ES2844124T3 - Tramo de torre para autoizar un aerogenerador y método de autoizado del mismo - Google Patents

Abstract

Tramo de torre y método de autoizado del citado tramo con un aerogenerador completo en su parte superior, uno nuevo o uno ya existente, izando el conjunto a alturas superiores a los 120 m con la ayuda de un sistema de autoizado que opera a nivel del suelo y va introduciendo los módulos por la parte inferior. Dichos módulos tienen una altura de 10 a 14 m están formados por una celosía de al menos tres columnas verticales (5) y con diagonales (6) que reaccionan los momentos torso res y los esfuerzos cortantes generados por la acción del viento. Coronando los módulos se establece un pieza de transición (7) con una base (d2) suficiente para lograr el izado con condiciones de viento superiores a ios 15 m/s. El método de izado tiene varias fases como son la fabricación e instalación de la cimentación (12), el ensamblaje de la transición (7) sobre el elemento de conexión (15) de la zapata, el montaje del aeroganerador completo con su torre tubular (1 ), nacelle (2) y rotor (3), la instalación del sistema de elevación {10} y las estructuras de unión ( 14) sobre el elemento de conexión (16) de la zapata y la elevación del módulo N, el ensamblaje de los distintos módulos, finalizando con el ensamblaje del último módulo y la retirada del sistema de auioizado.

Description

DESCRIPCIÓN

Tramo de torre para autoizar un aerogenerador y método de autoizado del mismo

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de los aerogeneradores, del método de izado de los mismos y más concretamente la forma en que, mediante un tramo de torre modular de celosía con su correspondiente pieza de transición superior y su zapata, se procede al izado de un aerogenerador nuevo o de uno ya existente con la ayuda de un sistema de autoizado externo ya conocido.

Antecedentes de la invención

La búsqueda de ubicaciones con mayor potencial de viento, ha llevado a que actualmente los mejores emplazamientos eólicos on-shore estén saturados y cada vez sea más difícil encontrar zonas con alta disponibilidad de recurso eólico sin explotar.

La tendencia de la industria eólica pasa por explotar otros emplazamientos on-shore con menor disponibilidad de viento o mejorar los emplazamientos ya existentes. Para maximizar la cantidad de energía producida en emplazamientos on-shore con menor disponibilidad de recurso eólico o mejorar los ya existentes, las estrategias adoptadas y que marcan la tendencia en el mercado deben ser mediante el aumento de la altura de la torre. La velocidad del viento es creciente con la altura debido al rozamiento con el terreno, lo que origina el perfil de cortadura del viento. Como la energía producida varía con el cubo de la velocidad del viento, pequeños incrementos de altura posibilitan considerables aumentos de producción.

Para dar solución a la problemática del aprovechamiento de las zonas con buen viento pero ya ocupadas con otros aerogeneradores, se plantea la posibilidad de sustituir las máquinas viejas por nuevas máquinas más altas.

En esta línea de aprovechamiento de los emplazamientos ya existentes y con la ayuda del sistema de autoizado descrito en la patente WO2015150594, se presenta una solución para el izado de aerogeneradores que están funcionando en emplazamientos ya existentes o bien para el izado de aerogeneradores nuevos que necesitan una mayor altura y que las torres convencionales no pueden satisfacérsela. Un segundo problema que resuelve la invención es conseguir la instalación de torres de entre 120 y 180 metros. Ya que este tipo de instalación en la actualidad supone un sobrecoste muy significativo debido a que las grúas a utilizar son muy complejas, escasas en el mercado y por tanto su disponibilidad es muy baja. Para torres de más de 120 m, es muy difícil localizar un sistema de montaje económicamente viable. Otros ejemplos de estado de la técnica relevante pueden verse en ES 239345 A1, US 2014/328632 A1 y JP 2005042313 A.

Descripción de la invención

El objeto de la invención es diseñar un tramo de torre y su correspondiente pieza de transición, que sea válido para el autoizado de una torre tubular con su nacelle y con el rotor completo montado en la parte superior de la torre. Este aerogenerador puede ser uno ya existente dispuesto en un emplazamiento onshore junto con otros aerogeneradores, constituyendo lo que se denomina un parque, o bien puede ser un aerogenerador nuevo que se quiera disponer a mayor altura para mejor aprovechamiento del viento existente. En ambos casos se procederá de idéntica forma durante el método de autoizado.

El tramo de torre modular realizado en celosía objeto de la invención, está diseñado para ser auto-izada desde el suelo sin necesidad de grúas y está formada por dos partes diferenciadas:

Una parte inferior, consistente en una celosía recta, con un ángulo de desplome de 0°, de al menos tres columnas, realizada en tramos de entre 10 y 14 m de altura, para que dichos tramos sean modulares y perfectamente transportables en camiones convencionales.

Una transición entre el tramo troncocónico y el tramo de celosía que debe tener la anchura suficiente para otorgar la estabilidad necesaria para poder autoizar un aerogenerador soportando el viento incidente y evitando el vuelco debido a dicho viento sobre el tramo del rotor, torre y nacelle.

Este y otros objetos de la invención se logran mediante un tramo de torre de celosía, donde cada módulo que lo componen está formado por dos tipos de elementos longitudinales unidos entre sí:

Columnas verticales, que soportan los esfuerzos principales de flexión producidos en la torre por la acción del viento en el rotor del aerogenerador. Elementos de atirantamiento (diagonales y horizontales) que reaccionan los momentos torsores y los esfuerzos cortantes generados por la acción del viento.

Los elementos de atirantamiento se unen a las columnas a través de unas chapas soldadas mediante uniones atornilladas de cortadura. Los elementos de atirantamiento se unen entre sí a través de uniones atornilladas de cortadura. Las columnas verticales se unen entre sí a través de uniones atornilladas axiales, empleando unas bridas circulares soldadas en cada extremo. Las columnas, diagonales y horizontales tendrán geometría cerrada, preferentemente cilíndrica.

Existen dos configuraciones preferentes de elementos de atirantamiento:

En la primera configuración (unión en K), el atirantamiento de cada cara de cada módulo está formado dos horizontales y dos diagonales, que se une en un punto equidistante de las columnas, a la altura de las horizontales.

En la segunda configuración (unión en X), el atirantamiento de cada cara de cada módulo está formado cuatro diagonales, que se une en el centro de la cara. Para mejorar la estabilidad a pandeo de las diagonales, pueden añadirse otras tres barras horizontales que unan los centros de cada cara.

La cimentación del segmento de torre (que soporta las cargas transferidas por el aerogenerador completo) está compuesta de tres zapatas independientes de geometría cuadrada o rectangular, fabricada in-situ o prefabricada. Cada zapata prefabricada puede estar subdivida longitudinalmente en un número de elementos prefabricados, que se fabrican en planta, se transportan por separado y se ensamblan y postesan en campo, por medio de unos cables de postesado que atraviesan orificios horizontales en las piezas de la zapata. Las zapatas prefabricadas (subdivididas o no) pueden estar pretensadas para mejorar su comportamiento estructural.

El tramo de torre está diseñado para adaptarse a un sistema de autoizado de un aerogenerador completo y este sistema de autoizado es ya conocido en el estado de la técnica (descrito en la patente WO2015150594).

Por su parte el método de izado comprende las siguientes fases:

Fase 1: Preparación de la cimentación.

Fase 2: Ensamblaje de la transición y fijación a la cimentación.

Fase 3: Montaje de torre tubular, nacelle y rotor completo de un aerogenerador sobre la transición. Fase 4: Instalación del sistema de autoizado.

Fase 5: Amarre del sistema de autoizado a la parte inferior de la transición, desinstalación de la cimentación y elevación del conjunto superior.

Fase 6: Ensamblaje del módulo N bajo el conjunto.

Fase 7: Desamarre del autoizado y amarre a la parte inferior del módulo N.

Fase 8: Elevación del módulo N con el conjunto superior.

Fase 9: Repetición de pasos 5-8 con cada módulo.

Fase 10: Ensamblaje del último módulo y desinstalación del utillaje

De todo lo descrito con anterioridad se desprenden las siguientes ventajas.

Con el nuevo sistema de autoizado, el montaje se realiza elevando primero el tramo superior de la torre de celosía mediante unos actuadores hidráulicos para introducir el siguiente tramo por la parte inferior, es decir, se trabaja a nivel de suelo. El montaje comienza con la elevación del segmento de celosía unido a la torre de acero y finaliza con la instalación del segmento de la torre más cercano al suelo. Además, no requiere acondicionar el suelo, ya que la instalación del sistema de elevación con sus estructuras de unión se realiza sobre las zapatas de la cimentación de la torre. La principal virtud de esta tecnología es que el diseño está específicamente creado para que todos los componentes del aerogenerador trabajen durante el montaje al igual que en servicio. De este modo, al no necesitar refuerzos adicionales, el coste recurrente del aerogenerador no aumenta y la solución resulta terriblemente eficiente. Todos los tramos son transportables en camiones convencionales, por lo que la máxima longitud prevista es de 14 m.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1a es una vista de un aerogenerador existente en el estado de la técnica y la figura 1b es un aerogenerador con el tramo de torre de celosía objeto de la invención.

Las Figuras 2a y 2b muestran el comportamiento debido al viento incidente de un aerogenerador convencional y en el aerogenerador de la invención durante el proceso de autoizado.

La Figura 3 muestra un detalle de la pieza de transición, su anclaje con el sistema de elevación y sus estructuras de unión y con las columnas verticales.

Las Figuras 4a, 4b y 4c muestran la geometría preferente de una de las zapatas de la cimentación.

La Figura 5a es una vista de la cimentación, 5b muestra el módulo de transición, 5c-5d-5e-5f muestran el ensamblaje de un aerogenerador con la ayuda de una grúa.

Las Figuras 6a, 6b, 6c y 6d muestran el sistema de autoizado y la elevación completa del módulo N. Las figuras 6e y 6f la elevación y ensamblaje del módulo N+1.

La Figura 7 muestra el proceso para ensamblar el resto de módulos hasta completar el tramo de torre objeto de la invención.

Descripción detallada de la invención

Tal y como se muestra en la figura 1a un aerogenerador existente de 3000kw está compuesto por tres o cuatro tramos de torre cilíndrica (1), una góndola (2) y un rotor completo (3) es decir, con las palas ya montadas. Dicho aerogenerador se eleva sobre el nivel del suelo (4) una distancia de entre 70 y 80 m, el diámetro de su rotor (3) tiene alrededor de los 120 m y su torre (1) una anchura máxima en la base de 4,5m.

En la figura 1b se muestra otro aerogenerador de mayor altura montado con un tramo de torre formado por dos partes: una inferior, que son módulos de celosía de al menos tres columnas verticales (5), con diagonales (6) y horizontales (6') entre columnas verticales (5).

Los atirantamientos de los módulos de celosía están formados por:

a) dos horizontales (6') y dos diagonales (6), que se une en un punto equidistante de las columnas verticales (5), a la altura de las horizontales (figura 1b).

b) cuatro diagonales (6) y además para mejorar la estabilidad a pandeo de las diagonales (6), se añaden otras tres barras horizontales que unen los centros de cada cara (figura 7d).

Y en la parte superior se dispone la pieza de transición (7) entre el tramo troncocónico de torre tubular y el tramo de celosía. Todo ello se asienta sobre una cimentación (12) independiente.

Para izar sin grúas externas el aerogenerador ya pre-montado con su torre (1) su nacelle (2) y su rotor (3) de la figura 1a, a una altura de entre 120 y 180 m respecto al suelo (4) se debe resolver un problema tecnológico que aparece con el viento incidente (8). En alturas superiores a los 100 m, el viento incidente sobre la nacelle (2) y el rotor (3) crea unas fuerzas contrapuestas (9) que no podrá soportar un sistema de elevación (10) utilizado con un aerogenerador convencional (Figura 2a) y que si soportará el aerogenerador objeto de la invención (Figura 2b). Ello es debido a que el ancho de la base del sistema de elevación (10) trabaja a una distancia de 5m para el aerogenerador tubular (Fig. 2a) y a una distancia de entre 14 y 18m para el aerogenerador con el tramo de celosía (Fig. 2b). Solo un sistema de elevación (10) con suficiente distancia entre sus actuadores puede soportar el momento que origina el viento incidente (8).

Para lograr suficiente distancia entre las columnas verticales (5) del tramo de celosía es necesario tener una pieza de transición (7) como la mostrada en la figura 3. Esta pieza troncocónica hueca pasa de un diámetro superior (d1) de 3 a 4,5m a una base inferior de 14 a 18m de diámetro (d2) que circunscribe la base. La forma de la base dependerá de si la torre de celosía tiene tres, cuatro o más columnas verticales (5). La pieza de transición (7) tiene unos interfaces inferiores (11) que conectan con el sistema de elevación (10). Dichos interfaces inferiores (11) son responsables de la conexión con las columnas verticales (5) de la celosía. Con la presente pieza de transición (7) es posible lograr el izado con condiciones de viento superiores a los 15 m/s.

La cimentación (12) del segmento de torre está compuesta por al menos tres zapatas independientes, que integran los elementos de conexión (15) con la torre y una segunda zona de conexión (16) del sistema de autoizado. Debido a la configuración del segmento, el volumen total de la cimentación es muy inferior al que tiene una cimentación convencional de aerogenerador. Esto puede permitir su prefabricación en planta y su transporte a campo, en una sola pieza o en varias piezas que se unen en campo entre sí. Las zapatas pueden tener sección cuadrada o rectangular. Las zapatas prefabricadas pueden estar pretensadas para mejorar su comportamiento estructural.

La Figura 4b muestra la zapata una vez construida (in situ, en planta o postesando in situ piezas prefabricas en planta), formada por un muro central (17), que aloja el sistema de conexión (15) con la columna vertical (5) o con la pieza de transición (7), una losa inferior (18), que reparte la carga por el terreno, y al menos un nervio (19) a cada lado del muro, en el que se integra la conexión (16) con el sistema de autoizado.

Las Figura 4c y 4d muestran la subdivisión preferente para la alternativa de cimentación prefabricada en diferentes piezas (antes y después del ensamblaje) así como los orificios transversales (20) para colocación de cables de tesado para el proceso de postesado final.

Entre las figuras 5, 6 y 7 se muestra el método de izado seguido y que consta de las siguientes fases: Fase 1: Preparación de la cimentación (12)

Fase 2: Ensamblaje de la transición (7) y fijación a la cimentación (12)

Fase 3: Montaje de torre tubular (1), nacelle (2) y rotor (3) de un aerogenerador sobre la transición (7) Fase 4: Instalación del sistema de autoizado con su sistema de elevación (10) y las estructuras de unión (14)

Fase 5: Amarre del sistema de autoizado a la parte inferior de la transición, desinstalación de la cimentación y elevación del conjunto superior

Fase 6: Ensamblaje del módulo N bajo el conjunto

Fase 7: Desamarre del autoizado y amarre a la parte inferior del módulo N

Fase 8: Elevación del módulo N con el conjunto superior

Fase 9: Repetición de pasos 5-8 con cada módulo

Fase 10: Ensamblaje del último módulo y desinstalación del utillaje

Tal y como se muestra en la figura 5a, la fase 1 es la preparación de la cimentación (12). El primer paso es establecer la cimentación (12) bajo el nivel del suelo (4) y dimensionarla en función de las cargas a soportar. El proceso comienza con la excavación de tantas cimentaciones (12) independientes como número de columnas verticales (5) tenga la torre de celosía. Posteriormente se colocan las cimentaciones (12) prefabricadas para esta alternativa de proceso. Por último, se cubre la cimentación (12) con relleno y se reconstruye el terreno.

En la figura 5b se muestra el ensamblaje de la pieza de transición (7) que conforma la parte superior de la torre de celosía. En primer lugar, se instalarán los interfaces inferiores (11) sobre el elemento de conexión (15) . Posteriormente, se procede a ensamblar la pieza de transición (7) sobre la base de trabajo formada por los citados interfaces (11). (Ver Figura 3).

En las figuras 5c, 5d y 5e se describe el montaje de torre tubular (1), nacelle (2) y rotor (3) de un aerogenerador según la fase 3. En esta fase, se procede a realizar el montaje de la torre tubular (1) sobre la pieza de transición (7). Tras la torre tubular (1), se ensambla la nacelle (2) del aerogenerador a la brida superior de la torre tubular (1). Finalmente, se instala el rotor (3) del aerogenerador con sus correspondientes palas ensambladas. Todo el montaje se realiza con la ayuda de una grúa convencional (13) .

Tal y como se muestra en la figura 6, una vez montado el aerogenerador comienza el método de autoizado del mismo. En las figuras 6a y 6b se muestra las fases 4 a 8 con la instalación del sistema de elevación (10) y la elevación del conjunto. Una vez montada la torre (1), nacelle (2) y rotor (3) completo, se procede a la instalación del utillaje de autoizado sobre el elemento de conexión (16) de la zapata. Es decir, se instalarán sobre cada cimentación (12) tantos sistemas de elevación (10) como columnas verticales (5) tenga la torre de celosía y con una estructura de unión (14) que se extiende entre todos los sistemas de elevación (10). La elevación del conjunto instalado, se produce cuando cada una de las plataformas de elevación pasan del punto inferior al punto superior del correspondiente sistema de autoizado. (Según lo descrito en la WO2015150594).

Entre las figuras 6c y 6f se muestra la fase 9 correspondiente al ensamblaje de un nuevo módulo. Una vez se ha elevado el conjunto, se introduce un nuevo módulo de torre y se anclan los módulos en contacto, luego se sueltan las bridas de conexión y por último se descienden las plataformas de elevación que forman la estructura de unión (14) formada entre los sistemas de elevación (10). Posteriormente se repite la operación insertando un nuevo módulo por la parte inferior.

Por último, en la figura 7 se muestra la fase 10 con el ensamblaje del último módulo y desinstalación del sistema de auto-izado.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Tramo de torre para autoizar un aerogenerador nuevo o existente, diseñado para disponerse bajo el propio aerogenerador y mediante un sistema de autoizado soportado en cimentaciones (12) independientes, subir todo el conjunto sin necesidad de grúas externas, caracterizado porque: - el tramo de torre es una celosía modular, con tramos de módulos de 10 a 14m de altura, con columnas verticales (5) y un sistema de atirantamientos entre columnas (5), todos transportables en vehículos convencionales,

   - tiene al menos tres columnas verticales (5) de sección cerrada hueca, de desplome 0°, separadas entre sí de 14 a 18m, unidas entre sí por unos elementos diagonales (6) y opcionalmente unos elementos horizontales (6'), ambos de sección cerrada circular hueca,

   - tiene una pieza de transición (7) que soporta en su parte superior un aerogenerador convencional, con un diámetro superior (d1) de 3 a 4,5m y un diámetro inferior (d2) de 14 a 18m, así como una interface (11) en su base con sistemas de anclaje para unirse a la columna (5) y transitoriamente al elemento de conexión (15) de la zapata,

   - cada uno de los módulos que conforman el tramo de torre y la pieza de transición (7) disponen de elementos externos para anclarse al sistema de autoizado, y

   - todo el conjunto, con el tramo de torre y el aerogenerador completo, es autoizable con un sistema de autoizado formado por un sistema de elevación (10) y una estructura de unión (14) que se anclan a un elemento de conexión (16) de la zapata.

   2- Tramo de torre según la reivindicación 1, en donde la cimentación (12) está compuesta por tantas zapatas cuadradas o rectangulares como columnas verticales (5) tiene la torre y tiene unas dimensiones que permite prefabricarla y transportarla en vehículos convencionales.

   3- Tramo de torre según la reivindicación 2, en donde la zapata está subdivida longitudinalmente en un número de elementos prefabricados, que se fabrican en planta, se transportan por separado y se ensamblan y postesan en campo, por medio de unos cables de postesado que atraviesan orificios horizontales en las piezas de la zapata.

   4- Tramo de torre según la reivindicación 2 o 3, en donde las piezas prefabricadas se pretensan para mejorar su comportamiento estructural.

   5- Tramo de torre según la reivindicación 1, en donde el sistema de atirantamiento de cada cara de cada módulo está formado dos horizontales (6') y dos diagonales (6), que se une en un punto equidistante de las columnas verticales (5) a la altura de las horizontales.

   6- Tramo de torre según la reivindicación 1, en donde el sistema de atirantamiento de cada cara de cada módulo está formado por cuatro diagonales (6) que se unen en el centro de la cara.

   7- Tramo de torre según la reivindicación anterior, en donde para mejorar la estabilidad a pandeo de las diagonales (6), se añaden otras tres barras horizontales que unan los centros de cada cara.

   8- Tramo de torre según la reivindicación 1, en donde todos los elementos se unen por uniones atornilladas a través de elementos soldados a los perfiles tubulares huecos.

   9- Método de autoizado del tramo de torre con un aerogenerador en su parte superior, caracterizado porque el método comprende las siguientes fases:

   Fase 1: Preparación de la cimentación (12) bajo el nivel del suelo (4) disponiendo tantas cimentaciones (12) independientes como columnas verticales (5), colocación de las cimentaciones (12) prefabricadas y relleno y reconstitución del terreno.

   Fase 2: Ensamblaje y fijación de la pieza de transición (7) a la cimentación (12) a través de los interfaces (11) existentes en su base y los elementos de conexión (15) de la zapata.

   Fase 3: Montaje sobre la transición (7) de una torre (1) tubular, una nacelle (2) y un rotor (3) de un aerogenerador con la ayuda de una grúa (13).

   Fase 4: Instalación del sistema de autoizado sobre la cimentación (12) que comprende el montaje del sistema de elevación (10) y la estructura de unión (14) sobre el elemento de unión (16) de la zapata. Fase 5: Amarre del sistema de autoizado a la parte inferior de la transición (7), desinstalación de las patas (11) a la cimentación (12) y elevación del conjunto superior.

   Fase 6: Ensamblaje del módulo N bajo el conjunto.

   Fase 7: Desamarre del autoizado y amarre a la parte inferior del módulo N.

   Fase 8: Elevación del módulo N con el conjunto superior.

   Fase 9: Repetición de pasos 5-8 en cada módulo.

   Fase 10: Ensamblaje del último módulo y desinstalación del utillaje.