuyo tramo inferior sumergido contiene el lastre.
2. 2.- Estructura flotante hormigón de acuerdo a la reivindicación 1, cuyos diámetros exteriores están comprendidos entre 2.8 y 15.2 metros y cuyos espesores están comprendidos entre 20 y 100 centímetros.
3. 3.- Estructura flotante de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, donde el estado tensional de compresión permanente en la estructura de hormigón se alcanza mediante el uso de armaduras activas (tendones de acero) embebidas en el hormigón, ya sea desnudas o en vainas de protección, que ancladas en diferentes puntos de la estructura se tensaran mediante el uso de gatos hidráulicos una vez el hormigón haya adquirido una mínima resistencia a compresión tras el hormigonado de las piezas.
4. 4.- Estructura flotante de acuerdo a las reivindicaciones 1, 2 y 3, donde la parte inferior del cilindro de flotación es de forma hemiesférica y a través de la cual se da continuidad a las armaduras activas.
5. 5.- Estructura flotante de acuerdo a las reivindicaciones 1, 2 y 3, donde la unión entre la estructura de hormigón y el aerogenerador se realiza a través de una placa metálica en sección cajón que a su vez se fija al hormigón realizando ambas funciones, la de sujeción del aerogenerador y la de placa de reparto para los anclajes superiores de las armaduras activas de la torre.
6. 6.- Estructura flotante de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, donde los cables de fijación al lecho marino disponen de adiciones de material de baja densidad que compensa al menos el 50% de su peso sumergido.