ES2650275B1 - Plataforma de disco flotante multipropósito para soporte de generadores eólicos marinos y otros generadores de las energías marinas - Google Patents
Plataforma de disco flotante multipropósito para soporte de generadores eólicos marinos y otros generadores de las energías marinas Download PDFInfo
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Abstract
Es una plataforma con forma de disco, que flota en el agua (mares o lagos), que soporta un generador eólico y cuyas dimensiones permiten obtener unos ángulos de inclinación, por el efecto del viento y de la mar, admisibles para las condiciones que exija cada generador, aprovechando la estabilidad que proporciona el momento de inercia de la flotación.#Su mayor longitud en flotación respecto a las que actualmente se están utilizando, da lugar a un comportamiento con olas muy superior a las actuales que se traduce en una menor inclinación con la misma altura de ola.#Su mucho menor peso respecto a las que se han empezado a utilizar con este fin, hacen reducir su precio de una manera muy considerable.#Además es multipropósito porque se pueden instalar fácilmente (por ser su altura pequeña y estar su cubierta muy próxima al nivel del mar), otros generadores de energías del mar como de las olas, de las corrientes y/o de las mareas.#Al poder instalar tanques de lastre y proa móvil o fija, puede adaptarse a un sinfín de condiciones meteorológicas y limitativas a que pueda estar sometido el aerogenerador.
Description
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PLATAFORMA DE DISCO FLOTANTE MULT1PROPÓSTTO PARA SOPORTE DE GENERADORES EÓLICOS MARINOS Y OTROS GENERADORES DE LAS ENERGÍAS MARINAS.
DESCRIPCIÓN
SECTOR DE LA TÉCNICA
El campo de aplicación es en el sector marítimo y dentro de este, en el de las energías renovables marinas (offshore).
ESTADO DE LA TÉCNICA
Las energías renovables marinas se están implantando de forma generalizada. De ellas, la energía eólica cuenta con poco más de 2.500 MW (megavatios) instalados, la mayoría, medíante plataformas apoyadas en el fondo del mar (Jack up).
A medida que esta tecnología se ha ido extendiendo y aquellos países que no cuentan con una plataforma continental están queriendo sumarse a esta forma de obtención de energía (que les podrá llevar a ser independientes energéticamente de otros países), necesitan pasar a instalar los aerogeneradores sobre plataformas flotantes.
Las plataformas apoyadas en el fondo del mar no sufren inclinación alguna por el viento y el oleaje. Sin embargo las flotantes si. De ahí que las plataformas flotantes deban dar una respuesta al empuje que el viento ejerce sobre el generador a través de las palas, que consiste en un ángulo de inclinación muy pequeño y que varía con las condiciones de funcionamiento del generador. En aguas tranquilas, en las que solo el viento indina la plataforma (no el oleaje), este ángulo está fijado en 1o.
Las primeras plataformas flotantes para generadores eólicos (que no todavía multipropósito) son modelo SPAR y están en construcdón en Navantia - Fene para un cliente del Reino Unido que las pondrá en servicio en aguas escocesas.
Estas son como un cilindro vertical, de poco diámetro y mucha altura, muy pesadas, que equilibran el aerogenerador por el contrapeso y disponen de un importante sistema de fondeo que las mantiene ligadas al fondo del mar.
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Los modelos ideados en el mundo para este tipo de soporte flotante (para energía eólica) son:
SPAR, que recibe su nombre de este tipo de boyas cuyo sistema de fondeo está muy estudiado, y que se asemejan a las llamadas “monopilas' que se instalan sobre plataforma apoyada en el fondo marino o Jack up. Consisten en un tubo cilindrico con flotación vertical, de diámetros entre 9 y 15 m. y alturas entre 120 y 90 m. respectivamente. El peso de la estructura es del orden de las 2.250 Tm.
La estabilidad se consigue, sobre todo, por el contrapeso de la estructura.
SEMI-SUMERGIBLE, que consiste en tres flotadores cilindricos verticales unidos formando una plataforma, pero cuyo peso es más del doble que la anterior, y que nunca ha sido usada, y
BARGE, que es una plataforma PRISMÁTICA flotante, de la que no se conoce desarrollo alguno en la información técnica disponible en el mundo y que basa su estabilidad en la inercia de la flotación en lugar de en el contrapeso.
Ver Figura 1.
Sobre estas Plataformas se instala: la Torre y la Góndola que es giratoria e incluye el núcleo que es donde se sitúa el generador y que es accionado por las palas. Elementos todos ellos ajenos a esta invención.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN,
El diseño industrial que se pretende registrar es una “Plataforma de Disco Flotante multipropósito* (PDFm) para soporte de generadores eólicos y otros generadores de las energías del mar tales como las olas, las mareas y las corrientes marinas, del tipo BARGE multipropósito con flotación poligonal de múltiples caras o circular y de gran diámetro.
Nunca prismática de cuatro caras como se presenta el modelo BARGE en el apartado anterior.
Ver Figura 2.
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No son objeto de esta invención la Torre con su generador eólico, ni el importante sistema de fondeo ligado a la plataforma, sino el disco flotante que soporta la Torre y que está unido al sistema de fondeo.
Nos referiremos en lo sucesivo a la Plataforma como soporte de la Torre con su generador eólico aunque, como ha sido dicho, la Plataforma es susceptible de albergar generadores para extraer la energía de las olas, las corrientes marinas y/o las mareas, al estar la cubierta muy próxima al nivel del mar y permitir fácilmente este tipo de instalaciones que complementarían a la energía del viento y aumentarían su rentabilidad.
Podría utilizarse solamente para soportar generadores de las energías del mar pero desaprovecharla no instalando generador eólico, no sería lógico.
La base es una flotación poligonal de múltiples caras (la posibilidad de flotación circular se implantará siempre que su construcción resulte más sencilla y económica) de gran diámetro que permite presentar a la mar y al viento de distintas direcciones, una estructura posicionada siempre igual, mientras que la hélice generadora de energía se orienta al viento por el giro de la góndola que la sustenta.
Se trata de un disco de dimensiones tales que sus características de estabilidad, originadas por el momento de inercia de la flotación, permiten mantener oscilaciones mínimas en los rangos de funcionamiento, con un peso y coste mínimos.
AJ contrario que las plataformas actuales, esta innovación presenta una plataforma como un disco, de poca altura, de mucho diámetro y poco peso.
Para cada empuje o potencia generada en el aerogenerador y ángulo de inclinación existirán unas dimensiones que cumplirán con esas exigencias. Para afinar o concretar finalmente las características y el sistema de fondeo, se debe proceder a un ensayo de una maqueta con dimensiones proporcionales al número de Fraude en un tanque de olas.
Con las mismas solicitaciones (condiciones de mar, viento y potencia absorbida) y
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prestaciones (ángulo de inclinación, período de balance) que las plataformas que se están instalando, la invención que se presenta, tendría del orden de cuatro veces menos de peso que los actuales soportes tipo SPAR, según la siguiente tabla:
Diámetro (m) Altura (m) Peso (Tm)
SPAR 15 90,00 2.250
PDFm 50 1,30 600
Para distintas solicitaciones y prestaciones variarían las dimensiones (como queda dicho) pero siempre mantendría una mejora sustancial la PDFm respecto a la SPAR.
Por ello su coste será también mucho menor al ser casi proporcional al peso.
Al reducir el peso, se reduce también el sistema de fondeo (sistema fundamental para el trabajo de estas plataformas flotantes), que ve reducido así su precio, al ser este proporcional también al peso.
El diámetro del disco variará en función del empuje en el eje del generador para unas mismas condiciones exteriores y la altura o puntal del disco, de la altura de ola máxima a soportar cuando está suministrando energía.
No se considera la posibilidad de instalar un contrapeso debajo de la plataforma porque empeora las condiciones de estabilidad.
El comportamiento del PDFm con olas es muy superior al SPAR.
La frecuencia y altura de las olas varía con la profundidad y la intensidad generadora del oleaje. Sabido es que estructuras flotantes (buques) cuya eslora o longitud, es igual o superior a la longitud de onda del oleaje no tienen movimientos de cabeceo, mientras que embarcaciones menores (botes o lanchas) oscilan tomando la inclinación del perfil del oleaje.
Es decir una mayor eslora o longitud de plataforma (en este caso diámetro) reduce el movimiento de cabeceo.
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En caso de mat tiempo la Plataforma podría ser hundida aprovechando sus tanques de lastre y las bombas de servicio, quedando solo sobre la superficie del mar, la Torre,
EQUIPOS DE LA PLATAFORMA
En esta sección se describen los equipos e instalaciones de dispositivos ya existentes, adaptados convenientemente a la Plataforma, sin carácter limitativo, pero que de una u otra forma ha de llevar a bordo cada plataforma para mejor cumplir los fines de la invención:
- Estructura de unión de la Torre a la plataforma,
- Tanques de Lastre, incorporados en la estructura para aún reducir más la oscilación o admitir vientos de mayor velocidad u olas de mayor altura..
- Bombas eléctricas para lastre y deslastre dispuestas en el centro de la Plataforma.
- “Proas" o estructuras que se coloquen proa a la dirección de la mar en cada momento mediante un sistema que podría ser eléctrico o hidráulico el cual levantaría o pondría en posición unas placas a modo de amura o proa. De esta forma se evitaría “mojar” la cubierta perdiendo cierta inercia en la flotación y por lo tanto estabilidad, lo que aumentaría el ángulo de inclinación. Otra opción sería aumentar el puntal en tos extremos dándole a las formas un cierto ‘amifo’ pero que obligaría a la instalación de imbornales o desagües en cubierta para expulsar las entradas de agua por rociones.
Ver figura 3.
- Transformador del voltaje de la energía generada al voltaje comercial para accionar los equipos instalados,
- Conexiones de la energía generada a la red submarina,
- Alumbrado,
- Dispositivos de alarma y control,
- Central hidráulica o eléctrica,
- Cuadro eléctrico de distribución,
- Baterías eléctricas,
- Equipo de protección catódica,
- Sistema de pintura antioxidante y antiincrustantes en todas las superficies,
- Accesos, escalas,
- Puertas y escotillas estancas,
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- Medios de seguridad,
- Cáncamos de remolque y elementos de amarre CARACTERISTICAS TÉCNICAS
Para una mejor comprensión se detallan a continuación las características técnicas concretas que tendría una Plataforma de Disco Flotante multipropósito para soportar y dar servicio a un aerogenerador de 5 MW, que es el tamaño más utilizado en estos momentos, de manera que la inclinación sea de 1o.
Procediendo de forma similar se pueden concretar las dimensiones para aerogeneadores de 4 MW, de 6 MW, etc.
La producción de esta potencia de 5 MW o 5.000 kW (una vivienda tiene instalada una potencia del orden de los 5 kW) precisa soportar vientos de 40 km/h y el oleaje correspondiente, siendo la condición necesaria y suficiente que el ángulo de inclinación no sea superior a 1° en aguas tranquilas (sin otas) con el fin de que el rendimiento y esfuerzos en el generador, sean admisibles. Es necesario indicar aquí que esta condición podría ser modificada en función de las características del generador y la Plataforma modificaría sus dimensiones para adaptarse a esas condiciones.
Por más facilidad constructiva se ha optado por una Plataforma poligonal de doce caras, la cual tendrá las siguientes dimensiones principales:
Radio: 25 m.
Diámetro: 50 m.
Altura: 1,30 m.
Peso: 600 Tm.
Calado: 0,45 m.
Este peso de corresponde con una construcción realizada con Acero Naval A y una estructura radial como se explica más adelante con los equipos que se han señalado en el apartado anterior y con seis generadores de energía del mar.
Con estas características, la plataforma flotaría con un calado de 0,45 m.
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Es importante destacar que la distancia en altura, no sumergida es de:
1,30 - 0,45 = 0,85 m.
0,85 m. es, por tanto, la reserva de flotabilidad o el margen que existe (con estas dimensiones elegidas) para absorber los movimientos de balance producidos por las olas sin que a la cubierta entre en el agua y por ello pierda momento adrizante proporcionado por el área de la flotación.
A esta Plataforma se te montarían los equipos que sin carácter limitativo se relacionan en el apartado anterior (estructura de unión, tanques de lastre, etc ...)
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Por estar en el medio marino y a flote (no apoyada en el fondo marino) su estructura es muy similar a la de una embarcación dispuesta para soportar los esfuerzos cortantes en el centro que transmite el peso y el momento de la Torre del generador por el empuje sobre este de las palas accionadas por el viento y los de flexión que tendrán lugar por la flotación y el oleaje.
El lugar de construcción más idóneo, aunque no exclusivo, sería un astillero por su proximidad al mar y por su conocimiento del medio en el que va a estar la estructura, el mar.
Los materiales pueden ser tan diversos como lo son los de las embarcaciones y las técnicas de construcción similares a las de las embarcaciones, como ha quedado indicado.
El sistema constructivo responderá a las técnicas propias de la construcción naval garantizadas por los Reglamentos y Sociedades de Clasificación para estos artefactos flotantes.
A modo de ejemplo y para la Plataforma poligonal de doce lados descrita anteriormente de 25 m. de radio y 1,30 m. de altura, se procedería de la forma siguiente:
- Material: acero Nava! A acopiado en chapas, perfiles y llantas con bulbo,
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- Estructura radial totalmente estanca,
- Estructura de unión de la Torre a la Plataforma también de acero Naval A, con estructura radial en continuidad con la estructura de la Plataforma y una placa exterior de 20 mm. de espesor.
- Se fabricarían once MÓDULOS iguales y el número doce igual pero con dos carlingas (estructura vertical en el sentido del radio) en lugar de una sola como el resto, como se indica en la figura 3 constituidos por: carlinga de 10 mm de espesor; varengas o refuerzos transversales y refuerzos longitudinales en el extremo del módulo de 6 mm. de espesor, más llantas con bulbo en los fondos y cubierta, todo ello envuelto por un forro exterior de 8 mm de espesor.
Estos módulos se construirían en taller, soldados con procedimientos y detalles constructivos homologados por una Sociedad de Clasificación (Lloyd Register, Bureau Veritas u otros) y con una esmerada preparación de superficies para aplicar la pintura antioxidante y antiincrustante (esta en la parte sumergida extema).
Los doce módulos se ensamblarían en la grada de un astillero por su superficie y proximidad al mar situándolos mediante grúas y cama de construcción en continuidad, respetando el plano de construcción.
Se instalaría por último la estructura de unión Torre-Plataforma soldándola a la parte superior de la Plataforma.
Finalmente se harían las pruebas de estanqueidad y sería botado al mar para ser finalmente remolcado a su emplazamiento definitivo en alta mar.
El montaje en la mar será muy similar, pero más sencillo, al que actualmente se está realizando en las plataformas actuales. Siendo este un tema importante también, pues es una parte importante del coste final.
Las apoyadas en el fondo, ancladas al fondo, no flotan y hay que transportarlas en barcos muy especiales y costosos.
Las flotantes tipo SPAR al tener mucha altura y calado hay que transportarlas tumbadas y ponerlas verticales en su emplazamiento final mediante embarcaciones de apoyo también complicadas y costosas.
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La flotante, objeto de esta invención (PDFm), al flotar y tener poco calado, puede desplazarse remolcada simplemente sin necesidad de realizar ninguna maniobra especial en su emplazamiento.
En el caso de la PDFm, una vez situada y unida al sistema de fondeo se instalaría sobre ella la Torre, siguiendo las mismas técnicas con el barco-grúa se siguen para las ancladas al fondo del mar pero teniendo que salvar una altura muy inferior lo que permitirá utilizar barcos de apoyo menos costosos.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1
En esta figura se muestran de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo el actual “estado del arte”: “SEMISUMERGIBLE”, “BUOY SPAR”, “BARGE”, TENSIÓN LEG PLATFORM”, “SEMISUMERGIBLE (OC4 CONCEPT)", que son los distintos tipos de plataformas que a lo largo de esto últimos diez años se han venido contemplando como posibles soportes de los generadores eólicos flotantes.
Tenemos que decir que finalmente ha ganado la ‘BUOY SPAR”.
La otra oponente ha sido durante algún tiempo la “SEMISUMERGIBLE (OC4 CONCEPT)' pero finalmente ha sido desplazada por la SPAR, fundamentalmente por razones de peso y por lo tanto de predo.
De las “BARGES” solo hemos encontrado, en la información mundial, alguna referenda aislada (como posible) pero en ningún caso proyecto de instaladón o desarrollo de este tipo de plataformas de tipo prismático, de cuatro caras y de lados no grandes. No, por supuesto, de múltiples caras y multipropósito como es el objeto de esta invención. Similares a esta invención, no hay nada en la
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información mundial consultada.
Figura 2
La figura 2 muestra una vista del disco flotante objeto de la invención. Sus proporciones, altura al diámetro, son inferiores al 5% (cantidad variable en función del empuje en el generador, oleaje, ángulo máximo de inclinación, etc. ...). Al igual que en la figura 1 sobre ella se situaría la Torre aerogeneradora y por debajo el sistema de fondeo, similar en todos los casos aunque más económico y sencillo cuanto menos peso tenga que absorber.
En la periferia del disco flotante, si se considerara conveniente, se situarían los ingenios correspondientes para la extracción de energía de olas, corrientes y/o mareas.
Figura 3
En ella puede apreciarse la estructura y el módulo de construcción.
1 - MÓDULO
2 - EJE DE LA TORRE Y GENERADOR
3 - FORRO EXTERIOR
4 - ESTRUCTURA DE UNIÓN TORRE-PLATAFORMA
5 - CARLINGAS O REFUERZOS EN EL SENTIDO DEL RADIO
6 - VARENGAS O CHAPAS PERPENDICULARES A LAS CARLINGAS
7 - REFUERZOS DE CHAPA EN ZONA DE LOS EXTREMOS.
Figura 4
En ella pueden apreciarse los dos tipos de “proas” descritos: fija y móvil.
8- Chapa de acero inclinada 20° respecto a la horizontal incorporada al forro exterior de 1m. de altura que constituye una parte de la “proa fija” porque permanece siempre en esa posición,
9- Chapa de acero incorporada al forro exterior de una longitud de 3,5 m inclinada desde la última varenga hasta el extremo superior de la posición anterior 8, que constituye una parte de la “proa fija” porque permanece siempre en esa posición. 10 - Chapa de acero inclinada 20° respecto a la horizontal abatióle desde la
horizontal hasta 20° más respecto a la vertical, de 1m. de altura que constituye una parte de la "proa móvil” porque pasa de estar horizontal a posicionarse verticalmente por el accionamiento del cilindro hidráulico posición 11,
11 - Cilindro hidráulico instalado en un receso o nicho situado a partir de la última 5 varenga que acciona la chapa de la posición 10.
Figura 5
En ella pueden verse el Cilindro Flotante basado en la boya SPAR comentado y la invención, que es la Plataforma de Disco Flotante multipropósito (PDFm) basado 10 en la plataforma BARGE, con su aerogenerador y su fondeo en un mismo dibujo para apreciar mejor las diferencias y en la que se indica, como ejemplo, donde iría situado un generador o turbina para extraer la energía de las corrientes marinas.
12 - AEROGENERADOR con su Torre y Góndola
15 13-SUPERFICIE DEL MAR
14- FONDEO
15- FONDO MARINO
16 - PLATAFORMA SPAR
17- AEROGENERADOR con su Torre y Góndola,
20 18-SUPERFICIE DEL MAR,
19- FONDEO,
20- FONDO MARINO,
21 - PLATAFORMA DE DISCO FLOTANTE
22 - GENERADOR DE ENERGIA DE LAS OLAS ACOPIADO A LA 25 PLATAFORMA
Claims (3)
- ES 2 650 275 A1REIVINDICACIONES1. - Plataforma de Disco Flotante multipropósito para soporte de generadores 5 eólicos marinos y otros generadores de las energías marinas para extraerenergía de las olas, de las mareas y/o de las corrientes cumpliendo las exigencias de ángulo de inclinación para cada empuje determinado, y soportando los esfuerzos a los que se encontrará sometida al flotar (cortantes por el peso de la Torre sobre el Disco Flotante, el momento del empuje del 10 viento transmitido por la Torre y los esfuerzos de flexión por la flotación y el peso de la Torre en el mar con olas), caracterizada por:a) Ser una estructura con forma de disco, que flota y soporta los generadores de la energía del viento y de las olas y/o las corrientes y/o las mareas.15b) Tener una relación de dimensiones de la altura al diámetro muy pequeña (menor del 5%) y un peso muy inferior al de otras plataformas flotantes que realizan, con otras dimensiones y características, la misma función.
- 2. - La Reivindicación 1, construida con Acero Naval A y de superior calidad estando su estructura y construcción de acuerdo con las reglas y normas de las Sociedades de Clasificación y otras entidades competentes del sector marítimo.25 3.- La Reivindicación 1, construida con Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrioestando su estructura y construcción de acuerdo con las reglas y normas de las Sociedades de Clasificación y otras entidades competentes del sector marítimo.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2650275 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20181023 |
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| PC2A | Transfer of patent |
Owner name: CAROMKA CONSULT S.L. Effective date: 20220107 |