ES2958816T3 - Amortiguador de masa sintonizado para estructuras flotantes - Google Patents

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Anthony Viselli
Andrew Goupee
Habib Dagher
Jeff Lindner
John S Townsend
Rebecca L Williams
Frederick S Gant
Robert E Berry
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Abstract

Un sistema de amortiguador de masa sintonizado (TMD) en combinación con una plataforma flotante de turbina eólica marina (FOWT) incluye una plataforma FOWT tipo barcaza que tiene un casco configurado para tener una torre de turbina eólica montada sobre el mismo. Un sistema TMD está montado en el casco y tiene un primer TMD configurado para operar a una primera frecuencia, y un segundo TMD configurado para operar a una segunda frecuencia diferente a la primera frecuencia. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Amortiguador de masa sintonizado para estructuras flotantes
ANTECEDENTES
Esta invención hace referencia en general a plataformas flotantes. En particular, esta invención hace referencia a una plataforma de turbina eólica marina flotante (FOWT) mejorada que tiene un sistema de amortiguador de masa sintonizado mejorado para reducir el movimiento y la carga que resulta de las cargas de viento, las corrientes y las olas durante el funcionamiento.
Existe constancia de turbinas eólicas para convertir la energía eólica en energía eléctrica y estas proporcionan una fuente de energía alternativa para las compañías eléctricas. En tierra, se pueden colocar grandes grupos de turbinas eólicas, con frecuencia del orden de cientos de turbinas eólicas, juntas en una zona geográfica. Estos grandes grupos de turbinas eólicas pueden generar unos niveles de ruido indeseablemente altos y se pueden considerar estéticamente desagradables. Las turbinas eólicas terrestres pueden no disponer de un flujo óptimo de aire debido a obstáculos tales como colinas, bosques y edificios.
Los grupos de turbinas eólicas también pueden estar situados en el mar, aunque cerca de la costa, en ubicaciones donde la profundidad del agua permite una fijación firme de las turbinas eólicas a una cimentación en el lecho marino. Sobre el océano, es poco probable que el flujo de aire de las turbinas eólicas se vea perturbado por la presencia de diversos obstáculos (es decir, tales como colinas, bosques y edificios), lo que da como resultado unas velocidades medias del viento más elevadas y más electricidad. La cimentación necesaria para fijar las turbinas eólicas al lecho marino en estas ubicaciones cercanas a la costa es relativamente costosa, y únicamente se puede lograr a profundidades relativamente poco profundas, tal como a una profundidad de hasta unos 45 metros.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos ha determinado que los vientos de la costa de los Estados Unidos sobre agua que tiene una profundidad de 30 metros o más tienen una capacidad energética de aproximadamente 3.200 TWh/año. Esto equivale a aproximadamente el 90 por ciento de la energía total utilizada en los Estados Unidos, que es de aproximadamente 3.500 TWh/año. La mayor parte del recurso eólico marino se encuentra entre 37 y 93 kilómetros mar adentro, donde el agua tiene más de 60 metros de profundidad. Es posible que una cimentación fija para turbinas eólicas en aguas tan profundas no sea económicamente viable. Esta limitación ha llevado al desarrollo de plataformas flotantes para turbinas eólicas. Las plataformas flotantes de turbina eólica conocidas se pueden anclar al lecho marino con unas líneas de amarre y proporcionar cierta estabilidad a la torre y la turbina frente a las cargas externas de viento, las olas y la corriente, así como a las cargas asociadas con la dinámica de la turbina eólica montada en esta. No obstante, las plataformas flotantes de turbina eólica y la torre y la turbina montadas sobre estas aún pueden experimentar una inestabilidad no deseable debido a las cargas externas de viento, las olas, y el documento actual JP 2019508313 A divulga un sistema de amortiguador de masa sintonizado en combinación con una plataforma flotante de turbina eólica marina que comprende las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Por lo tanto, sería deseable proporcionar una plataforma FOWT con un sistema de amortiguador de masa sintonizado mejorado para reducir el movimiento y la carga resultantes de las cargas de viento, las corrientes y las olas durante el funcionamiento.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN
Esta invención hace referencia a un sistema de amortiguador de masa sintonizado (TMD) mejorado en combinación con una plataforma flotante de turbina eólica marina (FOWT) tal como se expone en la reivindicación 1 a continuación. Las características opcionales de la invención se exponen en las reivindicaciones dependientes.
Para aquellos que son expertos en la técnica serán evidentes diversos aspectos de esta invención a partir de la siguiente descripción detallada de la realización preferida, cuando se lee teniendo en cuenta los dibujos anexos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 es una vista en perspectiva de una plataforma FOWT con una turbina eólica montada en esta y con un sistema de amortiguador de masa sintonizado (TMD) mejorado de acuerdo con esta invención.
La figura 2 es una vista ampliada de una parte de la plataforma FOWT ilustrada en la figura 1, parcialmente en una sección transversal.
La figura 3 es una vista de una sección transversal alternativa de la plataforma FOWT ilustrada en las figuras La figura 4 es una vista en planta superior de una plataforma FOWT semisumergible que tiene una segunda realización del sistema TMD mejorado de acuerdo con esta invención.
La figura 5 es una vista de una sección transversal realizada a lo largo de la línea 5 - 5 de la figura 4.
La figura 6 es una vista en planta superior de una plataforma FOWT de patas tensionadas que tiene una tercera realización del sistema TMD mejorado de acuerdo con esta invención.
La figura 7 es una vista de una sección transversal realizada a lo largo de la línea 7 - 7 de la figura 6.
La figura 8 es una vista en planta superior de una plataforma FOWT de tiposparque tiene una cuarta realización del sistema TMD mejorado de acuerdo con esta invención.
La figura 9 es una vista de una sección transversal realizada a lo largo de la línea 8-8 de la figura 9.
La figura 10 es una vista de una sección transversal ampliada de la segunda realización del sistema TMD mejorado que se muestra en las figuras 4 y 5.
La figura 11 es una vista de una sección transversal ampliada de la tercera realización del sistema TMD mejorado que se muestra en las figuras 6 y 7.
La figura 12 es una vista de una sección transversal ampliada de la cuarta realización del sistema TMD mejorado que se muestra en las figuras 8 y 9.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA REALIZACIÓN PREFERIDA
Ahora se describirá la presente invención haciendo referencia ocasional a las realizaciones ilustradas de la invención. No obstante, esta invención se puede realizar de distintas formas y no se debe considerar que está limitada por las realizaciones expuestas en la presente, ni por ningún orden de preferencia. Más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta divulgación sea más completa y transmita el alcance de la invención a aquellos que son expertos en la técnica.
Las realizaciones de la invención que se divulgan a continuación proporcionan en general mejoras a diversos tipos de plataformas flotantes de turbina eólica marina (FOWT), tales como plataformas de tipo barcaza, plataformas de tipo sumergible o semisumergible, plataformas de tiposparde boya y plataformas de tipo de patas tensionadas. La invención incluye una plataforma FOWT con un sistema de amortiguador de masa sintonizado mejorado para reducir el movimiento y la carga durante el funcionamiento.
Tal como se utiliza en la presente, el término paralelo se define como en un plano esencialmente paralelo al horizonte. El término vertical se define como esencialmente perpendicular al plano del horizonte.
Haciendo referencia a los dibujos, en particular a las figuras 1 a 3, se muestra una primera realización de una plataforma FOWT 10 con un sistema de amortiguador de masa sintonizado (TMD) 34 mejorado desplegado en un cuerpo de agua BW y anclado al lecho marino (no se muestra). La plataforma FOWT 10 ilustrada es una realización de una plataforma de tipo barcaza e incluye una cimentación o casco 12 que soporta una torre 14. La torre 14 soporta una turbina eólica 16. El casco 12 es semisumergible y está estructurado y configurado para flotar, semisumergido, en el cuerpo de agua BW. En consecuencia, una parte del casco 12 estará por encima del agua cuando el casco 12 esté flotando en el cuerpo de agua BW. Tal como se muestra, una parte del casco 12 está por debajo de la línea de flotación WL. Tal como se utiliza en la presente, la línea de flotación WL se define como la línea aproximada donde la superficie del agua se encuentra con la plataforma FOWT 10. Las líneas de amarre convencionales (no se muestran) se pueden fijar a la plataforma FOWT 10 y fijar además a anclajes (no se muestran) en el lecho marino (no se muestra) para limitar el movimiento de la plataforma FOWT 10 en el cuerpo de agua BW.
Tal como se muestra en la realización ilustrada, el casco 12 está formado por cuatro patas del casco 18 que se extienden radialmente hacia fuera desde un elemento central 20 y proporcionan flotabilidad. Por tanto, el casco 12 tiene esencialmente forma de cruz. Una columna interior o central 22 se monta en el elemento central 20 y proporciona una plataforma sobre la que se monta la torre 14. Como alternativa, el casco 12 puede incluir tres patas del casco 18 o más de cuatro patas del casco 18. En la realización ilustrada, las patas del casco 18 tienen una longitud dentro del rango de aproximadamente 10 m a aproximadamente 75 m dependiendo del tamaño del turbina eólica comercial instalada.
Aunque el casco 12 de la plataforma FOWT tipo barcaza 10 tiene forma de cruz, se sobreentenderá que el sistema TMD 34 mejorado se puede utilizar en plataformas de tipo barcaza que tienen otras formas de casco, que incluyen, aunque sin carácter limitante, cascos que tienen formas rectangulares, cuadradas, redondas, ovaladas y otras formas geométricas.
En las realizaciones ilustradas en la presente, la turbina eólica 16 es una turbina eólica de eje horizontal. Como alternativa, la turbina eólica puede ser una turbina eólica de eje vertical convencional (no se muestra). El tamaño de la turbina 16 variará en función de las condiciones del viento en la ubicación donde se ancla la plataforma FOWT 10 y de la potencia de salida deseada. Por ejemplo, la turbina 16 puede tener una potencia de aproximadamente 10 MW. Como alternativa, la turbina eólica 16 puede tener una potencia dentro del intervalo de aproximadamente 1 MW a aproximadamente 20 MW.
La turbina eólica 16 puede ser convencional y puede incluir un buje rotativo 24. Al menos una pala 26 del rotor está acoplada a, y se extiende hacia fuera desde, el buje 24. El buje 24 está acoplado con la rotación permitida a un generador eléctrico (no se muestra). El generador eléctrico se puede acoplar por medio de un transformador (no se muestra) y un cable de alimentación subacuático (no se muestra) a una red eléctrica (no se muestra). En la realización ilustrada, el buje 24 tiene tres palas 26 de rotor. En otras realizaciones, el buje 24 puede tener más o menos de tres palas 26 de rotor.
Tal como se muestra en las figuras 2 y 3, la base 20 incluye una pared superior 20A que define una superficie superior, una pared inferior 20B y define además una cavidad central 28 con cuatro patas del elemento central que se extienden radialmente hacia fuera 30. Cada pata 30 incluye una pared final 30A que define una cara de conexión esencialmente vertical 32 a la que se fijan las cuatro patas del casco 18. Como alternativa, la base 20 puede incluir tres patas 30 del elemento central o más de cuatro patas 30 de la base, que se corresponde con el número de patas del casco 18.
Un TMD convencional es un mecanismo integrado con un cuerpo dinámico que utiliza una masa interna o externa y está vinculada con el cuerpo dinámico a través de un resorte y un amortiguador. El amortiguador se utiliza para reducir las respuestas no deseadas en el cuerpo dinámico configurando el amortiguador para que responda fuera de fase y a la frecuencia de la respuesta no deseada, un procedimiento que normalmente se denomina como amortiguamiento de masa sintonizada. La frecuencia natural del TMD se puede sintonizar seleccionando una combinación de masa y rigidez para la conexión entre el amortiguador y el cuerpo dinámico. La fase del amortiguador se puede sintonizar ajustando el amortiguamiento en el enlace entre el amortiguador de masa y el cuerpo dinámico. De manera conveniente, las realizaciones del TMD descrito e ilustrado en la presente utilizan el agua existente en las cámaras de lastre de agua en el casco, por ejemplo, en las patas del casco 18 o el agua externa a las patas del casco 18, como la masa, aire presurizado como el resorte y un orificio configurado para el amortiguamiento sintonizado.
El sistema TMD 34 mejorado, ilustrado en las figuras 1 a 3, incluye un TMD 36 de primera o baja frecuencia y un TMD 38 de segunda o alta frecuencia. El TMD 36 de baja frecuencia se forma en un extremo externo de cada una de las patas del casco 18 e incluye una primera cámara de lastre de agua 40 que tiene una primera tubería de amortiguador 42 situada en el centro y extendiéndose longitudinalmente, que se extiende desde un extremo superior de la primera cámara de lastre de agua 40 hacia un extremo inferior de la primera cámara de lastre de agua 40, pero que termina por encima de un suelo de la primera cámara de lastre de agua 40. La primera tubería de amortiguador 42 puede tener un diámetro dentro del rango de aproximadamente 1 m a aproximadamente 20 m, un primer extremo cerrado 42A (el extremo superior cuando se observan las figuras 2 y 3), y un segundo extremo abierto 42B (el extremo inferior cuando se observan las figuras 2 y 3). La cámara de presión de baja frecuencia 44 está situada en la pata del casco 18. En la realización ilustrada, la cámara de presión de baja frecuencia 44 está situada contigua a la primera cámara de lastre de agua 40. Como alternativa, la cámara de presión de baja frecuencia 44 puede estar situada en otras ubicaciones deseadas en la pata del casco 18. Una primera tubería de conexión 46 se extiende entre la cámara de presión de baja frecuencia 44 y una parte superior de la primera tubería de amortiguador 42.
De manera similar, el TMD 38 de alta frecuencia se forma en un extremo interno de cada una de las patas del casco 18 e incluye una segunda cámara de lastre de agua 48 que tiene una segunda tubería de amortiguador 50 situada en el centro y extendiéndose longitudinalmente, que se extiende desde un extremo superior de la hacia un extremo inferior de la segunda cámara de lastre de agua 48, pero que termina por encima de un suelo de la segunda cámara de lastre de agua 48. La segunda tubería de amortiguador 50 puede tener un diámetro considerablemente mayor que el diámetro de la primera tubería de amortiguador 42, tal como dentro del rango de aproximadamente 1 m a aproximadamente 20 m, un primer extremo cerrado 50A (el extremo superior cuando se observan las figuras 2 y 3) y un segundo extremo abierto 50B (el extremo inferior cuando se observan las figuras 2 y 3). En la pata del casco 18 también está situada una cámara de presión de alta frecuencia 52. En la realización ilustrada, la cámara de presión de alta frecuencia 52 está situada contigua a la segunda cámara de lastre de agua 48 y debajo de la primera cámara de lastre de agua 40. Como alternativa, la cámara de presión de alta frecuencia 52 puede estar situada en otras ubicaciones deseadas en la pata del casco 18. Una segunda tubería de conexión 54 se extiende entre la cámara de presión de alta frecuencia 52 y una parte superior de la segunda tubería de amortiguador 50.
Se monta una tubería de ventilación 56 en una superficie superior exterior de cada pata del casco 18. Cada tubería de ventilación 56 tiene una pluralidad de tuberías de ventilación de conexión 58 que conectan cada una de las primeras cámaras de agua 40 y las segundas cámaras de agua 48, y cada tubería de ventilación 56 termina en un extremo abierto de esta dentro de la columna central 22. En la realización ilustrada, dos tuberías de ventilación de conexión 58 están conectadas a, y en comunicación con, cada una de las primeras cámaras de agua 40 y las segundas cámaras de agua 48. Los extremos internos de las tuberías de ventilación 56 están conectados con un núcleo de ventilación central 60 dentro de la columna central 22. Las tuberías de ventilación 56 y las tuberías de ventilación de conexión 58 ventilan cada una de las primeras cámaras de agua 40 y las segundas cámaras de agua 48 a la atmósfera.
La presión de aire dentro de la cámara de presión de baja frecuencia 44 y la cámara de presión de alta frecuencia 52 puede estar dentro del intervalo de aproximadamente 1.0 psi a aproximadamente 50.0 psi, aunque preferentemente, la presión de aire dentro de la cámara de presión de alta frecuencia 52 es mayor que la presión de aire dentro de la cámara de presión de baja frecuencia 44. La presión de aire dentro de cada una de las cámaras de presión de baja frecuencia 44 y las cámaras de presión de alta frecuencia 52 es ajustable, y se puede fijar y cambiada mediante un compresor de aire (no se muestra) dentro de la plataforma FOWT 10.
Las primeras cámaras de agua 40 y las segundas cámaras de agua 48 pueden estar en comunicación fluida con una bomba de lastre (no se muestra) u otros medios para bombear o mover agua, lo que permite, por tanto, que las primeras cámaras de agua 40 y las segundas cámaras de agua 48 se llenen de agua, y que el volumen de agua en estas cambie según sea necesario.
La primera tubería de conexión 46 y la segunda tubería de conexión 54 pueden estar provistas de orificios ajustables, ilustrados de manera esquemática en 47 y 55, respectivamente, dentro de cada una de la primera tubería de conexión 46 y la segunda tubería de conexión 54. Los diámetros interiores de los orificios ajustables 47 y 55 se pueden ajustar según sea necesario, es decir, se pueden hacer más grandes o más pequeños, para un control activo del flujo de aire presurizado desde la cámara de presión de baja frecuencia 44 hasta la primera tubería de amortiguador 42 y desde la cámara de presión de alta frecuencia 52 hasta la segunda tubería de amortiguador 50. Los orificios ajustables 47 y 55 se pueden ajustar de manera manual o remota. Por tanto, se puede mantener una frecuencia deseada dentro del TMD 36 de baja frecuencia y el TMD 38 de alta frecuencia. Por ejemplo, la frecuencia dentro de la cámara de presión de baja frecuencia 44 y la cámara de presión de alta frecuencia 52 se encuentra preferentemente dentro del intervalo de aproximadamente .03 Hz a aproximadamente .33 Hz. Preferentemente, una frecuencia del TMD 38 de alta frecuencia es mayor que una frecuencia del TMD 36 de baja frecuencia. Por tanto, las características de amortiguamiento del TMD 38 de alta frecuencia y el TMD 36 de baja frecuencia se pueden controlar y ajustar cambiando la velocidad del flujo de aire a través de la segunda tubería de conexión 54 y la primera tubería de conexión 46, respectivamente.
De manera más específica, los TMD 36 y 38 se pueden controlar de manera activa para mitigar los efectos adversos del movimiento y la carga de la plataforma FOWT que resultan de las cargas de viento, las corrientes y las olas durante el funcionamiento en un intervalo de frecuencias.
Por ejemplo, el sistema TMD 34 puede estar provisto de un controlador montado en cualquier ubicación deseada en la plataforma FOWT 10. Preferentemente, un controlador que se proporciona como componente de la turbina eólica 16 se utiliza como controlador del TMD 34. No obstante, se sobreentenderá que el controlador utilizado para controlar el funcionamiento del sistema TMD 34 puede ser independiente del controlador de la turbina eólica 16.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 3, los orificios ajustables 47 y 55 pueden estar dotados de un sensor, tal como un sensor de posición, configurado para detectar el tamaño de los orificios 47 y 55 durante el funcionamiento y comunicar la posición detectada al controlador. Como alternativa, se pueden utilizar otros tipos de sensores, que incluyen, aunque sin carácter limitante, un sensor de flujo de fluido para medir el flujo de fluido a través de los orificios 47 y 55 durante el funcionamiento y comunicar el flujo de fluido detectado al controlador. Cada una de las cámaras de presión de baja frecuencia 44 y las cámaras de presión de alta frecuencia 52 pueden estar dotadas de un sensor de presión configurado para detectar la presión de aire en las cámaras de presión 44 y 52 durante el funcionamiento, y comunicar las presiones detectadas al controlador.
Asimismo, el casco 12 puede incluir una serie de sensores configurados para detectar un cambio de estado de la mar y comunicar el cambio de estado de la mar detectado al controlador. Algunos ejemplos de sensores de estado de la mar que se pueden disponer en el casco 12 incluyen, aunque sin carácter limitante, acelerómetros, inclinómetros y otros sensores de posición angular y células de carga. Los datos de este conjunto de sensores de cambio de estado de la mar se comunican al controlador. Un algoritmo dentro del controlador analiza los datos recibidos y posteriormente: (1) cambia una rigidez de los TMD 36 y 38 cambiando la presión del aire en las cámaras de presión 44 y 52, respectivamente, y/o (2) cambia una frecuencia de amortiguamiento de los TMD 36 y 38 cambiando el tamaño de los orificios 47 y 55, respectivamente, lo que cambia, por tanto, un volumen de flujo de aire a través de la primera tubería de conexión 46 y la segunda tubería de conexión 54.
Durante el funcionamiento, cada uno de los TMD 36 de baja frecuencia y los TMD 38 de alta frecuencia se pueden ajustar en función de la geometría del casco FOWT y las frecuencias deseadas para las que es deseable mitigar. De manera conveniente, el sistema TMD 34 de la plataforma FOWT 10 se puede utilizar para mitigar los movimientos en dos o más frecuencias. Tal como se muestra mejor en la figura 3, se puede establecer una presión de aire deseada en la cámara de presión de baja frecuencia 44 del TMD 36 de baja frecuencia. Esta presión de aire deseada se comunicará a la primera tubería de amortiguador 42 a través de la primera tubería de conexión 46 y, por tanto, determina un nivel de agua dentro de la primera tubería de amortiguador 42. El agua en la primera tubería de amortiguador 42 empuja contra el aire presurizado en la primera tubería de amortiguador 42 y, por tanto, actúa como un resorte. Debido a que el TMD 36 de baja frecuencia se forma en un extremo externo de cada una de las patas del casco 18, y está orientado verticalmente, proporciona un mayor brazo de palanca y es más eficaz para mitigar la escora, o la reducción del movimiento rotativo del casco 12.
De manera similar, se puede fijar una presión de aire deseada en la cámara de presión de alta frecuencia 52 del TMD 38 de alta frecuencia. Esta presión de aire deseada se comunicará a la segunda tubería de amortiguador 50 a través de la segunda tubería de conexión 54 y, por tanto, determina un nivel de agua dentro de la segunda tubería de amortiguador 50. El agua en la segunda tubería de amortiguador 50 empuja contra el aire presurizado en la segunda tubería de amortiguador 50 y, por tanto, actúa como un resorte. Debido a que el TMD 38 de alta frecuencia se forma en un extremo interno de cada una de las patas del casco 18, y se orienta verticalmente, es más eficaz mitigar el movimiento hacia arriba y hacia abajo, es decir, el movimiento vertical del casco 12.
Las figuras 4 y 5 ilustran una plataforma FOWT semisumergible 62 que tiene una segunda realización del sistema TMD mejorado, que se muestra de manera esquemática en 70. La plataforma FOWT semisumergible 62 incluye tres vigas flotantes 64, una columna vertical exterior 66 en un extremo externo de cada una de las vigas 64 y una columna vertical central 68 en un centro de la plataforma FOWT 62. Las vigas superiores 65 se pueden extender entre un extremo superior de la columna central 68 y un extremo superior de cada una de las columnas exteriores 66. Tal como se ilustra en la figura 5, el sistema TMD 70 incluye una cámara de agua 72 y una cámara de presión que tiene un amortiguador de orificio 74. En la realización ilustrada, cada una de las vigas 64 tiene un sistema TMD orientado horizontalmente 70 en su interior, y cada una de las columnas, 66 y 68, tiene un sistema TMD orientado verticalmente 70 en su interior.
Las figuras 6 y 7 ilustran una plataforma FOWT de pata tensionada 76 que tiene una tercera realización del sistema TMD mejorado, que se muestra de manera esquemática en 84. La plataforma FOWT de pata tensionada 76 incluye tres vigas flotantes 80 y una columna central vertical 78 en el centro de la plataforma FOWT 76. Un diafragma flexible e impermeable al agua 82 se forma en una superficie inferior de cada viga 80 y está en contacto con el agua 86 en la que se despliega la plataforma FOWT de pata tensionada 76. Tal como se ilustra en la figura 7, el sistema TMD 84 incluye el diafragma 82 y una cámara de presión que tiene un amortiguador de orificio 84. En lugar de una cámara de agua, el agua 86 que actúa contra el diafragma 82 hace la función de masa para el TMD 84. El diafragma 82 se puede mover en respuesta a la presión de aire en la cámara de presión 84. En la realización ilustrada, cada una de las vigas 80 tiene un sistema TMD 84 orientado verticalmente en su interior.
Las figuras 8 y 9 ilustran una plataforma FOWT de tipospar86 que tiene una cuarta realización del sistema TMD mejorado, que se muestra de manera esquemática en 94. La plataforma FOWT de tipospar86 incluye una base 90 y un mástil vertical 92 que se extiende hacia fuera y hacia arriba desde esta. Tal como se ilustra en la figura 9, el sistema TMD 94 es esencialmente el mismo que el sistema TMD 70 e incluye una cámara de agua 96 y una cámara de presión que tiene un amortiguador de orificio 98. En la realización ilustrada, el sistema TMD 94 está orientado horizontalmente dentro de la base 90.
Haciendo referencia ahora a la figura 10, se muestra un ejemplo del sistema TMD 70. El sistema TMD 70 se muestra dentro de una columna vertical exterior 66. No obstante, se sobreentenderá que el sistema TMD 70 se puede formar en cualquiera de las vigas 64 y la columna vertical central 68. El sistema TMD 70 incluye una cámara de agua de lastre 100 y una cámara de presión 102. Entre la cámara de agua de lastre 100 y la cámara de presión 102 se extiende una tubería de amortiguador 104 y tiene un orificio que define un amortiguador de orificio 106 formado en su interior para controlar una cantidad de aire presurizado dentro de la tubería de amortiguador 104. La tubería de amortiguador 104 puede tener un diámetro dentro del intervalo de aproximadamente 1 m a aproximadamente 20 m.
Entre la cámara de agua de lastre 100 y la atmósfera exterior de la columna 66 se extiende una tubería de ventilación 108, que ventila, por tanto, la cámara de agua de lastre 100 a la atmósfera.
Haciendo referencia ahora a la figura 11, se muestra un ejemplo del sistema TMD 84. El sistema TMD 84 se muestra dentro de una viga horizontal 64 de la plataforma FOWT semisumergible 62. No obstante, se sobreentenderá que el sistema TMD 84 también se puede formar en la base 90 del sistema TMD 94. El sistema TMD 84 incluye una cámara de agua de lastre 110 y una cámara de presión 112. Entre la cámara de agua de lastre 110 y la cámara de presión 112 se extiende una tubería de amortiguador 114 y tiene un orificio que define un amortiguador de orificio 116 formado en un primer extremo de este (el extremo más a la derecha cuando se observa la figura 11) para controlar una cantidad de aire presurizado dentro de la tubería de amortiguador 114. En la tubería de amortiguador 114 se forma un diafragma flexible e impermeable al agua 118 cerca de un segundo extremo de esta (el extremo más a la izquierda cuando se observa la figura 11). El diafragma 118 se puede mover contra una fuerza ejercida por el agua en la tubería de amortiguador 114 en respuesta a la presión de aire en la tubería de amortiguador 114. La tubería de amortiguador 114 puede tener un diámetro dentro del intervalo de aproximadamente 1 m a aproximadamente 20 m.
Haciendo referencia ahora a la figura 12, se muestra un ejemplo del sistema TMD 94. El sistema TMD 94 se muestra dentro de una viga 80 de la plataforma FOWT de pata tensionada 76. El sistema TMD 94 incluye una cámara de presión 120 que tiene un orificio que define un amortiguador de orificio 122 formado en su interior, que controla una cantidad de aire presurizado dentro de la cámara de presión 120. En un extremo de la cámara de presión 120 se forma un diafragma flexible e impermeable al agua 124 y separa la cámara de presión 120 del agua fuera de la viga 80. El diafragma 124 se puede mover contra una fuerza ejercida por el agua en el cuerpo de agua BW, en respuesta a la presión del aire en la cámara de presión 120.
Aunque se describe en el contexto de una plataforma FOWT de pata tensionada, el sistema TMD 94 descrito en la presente se puede configurar para ser utilizado con cualquiera de las realizaciones de las plataformas FOWT descritas e ilustradas en la presente.
De manera conveniente, cualquier realización del sistema TMD 34 descrito e ilustrado en la presente se puede utilizar a la hora de abordar las respuestas y características de la plataforma FOWT que impulsan el diseño, que incluyen, aunque sin carácter limitante: (1) el ángulo de escora del sistema, donde el ángulo de escora dinámico del sistema TMD es un criterio habitual que impulsa el diseño, que afecta a la robustez del diseño estructural no solo en las FOWT, sino también en plataformas flotantes en alta mar en general. Se ha demostrado que la implementación de tecnologías de amortiguación de masa, tal como el sistema TMD 34 en el casco de una plataforma FOWT, disminuye el movimiento dinámico de escora. La reducción en el movimiento de escora se correlaciona con una reducción de las cargas tanto de fatiga como de rotura en diversos componentes estructurales del casco 12, la torre 14 y la turbina eólica 16 montada en esta; (2) el movimiento de subida y bajada del sistema, donde la utilización de un<t>M<d>en una plataforma FOWT reducirá la respuesta al movimiento de subida y bajada (vertical) de la plataforma. Esto puede permitir que los cascos FOWT se diseñen con menos preocupación en las frecuencias de carga de la turbina y el entorno; (3) los armónicos forzados de la turbina, donde el daño a fatiga debido a las cargas armónicas de la turbina asociadas con la rotación de las palas es una consideración prominente en el diseño de una torre de turbina eólica. Debido a que dicha fatiga se produce a frecuencias conocidas, se puede utilizar un TMD para mitigar la carga y, por lo tanto, mejorar el rendimiento a fatiga, y (4) las respuestas debidas al entorno de olas, donde los TMD dentro de un casco de plataforma FOWT se pueden configurar de modo que tenga como objetivo una respuesta a ciertas frecuencias de las olas y, por tanto, pueden mitigar las respuestas dinámicas y estructurales asociadas con las olas.
Se han explicado e ilustrado el principio y el modo de funcionamiento de esta invención. No obstante, se debe sobreentender que esta invención se puede llevar a la práctica de otra manera diferente a la que se explica e ilustra en particular, sin alejarse del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de amortiguador de masa sintonizado (TMD) (34) en combinación con una plataforma flotante de turbina eólica marina (FOWT) (10) que comprende:
una plataforma FOWT (10) que tiene un centro (20), al menos tres patas (18) que se extiendan radialmente desde el centro, y está configurada para tener una torre de turbina eólica montada sobre esta;
un sistema TMD (34), una parte del cual está montada en cada una de las patas (18), teniendo cada pata (18):
un primer TMD (36) en un extremo externo de cada pata (18) y configurado para funcionar a una primera frecuencia; y
un segundo TMD (38) en un extremo interno de cada pata (18) configurado para funcionar a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia;
caracterizado por que:
el primer TMD (36) incluye:
una primera cámara de lastre de agua (40) que define una masa del primer TMD (36);
una primera cámara de presión (44) dentro de cada pata (18) conectada con una fuente de aire presurizado y con una presión de aire superior a la presión atmosférica;
una primera tubería de amortiguador (42) con un primer extremo cerrado (42A) y un segundo extremo abierto (42B), donde el primer extremo se fija a un extremo superior de la primera cámara de lastre de agua (40), extendiéndose la primera tubería de amortiguador (42) hacia un suelo de la primera cámara de lastre de agua (40), de modo que el segundo extremo (42B) esté separado una distancia del suelo de la primera cámara de lastre de agua (40); y una primera tubería de conexión (46) que se extiende entre la primera cámara de presión (44) y una parte superior de la primera tubería de amortiguador (42), estando configurada la primera tubería de conexión (46) para el flujo de aire presurizado a través de esta; y
el segundo TMD (38) incluye:
una segunda cámara de lastre de agua (48) que define una masa del segundo TMD (38);
una segunda cámara de presión (52) dentro de cada pata (18) conectada con una fuente de aire presurizado y con una presión de aire superior a una presión de aire dentro de la primera cámara de presión (44);
una segunda tubería de amortiguador (50) con un primer extremo cerrado (50A) y un segundo extremo abierto (50B), donde el primer extremo se fija a un extremo superior de la segunda cámara de lastre de agua (48), extendiéndose la segunda tubería de amortiguador (50) hacia un suelo de la segunda cámara de lastre de agua (48), de modo que el segundo extremo (50B) esté separado una distancia del suelo de la segunda cámara de lastre de agua (48); y una segunda tubería de conexión (54) que se extiende entre la segunda cámara de presión (52) y una parte superior de la segunda tubería de amortiguador (50), estando configurada la segunda tubería de conexión (54) para el flujo de aire presurizado a través de esta;
donde la primera tubería de conexión (46) y la segunda tubería de conexión (54) incluyen un orificio ajustable (47, 55), y donde se puede ajustar un diámetro interior de los orificios ajustables (47, 55) para el control activo del flujo de aire presurizado desde la primera cámara de presión (44) y la segunda cámara de presión (52), respectivamente.
2. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 1, donde al menos uno de los primeros y segundos TMD (36, 38) está configurado para mitigar al menos uno del movimiento de subida y bajada, el movimiento de escora, las cargas armónicas de la turbina y las cargas del entorno de olas de la plataforma Fo WT (10).
3. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 1, donde al menos uno de los primeros y segundos TMD (36, 38) está configurado para permitir que la plataforma FOWT (10) funcione de manera eficaz a las frecuencias naturales de la escora y la subida y bajada del cuerpo rígido dentro de su intervalo de energía de las olas previsto.
4. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 1, donde la plataforma FOWT (10) es una plataforma de tipo barcaza (10) que tiene un casco (12) que comprende un elemento central y cuatro patas (18) fijadas a esta y que define una forma de cruz.
5. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 4, donde al menos uno de los primeros y segundos TMD (36, 38) está configurado para mitigar al menos uno del movimiento de subida y bajada, el movimiento de escora, las cargas armónicas de la turbina y las cargas del entorno de olas de la plataforma F<o>WT (10).
6. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 5, donde al menos uno de los primeros y segundos TMD (36, 38) está configurado para permitir que la plataforma FOWT (10) funcione de manera eficaz a las frecuencias naturales de la escora y la subida y bajada del cuerpo rígido dentro de su intervalo de energía de las olas previsto.
7. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 1, donde el sistema TMD (34) incluye, además:
un controlador fijado a la plataforma FOWT (10);
un sensor de estado de la mar montado en la plataforma FOWT (10) y conectado de manera operativa con el controlador;
un sensor de posición conectado con cada uno de los orificios ajustables (47, 55) dentro de la primera y segunda tubería de conexión (46, 54), y conectado de manera operativa con el controlador; y
un sensor de presión conectado con cada una de la primera y segunda cámara de presión (44, 52) y conectado de manera operativa con el controlador;
donde el controlador está configurado para controlar activamente una frecuencia de funcionamiento del primer y segundo TMD (36, 38) en función de la entrada del sensor de estado de la mar.
8. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 7, donde el control activo de la frecuencia de funcionamiento de los primeros y segundos TMD (36, 38) incluye al menos uno de un cambio de rigidez de los primeros y segundos TMD (36, 38) cambiando la presión de aire en las primeras y segundas cámaras de presión (44, 52), respectivamente, y un cambio de la frecuencia de amortiguamiento de los primeros y segundos TMD (36, 38) cambiando el tamaño de los orificios ajustables dentro de las primeras y segundas tuberías de conexión (46, 54), lo que cambia, por tanto, un volumen de flujo de aire a través de las primeras y segundas tuberías de conexión (46, 54).
9. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 1, donde la primera cámara de presión (44) está configurada como una cámara de presión de baja frecuencia y la segunda cámara de presión (52) está configurada como una cámara de presión de alta frecuencia.
10. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 9, donde el primer TMD (36) está configurado para al menos uno de mitigar el escora y reducir el movimiento rotativo del casco (12).
11. El sistema TMD (34) en combinación con una plataforma FOWT (10) de acuerdo con la reivindicación 10, donde el segundo TMD (38) está configurado para mitigar el movimiento vertical del movimiento hacia arriba y hacia abajo del casco (12)
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