ES2644169A1 - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos - Google Patents
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Abstract
Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos. La presente invención se refiere a una plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos que ha sido desarrollada con una geometría optimizada, presentando un bajo centro de gravedad, que es adaptable, en gran parte conseguido gracias a un diseño que ofrece una elevada capacidad de lastrado en la parte inferior de la plataforma gracias a la geometría desarrollada, y con ello, una elevada estabilidad y excelente comportamiento en la mar. Adicionalmente la plataforma semisumergible definida en la presente invención cuenta con un diseño especial con tres columnas verticales, una columna principal y dos columnas auxiliares, unidas en su parte inferior por tres pontonas submarinas, dos pontonas laterales y una pontona transversal posterior, de las cuales las pontonas laterales unen la columna principal con cada una de las columnas auxiliares, mientras que la pontona transversal unirá las columnas auxiliares entre sí.
Description
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PLATAFORMA SEMISUMERGIBLE PARA AEROGENERADORES MARINOS
D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion consiste en una plataforma flotante de tipo semisumergible disenada para soportar de manera directa los esfuerzos generados por un aerogenerador de alta potencia (5 MW o mayor) sobre la misma pero tambien para generar la suficiente inercia en la flotacion que garantice la estabilidad del conjunto de la plataforma semisumergible y el aerogenerador a lo largo de toda su vida util y de acuerdo a los condicionantes del emplazamiento seleccionado. Estos esfuerzos se deben fundamentalmente a la fuerza del viento que actua sobre la turbina y que se transmiten a lo largo de la torre hasta la plataforma flotante, asl como el efecto de mar sobre la propia estructura flotante (olas, corrientes, mareas, crecimiento marino, etc).
El objeto de la invencion es una plataforma semisumergible que ha sido desarrollada con una geometrla extremadamente optimizada (sobre todo en comparacion con otros disenos existentes en el mercado) y que presenta un bajo centro de gravedad variable, lo cual mejora la estabilidad y permite alcanzar un excelente comportamiento en la mar que proporciona su diseno gracias a contar con una gran inercia en la flotacion. Esta variacion de la altura del centro de gravedad se consigue gracias a la introduccion de unas uniones o pontonas horizontales que unen las columnas verticales entre si en su parte baja (y sumergida) y con ello se garantiza su optima estabilidad en todo tipo de condiciones.
La plataforma semisumergible definida en la presente invencion presenta una geometrla que cuenta con tres pontonas submarinas horizontales que unen entre si por la parte baja de tres columnas verticales que emergen por encima del agua, de las cuales una de ellas, la denominada columna principal, sirve para sustentar la torre que soporta el aerogenerador, asl como los cables de potencia, el sistema de acceso principal y diversos sistemas auxiliares necesarios tanto para la correcta operacion de la unidad flotante como para su correcta marcacion marina. Una de estas pontonas, la denominada pontona trasversal posterior, ha sido concebida de cara a poder compensar en gran parte el movimiento de rotacion de cabeceo causado por el
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empuje del aerogenerador, que esta tambien condicionado por el efecto del oleaje sobre la plataforma (compensando o incrementando el efecto del viento en funcion de su direccion). Ademas, la implementation de esta pontona transversal permite reducir el escantillonado de las restantes pontonas, aumentar la capacidad de lastre y evitar la necesidad de emplear placas de amortiguacion ("damping plates” o especlficamente en este caso "heave plates”) para contrarrestar el efecto de las olas y en consecuencia el movimiento de oscilacion vertical o de arfada.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Se conocen en el estado de la tecnica plataformas semisumergibles disenados para soportar aerogeneradores marinos que presentan varias columnas verticales (tres o cuatro generalmente), que sirven tanto para soportar de manera directa los esfuerzos generados por el aerogenerador sobre la misma como tambien para generar la suficiente inercia en la flotation que garantice la estabilidad de la plataforma, donde dichas columnas se encuentran unidas mediante diversas maneras, o bien en su parte inferior, o en la superior o en ambas.
Entre las anteriores se encuentra la solicitud de patente con numero de publication EP2789847A1 que presenta tres columnas poligonales unidas en su parte inferior mediante dos pontonas, donde en una de las columnas se dispone una torre que soporta un aerogenerador.
Se conoce tambien la patente con numero de publicacion EP2727813A1 que divulga una plataforma flotante para aerogeneradores marinos que incluye al menos tres columnas circulares contando con unos refuerzos horizontales en la parte superior e inferior de las columnas. Las columnas tienen como funcion principal la de proporcionar estabilidad a la plataforma mediante un sistema de lastre activo, que trata de compensar los movimientos producidos por la fuerza del viento y los propios de la plataforma, tambien debidos a las fuerzas del oleaje y las corrientes. Las columnas cuentan con unas planchas de atrapamiento de agua/placas de amortiguamiento ("damping plates”), montadas rlgidamente en el extremo inferior de cada una de las columnas estabilizadoras. El aerogenerador se dispone directamente en una de las columnas estabilizadoras, siendo las otras dos independientes de esta y formando un angulo de entre 40 a 90 grados.
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Las configuraciones anteriores presentan como desventaja unos elevados costes de fabrication, ya que en el caso de la patente EP2789847A1 debido a las grandes dimensiones de la estructura se incremental notablemente el peso estructural y en definitiva los costes de fabrication e instalacion. Por otro lado, en el caso de la patente EP2727813A1 se requiere la instalacion de elementos adicionales como planchas estabilizadoras para contrarrestar y amortiguar los movimientos de arfada y las aceleraciones de la plataforma, ademas de refuerzos estructurales (dispuestos como barras de refuerzo horizontales que unen a las columnas entre si tanto cerca de su zona superior como cerca de su zona inferior, pero que ademas se encuentran arriostrados por barras de refuerzo que van de la parte media de estas barras horizontales hacia las columnas principales), lo cual incrementa significativamente su peso estructural y su complejidad a la hora de la fabrication, lo que da lugar a un incremento de los costes asociados de la plataforma. Ademas, en este caso, al contar con un sistema de lastre que sera activo durante toda la vida util de la plataforma, se necesitaran sensores de medicion del movimiento que monitorizaran la position de la plataforma y con ello proporcionaran la information necesaria para poder transferir el lastre de unos tanques a otros en las columnas estabilizadoras. Un fallo de este sistema podrla mermar o provocar un cese del funcionamiento del aerogenerador si se superasen las angulaciones maximas a las que opera el mismo.
Todos estos inconvenientes quedan solventados con el diseno de la plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos que se presenta y describe en la presente invencion.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invention se refiere a una plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos que comprende tres columnas unidas en su parte inferior por medio de tres pontonas y que esta destinada al aprovechamiento del recurso eolico marino.
La plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos de la presente invencion comprende tres columnas verticales, una columna principal que sera sobre la que se alojara un unico aerogenerador y dos columnas auxiliares, unidas en su parte inferior
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por medio de tres pontonas, dos pontonas laterales que uniran cada una de las columnas auxiliares con la columna principal y una pontona transversal posterior que unira entre si las dos columnas auxiliares.
Las columnas, principal y auxiliares, garantizan el buen comportamiento de la plataforma en la mar proporcionandole suficiente inercia en la flotacion, mientras que las pontonas, ademas de estar disenadas como elemento estructural, proporcionan estabilidad a la plataforma mediante un sistema de lastre dispuesto es su interior, con el cual se pueden conseguir los niveles de calado necesarios no solo para su operacion en aguas abiertas sino tambien para su puesta a flote, transporte y posterior instalacion.
Este sistema de lastre se concibe como un sistema de lastre adaptable a las diferentes operaciones de transporte, instalacion y operacion, sin embargo, el lastre permanecera constante segun los tanques dispuestos a tal efecto durante cada una estas fases, a excepcion de la fase de instalacion en la que precisamente se variara el lastre de transporte para adaptarlo al lastrado final empleado durante la operacion de la unidad en aguas abiertas. Para ello se han dispuesto de tanques cuyas dimensiones estan adaptadas a las necesidades globales de lastrado de la plataforma en cada uno de las fases mencionadas anteriormente, de modo que se evita la necesidad de tener tanques de lastrado variable o parcialmente llenos que generan problemas de estabilidad por efectos de superficies libres de agua libre, que podrlan llegar tambien a afectar al comportamiento dinamico de la unidad. Por otro lado, al evitar la necesidad de tener elementos activos adicionales a los propios del aerogenerador se reduce el riesgo inherente durante la fase de operacion. Este sistema de lastre proporciona un valor del centro de gravedad mas bajo que el de la mayorla las plataformas semisumergibles existentes en la actualidad, y en definitiva proporciona una mejora en la estabilidad de la plataforma semisumergible sin necesidad de hacer uso de un sistema de lastrado activo, como es el caso de muchas de las plataformas antes mencionadas en la revision del estado de la tecnica.
La pontona transversal posterior de la plataforma semisumergible proporciona una mayor capacidad de lastrado en la parte inferior de la misma, bajando su centro de gravedad y en consecuencia incrementando la estabilidad, especialmente en condiciones de transporte, permitiendo ademas compensar el efecto del “trimado” que
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se produce por el tiro de los remolcadores y por el propio peso del aerogenerador. Adicionalmente, esta pontona transversal posterior compensa parcialmente el movimiento de rotacion de cabeceo causado por el empuje del aerogenerador durante la fase de operation, que esta tambien condicionado por el efecto del oleaje sobre la plataforma (compensando o incrementando el efecto del viento en funcion de su direction). Ademas ayudara a reducir las necesidades de escantillonado en las pontonas laterales, facilitando el procedimiento de fabrication de la plataforma y reduciendo el peso de acero total de la misma. Por otra parte, debido a la mejora en el comportamiento dinamico de la plataforma semisumergible por la presencia de la pontona transversal posterior, no es necesario el uso de placas de amortiguacion ("damping plates” o especlficamente en este caso "heave plates”) del movimiento de arfada de la plataforma en estados de mar severos.
Ademas, la gran capacidad de lastre localizada en la zona inferior permite obtener una mayor estabilidad a bajos calados, al permitir reducir la altura del centro de gravedad de la plataforma. Esto supone una gran ventaja frente a disenos precedentes en el estado de la tecnica, que han precisado de sistemas de flotation auxiliar para su puesta flote y transporte.
Las columnas verticales de la plataforma, tanto la principal como las auxiliares, presentan una section cuadrada y de forma redondeada en sus vertices preferentemente, donde cada uno de los lados exteriores de la columna principal forma preferentemente un angulo de 45° con la direccion del eje longitudinal de la plataforma, mientras que las columnas auxiliares estan orientadas de manera que sigan la direccion longitudinal de las pontonas inferiores que las unen con la columna vertical. Gracias a esta geometrla de las columnas (las columnas comprenden unas zonas de union entre los lados de las mismas, donde dichas zonas de union presentan una generatriz con forma de arco) se disminuye la concentration de esfuerzos que provocarla el uso de secciones cuadradas o rectangulares por completo. Ambas caracterlsticas, forma de las columnas y orientation, reducen los costes de fabricacion (especialmente en comparacion con geometrlas cillndricas) y mejoran la respuesta de la plataforma en cuanto a requerimientos estructurales y comportamiento dinamico tanto en condiciones de operacion como en transporte e instalacion reduciendo el impacto en el diseno de las fuerzas externas aplicadas en las columnas verticales.
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La plataforma semisumergible cuenta con una torre dispuesta sobre la columna principal en la que ira soportado el aerogenerador marino. Esta disposition ha sido escogida tanto para facilitar la transmision de esfuerzos en la estructura como las operaciones de ensamblado y montaje del aerogenerador sobre la plataforma. Adicionalmente, en esta columna principal se dispone un sistema de acceso principal que facilita las operaciones de mantenimiento tanto de la plataforma como del aerogenerador. Este sistema de acceso se debera de ajustar a las caracterlsticas ambientales del emplazamiento, de forma que nos garantice un nivel de accesibilidad adecuado a las caracterlsticas de la instalacion planteada, incluso pudiendose llegar a contar con varios sistemas de acceso si esto justifica un grado mayor de accesibilidad y que con ello se puedan mejorar los ratios de disponibilidad total de la instalacion. Respecto a su ubicacion relativa en la plataformas, se ha previsto que este/os sistema/s de acceso se encuentre/n ubicado/s en la columna, aunque se pueden dar otras configuraciones en funcion de la variabilidad de la direccionalidad de oleaje, viento y corrientes.
Las columnas disponen ademas de unas gulas de unas llneas de fondeo de un sistema de fondeo dispuestas en un perlmetro exterior de las mismas, un mecasnimo de accionamiento de las mismas y una caja de cadenas y estopores dispuesta en una base superior de las mismas en una zona protegida para evitar danos humanos y materiales de la plataforma.
El angulo entre las pontonas laterales se ha optimizado para conseguir un mejor comportamiento en la mar, enfocando este estudio principalmente a la condition de operation aunque tambien se han tenido en cuenta las fases de fabrication, transporte e instalacion, definiendose un angulo entre 60° y 90°, siendo la mayorla de las veces 60°, estando este angulo dispuesto de manera simetrica con respecto a la direction longitudinal de la plataforma.
Las dimensiones de la plataforma semisumergible se pueden variar ligeramente buscando la configuration optima en funcion, principalmente, de las condiciones especlficas del emplazamiento seleccionado (condiciones metaoceanicas y de viento) y la potencia del aerogenerador dispuesto sobre esta. Dentro de un mismo emplazamiento, se ha demostrado que la configuracion seleccionada no varla significativamente con la profundidad, lo cual supone una gran ventaja anadida, de
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cara a la estandarizacion de todos los procesos, especialmente el de fabrication lo cual puede afectar muy positivamente para reducir los costes totales de la plataforma
La plataforma semisumergible tiene flotabilidad suficiente y es estable por si misma, facilitando las operaciones de remolque con el aerogenerador ya preinstalado, requiriendose en la mayorla de los casos la utilization unicamente de remolcadores convencionales.
Debido a su flotabilidad y estabilidad, la operation de puesta a flote se podra desarrollar en diferentes escenarios ya sea inundando un dique seco, o mediante otros procedimientos como pueden ser el uso de una grada convencional adyacente a un dique y sistemas de elevation para mover la plataforma e introducirla en el agua o la grada inclinada (slipway). Esta configuration permite tambien una gran versatilidad en los procesos de ensamblado de la torre y el aerogenerador, que podra realizarse mediante diferentes formas en funcion de la capacidad de izado de los medios disponibles del astillero, como son: ensamblaje en grada, en dique seco inundado o en dique seco. Otra ventaja importante conseguida con la disposition elegida, por estar colocado el aerogenerador en la columna principal, de modo que la unidad se puede ubicar junto al dique reduciendo asl las necesidades de izado de las gruas, lo que tiene un impacto importante tanto en el coste como en los riesgos asociados a estas operaciones de izado y facilitando las actividades de montaje, operacion y mantenimiento. Esto no ocurre por ejemplo en aquellos casos en los que se dispone la turbina en la zona central de la plataforma, donde la capacidad de izado necesaria para el ensamblaje e instalacion de la torre y del aerogenerador serla mucho mayor ya que la distancia/radio de trabajo de la grua sera significativamente mayor.
Las plataformas pueden ser fabricadas y ensambladas completamente en puerto, ensamblando el aerogenerador sobre la plataforma principal en un astillero y posteriormente remolcando el conjunto a su emplazamiento de instalacion. Una vez remolcado el conjunto a su lugar de instalacion, sera conectado al sistema de fondeo, que debera haber sido previamente instalado. La plataforma semisumergible sera fondeada en el lecho marino mediante un sistema de catenarias, siendo estas ancladas (mediante el uso de los denominados "dredging anchors”) o pilotadas en funcion de las condiciones especlficas del suelo marino del emplazamiento seleccionado.
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En resumen, algunas de las ventajas de esta solucion de plataforma semisumergible son:
- Bajo peso estructural en comparacion con otras soluciones existentes actualmente en el mercado
- Buen comportamiento en la mar, que garantiza el buen funcionamiento del aerogenerador.
- Facil fabrication, transporte e instalacion, dada su configuration optimizada y su estructura sin vigas de refuerzo que simplifican su diseno, , reduciendo por consiguiente los costes totales asociados.
- Diseno estandarizado gracias a un geometrla extremadamente simple y siguiendo una “filosofla de construction naval”, lo que facilita su fabricacion en bloques/modulos, y gracias a esto se puede fabricar de manera semi- automatica gracias a simples procesos automatizados que ademas no precisan de grandes naves, debido a las reducidas dimensiones de los bloques planteados, lo que tambien redunda hacia una reduction de costes totales de fabricacion.
Se consideran incluidas por referencia en esta description las reivindicaciones 1 a 10 20 de la presente invention.
El trabajo que ha permitido llevar a cabo esta invencion ha recibido financiacion del programa del Septimo Programa Marco de la Union Europea en virtud del acuerdo SCP2 - GA- 2.013-614.020.
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BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de la plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos de la presente invencion.
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La Figura 2 muestra una vista en planta de la Figura 1.
La Figura 3 muestra una vista en alzado de la Figura 1.
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La Figura 4 muestra una vista perspectiva de la distribucion del lastre de la plataforma en condicion de transporte.
La Figura 5 muestra una vista en perspectiva de la distribucion del lastre de la plataforma en condicion de operacion.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
A continuation se procedera a describir de manera detallada la plataforma semisumergible de la presente invention.
La plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos de la presente invencion esta formada por tres columnas verticales (1, 2), una columna principal (1) y dos columnas auxiliares (2), unidas en su parte inferior por medio de tres pontonas (3, 4), dos pontonas laterales (3) y una pontona transversal posterior (4) y un unico aerogenerador (5) soportado por una torre (6) que ese encuentra colocada sobre la columna principal (1).
Cada una de las pontonas laterales (3) une la columna principal con cada una de las columnas auxiliares (2), mientras que la pontona transversal posterior (4) une las dos columnas auxiliares (2) entre si.
Tanto las columnas verticales (1, 2) como las pontonas inferiores (3, 4) cuentan con un sistema de lastre interno, no siendo en ningun caso este sistema un sistema de lastre activo. Esto quiere decir, que la plataforma ha sido disenada para contar con un sistema de lastre fijo durante las fases de transporte y operation. Sin embargo, la plataforma contara con un sistema de bombas y tuberlas que permite ajustar el sistema de lastre a los niveles prefijados para las distintas operaciones marinas (especialmente necesario durante la operacion de instalacion) para conseguir los calados necesarios en estas condiciones. Ademas, se contara con com parti mentos que permiten el traspaso de agua en su interior, en el caso de que sea necesario traspasar el agua de un tanque de lastre para su revision y mantenimiento.
En la Figura 4 se muestra una vista perspectiva de la distribucion del lastre de la plataforma en condicion de transporte y en la Figura 5 se muestra una vista en
perspectiva de la distribution del lastre de la plataforma en condition de operation, donde las zonas mas oscuras simbolizan las zonas que se encuentran llenas de lastre.
Cada una de las columnas (1, 2), tanto la principal (1) como las auxiliares (2), tendran 5 una section cuadrada con cuatro lados (7, 8), de los cuales dos se consideran exteriores (7) y dos interiores (8). Los bordes de dichas columnas seran redondeados, para asl disminuir los esfuerzos externos producidos. Las pontonas laterales (3) se dispondran formando un angulo de entre 60° y 90° entre si, la mayorla de las veces seran 60°, situando en el punto medio el eje longitudinal de la plataforma. La columna 10 principal (1) estara dispuesta de forma que todos sus lados se encuentren formando un angulo de 45° con respecto al eje longitudinal de la plataforma, mientras que las columnas auxiliares (2) se dispondran de tal manera que dos de sus lados se encuentren en la misma direction que el eje longitudinal de cada una las pontonas laterales (3) (cada columna auxiliar (2) respecto a su pontona lateral adyacente).
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Las columnas (1, 2) cuentan con unas zonas curvas de union (9) entre los lados (7, 8) de las mismas, donde dichas zonas de union (9) presentan una generatriz con forma de arco de circunferencia disenadas para mejorar el comportamiento de la estructura sin encarecer en exceso su construction
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Se dispondra el aerogenerador (5) sobre una torre (6) que ira dispuesta encima de la columna principal (1). Esta columna principal contara adicionalmente con un sistema de acceso principal (11). Este sistema de acceso principal se debera de ubicar en la columna principal en la que se encuentra instalado el aerogenerador, aunque se 25 pueden dar otras configuraciones en funcion de la variabilidad de la direccionalidad de oleaje, viento y corrientes especlficos de cada emplazamiento.
Las columnas verticales (1, 2) cuentan ademas con unas gulas (12) para las llneas de fondeo (13), que partiran desde unas cajas de cadenas y estopores (14) (tambien 30 denominados en ingles "fairleads”) situados en la parte superior de las columnas (1,2).
Claims (10)
- 5101520253035R E I V I N D I C A C I O N E S1. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos que comprende tres columnas (1, 2), una columna principal (1) y dos columnas auxiliares (2), unidas en su parte inferior por medio de tres pontonas (3, 4), dos pontonas laterales (3) y una pontona transversal posterior (4), caracterizada por que cada una de las pontonas laterales (3) unen la columna principal (1) con una columna auxiliar (2) y donde la pontona transversal posterior (4) une entre si las dos columnas auxiliares (2), donde la plataforma semisumergible comprende un unico aerogenerador (5) dispuesto en la columna principal (1).
- 2. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun reivindicacion 1 caracterizada por que comprende una direccion longitudinal definida de manera perpendicular a la pontona transversal posterior (4), donde las columnas (1, 2) comprenden cuatro lados (7, 8) formando una seccion cuadrada, donde los cuatro lados de la columna principal (1), forman un angulo de 45° con la direccion longitudinal de la plataforma, y donde dos de los lados (7) de las columnas auxiliares (2) son paralelos a una direccion longitudinal de la pontona lateral (3) adyacente a dicha columna auxiliar (2).
- 3. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun reivindicacion 2 caracterizado por que el angulo entre pontonas laterales (3) es de 60°, estando este angulo dispuesto de manera simetrica con respecto a la direccion longitudinal de la plataforma.
- 4. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun reivindicacion 2 caracterizado por que el lado (7) de las columnas auxiliares (2) que es paralelo a la direccion longitudinal de la pontona lateral (3) es adyacente a dicha columna auxiliar (2).
- 5. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun reivindicacion 2 caracterizado por que la seccion cuadrada de las columna (1, 2) presenta unas zonas curvas (9) de union entre los lados (7, 8).
- 6. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun cualquiera de lasreivindicaciones anteriores caracterizada por que tanto las columnas verticales (1, 2) como las pontonas (3, 4) comprenden un sistema de lastre dispuesto en su interior.
- 7. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun reivindicacion 2 5 caracterizado por que el sistema de lastre es un sistema de lastre inactivo durante laoperacion y el transporte de la plataforma.
- 8. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por que comprende una torre (6) dispuesta10 entre el aerogenerador (5) y la columna principal (1).
- 9. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun reivindicacion 8 caracterizada por que comprende un sistema de acceso principal (11) en la columna principal (1).15
- 10. - Plataforma semisumergible para aerogeneradores marinos segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por que las columnas (1, 2) comprenden ademas unas gulas (12) de unas llneas de fondeo (13) de un sistema de fondeo dispuestas en un perlmetro exterior de las mismas (1, 2) y una caja de cadenas y20 estopores (14) dispuesta en una base superior de las mismas (1, 2).
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