ES2714686T3 - Turbina eólica costa afuera sobre soporte flotante que incluye una combinación de medios de amortiguación - Google Patents

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Abstract

Turbina eólica costa afuera (6) sobre un soporte flotante que incluye en combinación: - un flotador principal (1) que incluye una parte de forma sustancialmente cilíndrica, - un elemento circular (2) de hormigón de diámetro Dd superior al diámetro Dc del flotador principal (1) que constituye a la vez una masa fija en la base del flotador y unos medios de amortiguación, - unos medios complementarios de lastrado permanente (4) situados en la base del flotador principal, - unos cajones de lastrado dinámico (3) incluidos en el flotador principal y repartidos en corona en la periferia de dicho flotador.

Description

DESCRIPCION
Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante que incluye una combinacion de medios de amortiguacion
La presente invencion se refiere al campo de las turbinas eolicas en el mar (costa afuera), en particular, las turbinas eolicas montadas sobre un soporte flotante amarrado en el fondo del mar. Uno de los problemas que se propone resolver la invencion es la estabilidad de la turbina eolica, con el fin de que el plano de las palas permanezca en una posicion optima para el suministro de la potencia y esto en las mejores condiciones.
Diversos soportes flotantes dedicados a la instalacion de turbinas eolicas de varios megavatios mar adentro de las costas estan en transcurso de desarrollo en unos numerosos pafses. Segun la profundidad del sitio considerado, se pueden considerar varias opciones de diseno. A pesar de su gran diversidad, surgen tres grandes familias de soporte flo staengtúen la naturaleza del par de rectificacion hidrostatica empleado. Se pueden citar:
- los flotadores de tipo SPAR caracterizados por una forma geometrica estilizada y que incluyen un lastre importante, con el fin de bajar al maximo el centro de gravedad del conjunto de la estructura con la finalidad de asegurar la estabilidad,
- los soportes de tipo TLP (Tension Leg Platform) que tienen la particularidad de estar amarrados en el fondo del mar por unos cables tendidos que garantizan la estabilidad de la estructura,
- los flotadores de tipo semisumergibles que presentan un momento de inercia en la superficie de flotacion importante que, de este modo, les procura un par de rectificacion suficiente para su estabilidad.
En cuanto a rectificacion hidrostatica, los flotadores de tipo barcaza hay que clasificarlos en la categona de las plataformas semisumergibles debido a su superficie para la flotacion importante, pero, sin embargo, difieren de estas ultimas debido a su aspecto mucho mas compacto.
Sin embargo, en el campo de las turbinas eolicas costa afuera, que presentan, en particular, unas esbelteces aereas muy importantes, los soportes flotantes convencionales no siempre estan adaptados para las restricciones de funcionamiento del rotor. Siendo las turbinas eolicas costa afuera, por una parte, sensibles a la inclinacion de su eje de rotacion y, por otra parte, a las aceleraciones importantes al nivel de la gondola, todo el trabajo de diseno de los soportes flotantes reside, por lo tanto, en satisfacer al menos estas dos restricciones evitando al mismo tiempo tener un coste prohibitivo. Algunos ejemplos de turbinas eolicas costa afuera flotantes se conocen, por ejemplo, por los documentos internacionales WO 2012/169914 y WO 03/004869.
La presente invencion se refiere a una turbina eolica costa afuera sobre un soporte flotante que incluye en combinacion:
- un flotador principal que incluye una parte de forma sustancialmente cilmdrica,
- un elemento circular de hormigon de diametro Dd superior al diametro Dc del flotador principal que constituye a la vez una masa fija en la base del flotador y unos medios de amortiguacion,
- unos medios complementarios de lastrado permanente (4) situados en la base del flotador principal,
- unos cajones de lastrado dinamico incluidos en el flotador principal y repartidos en corona en la periferia de dicho flotador.
Segun la invencion, la proporcion diametro Dc/calado puede estar comprendida entre 1,3 y 1.
El diametro exterior Dd de la falda puede estar comprendido entre 1,5 y 2 veces el diametro del flotador Dc y preferentemente cercano a 1,75.
La falda puede tener un espesor decreciente en direccion de su diametro exterior.
El lastre permanente en la base del flotador principal puede estar constituido por hormigon o agua o una combinacion de los dos.
Un sistema de anclaje funicular puede mantener la turbina eolica en su sitio.
La turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante puede tener el eje de las palas horizontal.
La turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante puede tener el eje de las palas vertical.
La presente invencion se comprendera mejor y sus ventajas se pondran de manifiesto de manera mas clara con la lectura de la descripción que sigue de un modo de realización preferente, de ninguna manera limitativo e ilustrado por las figuras a continuacion adjuntas, de entre las que:
- la figura 1 muestra de manera esquematica el conjunto de turbina eolica sobre su soporte flotante,
- la figura 2 da la evolucion del asiento de un soporte flotante de forma cilmdrica en funcion de su radio y del calado, - la figura 3 muestra la influencia del diametro Dd sobre la frecuencia de resonancia en arfada,
- la figura 4 muestra de manera esquematica en corte una geometna de la "falda",
- las figuras 5a, 5b y 5c representan tres ejemplos de constitucion del lastre permanente y de los cajones de lastrado dinamico,
- las figuras 6a y 6b ilustran los cajones de lastrado,
- la figura 7 ilustra la geometna de los cajones de lastrado para un angulo de asiento diana de 5 °.
En la figura 1, el soporte flotante esta compuesto por un flotador principal 1 que incluye al menos una parte de geometna cilmdrica (circular) al que se anade en la parte inferior una placa de amortiguador 2, tambien denominada "falda". Es en esta parte cilmdrica donde se inscribe la combinacion de los diferentes medios de lastrado: permanente y dinamico. La parte superior del flotador principal puede tener otras formas exteriores, como conica, cilmdrica de diametro diferente, adaptadas para los flujos hidrodinamicos. Un lastre permanente 4, necesario para el control del equilibrio hidrostatico, esta colocado en el fondo de flotador que puede estar constituido por hormigon, por agua de mar o cualquier materia solida o lfquida pesada. Las masas de estas diferentes materias estan repartidas para satisfacer a la vez los criterios de estabilidad estatica y dinamica, pero tambien para minimizar el coste de fabricacion. Por encima del lastre permanente 4 y en la periferia del flotador principal 1 en el interior del cilindro, estan dispuestos varios compartimentos 3 cuyos volumenes pueden estar lastrados o deslastrados segun las condiciones de funcionamiento de la turbina eolica 6. El empuje aerodinamico asociado al funcionamiento de la turbina eolica modifica el angulo de asiento de la plataforma. Los lastres 3 permiten corregir y regular este angulo de asiento y, por lo tanto, del eje de la turbina eolica. La plataforma esta equipada con conductos y con bombas que permiten transferir una cantidad de lfquido en los diferentes volumenes, estando el volumen total de lfquido mantenido, de manera general, constante.
Las dimensiones del flotado principal son tales que la proporcion diametro Dc/calado permanece comprendida entre 1,3 y 1, es decir, alejada de la forma estilizada de las boyas SPAR.
La turbina eolica, ya sea de eje horizontal (HAWT "Horizontal Axis Wind Turbine") o de eje vertical (VAWT "Vertical Axis Wind Turbine"), genera un empuje horizontal inducido por el viento al que se anaden las fuerzas de arrastres sobre la gondola y el mastil de la turbina eolica. Estas fuerzas tienen tendencia a hacer inclinarse la estructura flotante: entonces, se habla de cambio de angulo de asiento. Modificando el reparto de lfquido en los lastres, de este modo, se puede hacer lo necesario para reducir las variaciones del angulo de asiento del soporte. De este modo, la turbina eolica funciona de manera optima y se previene cualquier riesgo de fatiga de los diferentes componentes mecanicos.
Como primera aproximacion, el dimensionado de una plataforma que soporta una turbina eolica debe satisfacer dos restricciones principales, esto es:
- tener un volumen sumergido suficiente para soportar el peso de la turbina eolica, de su sistema de amarre, asf como su propio peso,
- presentar un par de rectificacion suficiente para poder contener el esfuerzo maximo de empuje aerodinamico de la turbina eolica considerado.
Considerando unos desplazamientos de escasa rotacion, estas dos restricciones pueden traducirse matematicamente por las siguientes relaciones:
Figure imgf000003_0001
con
p: masa volumetrica del agua (kg/m3),
g: la gravedad (m/s2),
Mtot: masa total de la estructura (Kg),
V: volumen sumergido (m3),
Ft : fuerza de empuje aerodinamico al nivel del cubo (N),
Hcubo: altitud del cubo (m),
Zcg: posicion vertical del centro de gravedad del conjunto de la estructura (m),
Zb: centro de flotacion (m),
Dc: diametro del flotador (m),
Dd: diametro de las faldas (m),
C55, lineas: rigidez en cabeceo asociada al amarre (N.m/rad),
0: angulo de asiento (rad).
La figura 2 muestra la evolucion del angulo de asiento (Trim) de un soporte flotante de forma cilfndrica en funcion de su radio (radius) y de su calado (Draft) cuando este esta sometido al momento asociado al empuje maximo de una turbina eolica de eje horizontal de 5 MW. Las zonas blancas corresponden a las configuraciones donde el soporte flotante no es estable. Este genero de resultado permite, por lo tanto, dar cuenta de las diferentes configuraciones posibles según el angulo de asiento deseado.
El anadido de faldas tiene como finalidad desfasar el periodo de resonancia en arfada, o movimiento de oscilacion vertical, del soporte flotante fuera de los periodos predominantes de marejada (de manera general, estos periodos de marejada estan contenidos en un espectro que se extiende de 3 s a 20 s) donde la energfa de las olas esta principalmente concentrada, de modo que se reduzcan las amplitudes de los desplazamientos verticales de la estructura y, de este modo, se aseguren unas condiciones optimas de funcionamiento del rotor de la turbina eolica. En el caso de un flotador cilfndrico y de dos faldas circulares, este periodo de resonancia en arfada puede calcularse a traves de la siguiente relacion:
Figure imgf000004_0001
que vincula el periodo de resonancia en arfada Tz a la masa total Mo t de la estructura (amarre, turbina eolica, flotador), a la masa de agua anadida para una frecuencia infinita madi(x ) asociada, asf como al termino de rigidez hidrostatica en arfada Kh 7, coni
Figure imgf000004_0002
con Dd diametro de la "falda".
De este modo, un estudio parametrico ha consistido en estimar la influencia del diametro de la placa de amortiguador ("falda") sobre el periodo de resonancia en arfada (Figura 3).
Estos resultados muestran, en primer lugar, que el anadido de una placa de amortiguador mejora de manera clara las prestaciones de una plataforma del tipo barcaza. Por lo tanto, se senala que una eleccion oportuna de los principales parametros de dimensionado del flotador y de las faldas permite desfasar de manera eficaz el periodo de resonancia en arfada fuera de los periodos predominantes de marejada.
El primer papel de la falda es desfasar las frecuencias propias en arfada, como se ha explicado anteriormente. Ademas, de manera que se mejore la estabilidad del flotador, la utilizacion de la falda como un volumen de lastre permanente resulta una construccion muy interesante. En efecto, la falda esta situada en el extremo inferior del flotador y su volumen puede ser potencialmente importante, en concreto, teniendo en cuenta su diametro exterior elevado. La presente invencion anade una funcion de lastre permanente al elemento "falda". Su forma es preferentemente conica. El espesor sobre el diametro exterior esta disminuido para no tener un efecto hidrodinamico negativo, en concreto, para el desfase de las frecuencias propias. Sobre el diametro interior, el espesor esta aumentado de manera considerable para permitir una masa de lastre lo mas elevada posible. Los estudios hidrodinamicos han mostrado que era preferible tener un espesor maximo sobre el diametro exterior de aproximadamente 0,5 m y que un angulo de cono del orden de 7,5 ° permanecfa aceptable. Teniendo en cuenta estas restricciones, la geometrfa de la falda preferible es, por ejemplo, la representada en la figura 4.
La consistencia de la falda de hormigon se ha verificado en presion, representativa de la presion hidrodinamica ejercida durante los movimientos de arfada del flotador en presencia de una marejada quinquenal del Atlantico norte con un periodo de pico de marejada cercano al periodo de resonancia en arfada. La falda podra estar realizada con otros materiales, en caso necesario, o llena parcialmente de hormigon y de otro material, solido o lfquido. Unos estudios han permitido estimar los esfuerzos hidrodinamicos sobre la falda. A partir de este dato de entrada, se ha realizado un calculo de elementos finitos sobre Abaqus para verificar la consistencia mecanica de esta estructura de hormigon. Los resultados en restriccion en la estructura de hormigon, que se supone sin refuerzo de acero (los armazones eventuales tendran tendencia a reducir las restricciones en el hormigon), muestran que la restriccion maxima de Von Mises es de manera muy clara inferior a 5 MPa, la restriccion en traccion S11 es como maximo de 2,4 MPa. Estos valores muestran que el hormigon permanece en el campo elastico, tanto en traccion como en compresion. Su consistencia mecanica esta asegurada, por lo tanto, bajo los esfuerzos de presion hidrodinamicos evaluados.
El lastre complementario permanente puede estar constituido por hormigon, por agua, por cualesquiera otros materiales solido o lfquido o por una combinacion de estos materiales. El lastre permanente debe ser de densidad media suficiente para asegurar la estabilidad hidrostatica del soporte flotante, teniendo en cuenta el volumen util de la plataforma (volumen del flotador principal volumen de la falda volumen del lastre dinamico).
La utilizacion de una combinacion de materiales, hormigon agua, por ejemplo, permite beneficiarse de la densidad del hormigon reduciendo los costes. El reparto de los dos materiales tendra un impacto sobre la cantidad de lastre dinamico necesario y sobre el periodo en cabeceo del soporte. En efecto, cualquier modificacion de la distribucion hormigon/agua va a modificar el centro de gravedad del soporte, por una parte, y su inercia, por otra parte.
En el siguiente ejemplo (figuras 5a, 5b, 5c), se ha considerado el caso donde el lastre complementario permanente esta constituido por hormigon unicamente (caso 1) y dos combinaciones de hormigon y de agua (caso 2 y caso 3). En todos los casos, la falda es de hormigon.
En el caso 5a, el lastre esta completamente constituido por una materia solida como el hormigon. En el caso 5b, una parte del hormigon se ha sustituido por un lastre permanente hecho de un lfquido como agua de mar. Por ultimo, en el caso 5c, se ha buscado minimizar la masa de hormigon salvaguardando al mismo tiempo su integridad estructural. En estas figuras, los cajones de lastrado estan situados por encima del lastre permanente, pero se pueden concebir unas configuraciones que tengan como proposito posicionar estos cajones de lastrado mas bajos
La Tabla de mas abajo muestra la influencia de la distribucion del lastre permanente sobre el lastre dinamico y el periodo propio en cabeceo.
Figure imgf000005_0001
El lastre dinamico considerado consiste en llenar los depositos 3 colocados en la periferia del soporte flotante con un lfquido. Los parametros de dimensionado son: un angulo a que define el reparto angular de los compartimentos del lastre a cada lado del eje de empuje, una anchura de deposito anotada como an, asf como una altura al de llenado (figuras 6a y 6b)
Con geometna de flotador principal y de faldas fijada (radio 13 m), calado 20,5 m), se ha llevado a cabo un estudio parametrico, con el fin de saber que altura de agua era necesaria para alcanzar un angulo de asiento diana segun el reparto angular a y la anchura an de deposito. La Figura 7 muestra, de este modo, la altura de agua alt necesaria para obtener un angulo de asiento de 5 ° en presencia de una fuerza de empuje aerodinamico de 80 toneladas en el centro del rotor situado a 90 m de altura para unas anchuras de deposito an comprendido entre 1 y 4 m, un angulo a comprendido entre 10 y 45 °. De este modo, puede elegirse la mejor configuracion segun los criterios por los que se opte (volumen de lfquido, altura metacentrica,...).
Estos resultados muestran que una turbina eolica HAWT o VAWT montada sobre un soporte flotante tal como el de la presente invencion puede mantenerse lo suficientemente estable con la condicion de una eleccion espedfica de los principales parametros de dimensionado. Por otra parte, el lastrado dinamico dispuesto en combinacion en el flotador principal puede con un asiento correcto para la recuperació dne energfa optima.
La combinacion de una falda de dimension optimizada y fabricada de material pesado tal como el hormigon o equivalente, de un lastre permanente que permite regular la masa total pesada en la base del flotador en funcion de la turbina eolica y de las condiciones medioambientales, de lastre dinamico para controlar el angulo de asiento de la turbina eolica, demuestra que presenta muchas ventajas, tanto tecnicas como economicas, y perfectamente adaptada para un soporte flotante que lleva una turbina eolica de fuerte potencia.
El amarre de este soporte flotante puede estar constituido por 3 lmeas 5 de anclaje catenario repartidas a 120 °. Cada una de las lmeas esta constituida por una cadena sujeta a dos puntos de sujecion de las lmeas de ancla ("fairleads") sobre el soporte flotante con la ayuda de una conexion en Y (o "crowfoot"). Este tipo de conexion permite aportar rigidez en guinada intrmsecamente escasa sobre este tipo de soporte.
Por otra parte, los puntos de sujecion de las lmeas de ancla estan situados al nivel del francobordo del soporte y no, como es este el caso a menudo, al nivel del calado. Esto permite aportar rigidez en cabeceo y reducir el asiento del soporte flotante bajo el efecto del empuje sobre la turbina. Como contrapartida; el cabeceo puede, bajo algunas condiciones medioambientales, estar acentuado. Entonces, hay que encontrar un compromiso entre la ganancia sobre el asiento y el cabeceo maximo que se puede permitir en funcion de las condiciones operativas.
Cada lmea puede estar equipada, igualmente, con una masa puntual adicional que tiene dos intereses principales: el primero, evitar los esfuerzos de compresion sobre toda la longitud de la cadena y el segundo, aportar rigidez suplementaria en guinada y disminuir el acoplamiento guinada/balanceo que se observa, a veces, sobre los soportes cilmdricos.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Turbina eolica costa afuera (6) sobre un soporte flotante que incluye en combinacion:
- un flotador principal (1) que incluye una parte de forma sustancialmente cilmdrica,
- un elemento circular (2) de hormigon de diametro Dd superior al diametro Dc del flotador principal (1) que constituye a la vez una masa fija en la base del flotador y unos medios de amortiguacion,
- unos medios complementarios de lastrado permanente (4) situados en la base del flotador principal,
- unos cajones de lastrado dinamico (3) incluidos en el flotador principal y repartidos en corona en la periferia de dicho flotador.
2. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante re laivindicación 1, en la s qeugeún la proporcion diametro Dc/calado esta comprendida entre 1,3 y 1.
3. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante una de las reivindicaciones ante sreiogúrens, en la que el diametro exterior Dd de dicho elemento circular esta comprendido entre 1,5 y 2 veces el diametro del flotador Dc y preferentemente cercano a 1,75.
4. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante una de las reivindicaciones se agnútenriores, en la que dicho elemento circular tiene un espesor decreciente en direccion de su diametro exterior.
5. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante una de las reivindicaciones a snetegúrinores, en la que el lastre permanente 4 en la base del flotador principal esta constituido por hormigon o agua o una combinacion de los dos.
6. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante una de las reivindicaciones ant seerigoúrens, en la que un sistema de anclaje funicular (5) la mantiene en su sitio.
7. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante una de las reivindicaciones an setegrúionres, en la que el eje de las palas es horizontal.
8. Turbina eolica costa afuera sobre soporte flotante una de las reivindicaciones 1 se agú 6,n en la que el eje de las palas es vertical.
ES14719046T 2013-05-17 2014-03-26 Turbina eólica costa afuera sobre soporte flotante que incluye una combinación de medios de amortiguación Active ES2714686T3 (es)

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