PT107606A - Plataforma flutuante estabilizada por amarrações tensionadas para gerador de energia eólica com flutuadores de betão armado e câmara de amarração visitável - Google Patents

Abstract

A INVENÇÃO É UM NOVO TIPO DE PLATAFORMA FLUTUANTE ESTABILIZADA POR AMARRAÇÕES (2) TENCIONADAS PARA SUPORTE A GERADOR DE ENERGIA EÓLICA A INSTALAR NO MAR. ELA DIFERENCIA-SE POR A SOLUÇÃO ESTRUTURAL GARANTIR QUE OS FLUTUADORES (1) SE ENCONTRAM SEMPRE COMPRIMIDOS POR FORÇAS EXTERNAS E SEMPRE SUBMERSOS, PODENDO-SE ASSIM UTILIZAR NA SUA CONSTRUÇÃO UM MATERIAL ECONÓMICO COMO O BETÃO ARMADO. PARA GARANTIR ISTO AS AMARRAÇÕES (2) ATRAVESSAREM OS FLUTUADORES LIGANDO À ESTRUTURA ACIMA DESTES, CRIANDO-SE ASSIM DESTE MODO NA CÂMARA DE AMARRAÇÃO (3) UMA BOLHA DE AR COMPRIMIDO QUE PERMITE QUE ESTA CÂMARA FUNCIONE COMO UMA CAMPÂNULA DE MERGULHO E PORTANTO SEJA VISITÁVEL. ALIÁS, A PLATAFORMA É CONCEBIDA DE MODO A QUE TODO O SEU INTERIOR SEJA VISITÁVEL O QUE FACILITA A SUA CONSTRUÇÃO E MANUTENÇÃO.

Description

DESCRIÇÃO

PLATAFORMA FLUTUANTE ESTABILIZADA POR AMARRAÇÕES TENSIONADAS PARA GERADOR DE ENERGIA EÓLICA COM FLUTUADORES DE BETÃO ARMADO E CÂMARA DE AMARRAÇÃO VISITÁVEL

Domínio técnico e introdução A energia eólica é actualmente considerada como um dos tipos de energia renovável mais viável. Contudo, em muitos parses não existem em terra locais adequados à sua implantação, ou os locais apropriados já se encontram todos ocupados. Adicionalmente, no mar o vento atinge velocidades superiores e é mais estável. Estas melhores condições de vento permitem o aproveitamento em pleno dos novos grandes geradores eólicos (com potências de 5 a 8 MW) que são mais rentáveis. Todavia, muitos parses costeiros não têm suficiente área de mares pouco profundos para a instalação dos geradores eólicos directamente apoiados ao fundo do mar ou o tipo de geologia nas áreas existentes inviabiliza este tipo de instalação, torna-se portanto necessário recorrer a soluções de apoio flutuantes.

Estado da técnica e problema a resolver

Actualmente as soluções existentes para as plataformas flutuantes têm um custo muito elevado e por este motivo existe apenas um pequeno número de eólicas flutuantes experimentais. É portanto importante que o custo de construção e de manutenção destas plataformas seja reduzido de modo a que a sua viabilidade económica seja possível.

As plataformas flutuantes para a geração de energia eólica são geralmente classificadas em três tipos básicos, de acordo com o método principal de estabilização da plataforma: estabilizadas por balastro, estabilizadas pelo plano de água e estabilizadas por amarrações tencionadas (Offshore Standard, DNV-OS-J103). A plataforma flutuante proposta é do tipo estabilizada por amarrações tencionadas (TLP). Este tipo de plataformas caracteriza-se por ter uma capacidade de flutuação muito alta o que origina uma tensão muito elevada nas suas amarrações (os tendões). Quando a estrutura tende a inclinar a tensão em alguns dos tendões aumenta e noutros diminui. A distância na horizontal entre os tendões sobrecarregados e os tendões relaxados é o principal mecanismo de estabilização da estrutura porque se gera um momento que a tende a estabilizar. 0 tipo de ancoragem mais comum neste tipo de plataforma são as âncoras de gravidade, porque o elevado peso destas garante uma elevada capacidade de resistir aos esforços verticais a que estão sujeitas.

Como já foi referido, neste tipo de plataformas as amarrações (os tendões) tendem a estar submetidos a esforços muito elevados, mas o seu comprimento tende a ser bastante menor do que nas outras soluções, devido a estes serem verticais. Geralmente, os tendões podem ser de três tipos, cabos de aço, cordas de fibras sintéticas ou tubos de aço. Estes três tipos de cabos podem ser combinados.

Descrição das figuras

Figura 1 - Esquema da plataforma flutuante proposta incluindo a turbina eólica e o sistema de ancoragem.

Figura 2 - Detalhe da plataforma flutuante.

Figura 3 - Detalhe de um dos flutuadores e respectiva câmara de amarração com um corte que permite a visualização do seu anterior.

Figura 4 - Detalhe de uma das ancoragens com um corte que permite a visualização do seu anterior.

Descrição da invenção A redução dos custos de construção e manutenção da plataforma é principalmente conseguida devido à utilização do betão armado nos flutuadores (1) e nas ancoragens (4). A estrutura é concebida de modo a se garantir que o betão se encontra sempre comprimido por forças exteriores e sempre submerso. 0 betão sob compressão é particularmente eficiente como material estrutural sendo a sua utilização muito mais económica do que o aço. Esta compressão implica que caso alguma fenda se desenvolva essa fenda permanece fechada. A compressão por forças externas é importante para que se evite a sua dissipação, como acontece com sistemas internos de compressão do tipo pré-esforço. A não utilização de sistemas de pré-esforço também diminui bastante as necessidades de manutenção da estrutura. A necessidade de manter o betão sempre submerso é importante para evitar a sua degradação e assim limitar os custos de manutenção.

Os custos de construção e manutenção da plataforma são também reduzidos pelo facto de todo o interior da estrutura ser visitável o que facilita a sua construção e manutenção. Aliás na construção naval a tendência das novas normas da International Maritime Organization (IMO) tem sido cada vez impor mais áreas visitáveis no interior das embarcações (IMO MSC.215(82)).

Geralmente as plataformas do tipo TLP são consideradas como o tipo de plataforma mais dificeis de instalar (fundear) devido à grande precisão com que as ancoragens (4) têm de ser posicionadas. Como na nossa solução as câmaras de amarração (3) são visitáveis o comprimento das amarrações (2) pode ser ajustado durante a sua instalação. Esta possibilidade facilitará bastante a instalação e consequentemente reduzirá os seus custos.

Os principais elementos que contribuem para a elevada capacidade de flutuação da plataforma são os três flutuadores de betão armado (1). Estes flutuadores têm uma forma esférica de modo a maximizar o seu volume com a menor superfície possivel de parede. 0 fundo dos flutuadores é plano de modo a facilitar o apoio da estrutura no estaleiro, num porto, e no fundo do mar (caso necessário). Esta zona plana é também necessária para fazer a transição da forma esférica exterior para a forma cónica do interior do flutuador. A abertura em forma cónica permite que a ancoragem (2) atravesse o flutuador (1) e permite também que esta oscile, esta oscilação é essencial para a estabilidade deste tipo de plataforma.

As ancoragens atravessam os flutuadores e vão ligar à estrutura metálica na câmara de amarração (3). Garantindo-se assim a compressão dos flutuadores de betão armado sob desta. 0 facto desta câmara (3) se encontrar fechada provoca que se crie uma bolha de ar comprimido e portanto a câmara de amarração funciona como uma campânula de mergulho. No entanto, como os flutuadores não atingem uma grande profundidade a pressão de ar nesta câmara (3) será pequena (cerca de duas atmosferas). Devido à necessidade de manter o ar comprimido na câmara de amarração (5), ela liga ao resto da estrutura através de uma câmara de compressão/descompressão (5) através de uma porta estanque. Na câmara de compressão/descompressão (5) existem mais 4 portas estanques: o acesso ao interior do flutuador (1) o acesso a cada um dos dois tubos horizontais (6) da treliça e o acesso ao tubo inclinado da treliça (7) . Esta câmara permite portanto a divisão da plataforma em secções estanques, evitando-se assim o alastramento de uma possível inundação de uma destas secções. A câmara de compressão/descompressão (5) serve também para reforçar a ligação entre os tubos da treliça (6 e 7) e a câmara de amarração (3).

Na câmara de compressão/descompressão (5) são instalados os compressores de ar, os ventiladores e as bombas de água. Os compressores de ar são importantes para permitir o equilíbrio de pressões necessário à abertura da porta estanque que dá acesso à câmara de amarração (3). Se houver o perigo de embolia a descida de pressão deve ser feita lentamente. Estes compressores de ar permitem também manter a pressão de ar dentro da câmara de amarração que, por não ser 100% estanque tenderá a ir perdendo ar. Os ventiladores são necessários porque o ar nas câmaras estanques tem de ser renovado. Estes ventiladores servem também para ajudar a controlar o nível da humidade relativa dentro das várias partes da estrutura. As bombas de água servem para bombear água para fora da estrutura caso haja uma perda de estanquidade. Nos flutuadores, o circuito das bombas pode ser invertido de modo a bombear água para o interior destes que funcionará como lastro. Este lastro é necessário durante a instalação da plataforma e durante a sua qualquer operação que exija uma correcção da posição vertical da plataforma ou da sua inclinação.

As três câmaras de amarração (3) e portanto também os três flutuadores (1) são ligados à plataforma de base (8) da torre eólica (9) através de uma treliça espacial de aço, de forma piramidal, composta por três tubos horizontais (6) e três tubos inclinados (7).

As ancoragens da plataforma (4) são também em betão armado. Tal como nos flutuadores também neste caso as amarrações (2) atravessam a âncora através de um orifício e vão ligar à base de modo a comprimir a estrutura de betão. Estes orifícios são tapados por tampas em PVC (11) que impedem a deposição de sedimentos nestes orifícios. A ligação entre a amarração e o betão armado é do mesmo tipo das ligações usadas em pontes para cabos de pré-esforço ou tirantes, com as devidas adaptações ao meio aquático. A ancoragem de betão armado é oca de modo a poder flutuar até á localização onde vai ser fundeada. Este espaço oco (10) é depois cheio de balastro de areia, pedras e água de modo a que seja mobilizado suficiente peso para resistir às elevadas tracções nas amarrações (2). Como existirá um equilíbrio da pressão de água entre o interior e o exterior da ancoragem as paredes de betão ficarão sujeitas a um estado multi-axial de compressão o que favorecerá a sua resistência e durabilidade.

Nas imagens anexas, a geometria apresentada diz respeito a uma solução dimensionada para um gerador eólico (9) de 8 MW de potência máxima (tipo Vestas V164-8.0) e para uma profundidade do fundo do mar entre cerca de 50 e 150 m.

Construção, instalação e manutenção da plataforma A plataforma e as ancoragens podem ser construídas numa doca seca do tipo correntemente usado em estaleiros navais. A plataforma é suficientemente pequena para que várias possam ser construídas ao mesmo tempo no mesmo estaleiro. Partes da plataforma podem ser construídas fora da doca e depois adicionadas ao resto da estrutura.

As ancoragens de betão armado (4), sem balastro, ou apenas com uma pequena quantidade de lastro para melhorar a sua flutuabilidade são primeiro rebocadas para o local de instalação da plataforma, conjuntamente com as suas respectivas amarrações (2). Chegadas ao local escolhido, mais água é bombeada para o interior das ancoragens de modo a que estas afundem e lentamente assentem no fundo do mar. Posteriormente o balastro de areia e pedra é vazado para o interior das ancoragens através de um tubo. Após mobilizado todo o peso da ancoragem, serão monitorizados os eventuais assentamentos e deslizamentos a que esta será sujeita. A ligação da plataforma à ancoragem apenas será feita quando estes movimentos já não forem significativos. Na ponta superior do cabo de amarração (2) existe um cabo ligado a uma bóia de modo a facilitar a ligação à plataforma.

Apesar da plataforma em situação normal de serviço se comportar como uma TLP ela pode funcionar como um semi--submergível, ser directamente assente no fundo do mar ou fundeada num porto. Esta adaptabilidade da plataforma é particularmente importante durante a sua instalação e manutenção.

Bombeando água para o interior dos flutuadores a plataforma pode flutuar como uma embarcação, podendo portanto ser rebocada. A plataforma pode ser rebocada com a eólica já instalada ou por instalar, conforme for considerado mais favorável. Se a plataforma for rebocada sem a eólica esta pode ser instalada numa zona de água pouco profunda ou num porto perto da localização final da plataforma. Neste caso será bombeada ainda mais água para o interior dos flutuadores de modo a que a plataforma assente no fundo do mar ou no porto onde será instalada a eólica.

Lisboa, 26 de Agosto de 2014

Claims (1)

1. REINVIDICAÇÕES 1 - Plataforma flutuante do tipo estabilizada por amarrações tencionadas para gerador de energia eólica que se caracteriza por os cabos de amarrações (2) atravessarem os flutuadores através de um orifício de forma cónica, indo ligar às câmaras de amarração (3) que se situam sobre estes, de modo inverso, nas âncoras de gravidade (4) o cabos de amarração também as atravessa através de um orifício indo ligar à base destas, este orifício é coberto por uma tampa de PVC (11) de modo a evitar a deposição de sedimentos na parte oca do seu interior. Lisboa, 26 de Agosto de 2014