PT1881927E

PT1881927E - Dispositivo de ancoragem para instalações de turbinas eólicas flutuantes

Info

Publication number: PT1881927E
Application number: PT67476317T
Authority: PT
Inventors: Dagfinn Sveen
Original assignee: Hywind As
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2013-08-27
Also published as: CN101193792A; EP1881927A4; CA2608233C; NO325261B1; CN101193792B; JP2008540902A; KR20080017337A; WO2006121337A1; CA2608233A1; NO20052261D0; EP1881927B1; EP1881927A1; ES2424834T3; US20090092449A1; NO20052261L; JP5011279B2

Description

ΡΕ1881927 1

DESCRIÇÃO

"DISPOSITIVO DE ANCORAGEM PARA INSTALAÇÕES DE TURBINAS EÓLICAS FLUTUANTES" A presente invenção refere-se a um dispositivo de ancoragem para uma instalação de turbina eólica flutuante, tal instalação da turbina eólica compreende uma célula flutuante, uma torre disposta sobre a célula flutuante, um gerador montado na torre que é rotativo em relação à direcção do vento e equipado com um rotor eólico, e um dispositivo de cabos de ancoragem ligado a âncoras no fundo do mar. A vantagem de utilizar turbinas eólicas flutuantes é que isso permite um acesso quase ilimitado a zonas de instalação, uma vez que podem ser utilizadas zonas de mar relativamente profundas.

Normalmente, as turbinas eólicas estão dispostas de tal modo que o rotor está virado para o vento, com a torre posicionada a jusante da direcção do vento. Isto serve para evitar que o fluxo de vento seja perturbado antes da sua passagem através do rotor, o que poderia, de outra forma, conduzir à perda de energia e a impulsos e vibrações disruptivas na turbina. 2 ΡΕ1881927

Para controlar isto, é necessária a correcção da direcção activa da turbina em torno do eixo vertical da torre quando a direcção do vento muda. Isto é normalmente conseguido providenciando um aro de rolamento rotativo com uma solução de anel e pinhão entre a parte superior da torre e a nacela. 0 movimento de guinada é realizado por um sistema que regista a direcção do vento e automaticamente acciona o pinhão de um motor para fazer o rotor girar na direcção do vento.

Isto funciona bem quando a torre está numa base fixa, como em instalações em terra e instalações em mar de águas pouco profundas.

Quando a torre é montada num suporte flutuante, é necessário garantir resistência suficiente à rotação em volta do eixo vertical, de modo que seja efectuada a rotação activa da nacela, em vez de toda a instalação rodar demasiado quando a turbina eólica está sujeita a cargas de vento obliquas. A resistência à rotação é proporcionada por cabos de ancoragem que são pré-tensionados com uma força especifica. Quando os cabos de ancoragem são fixados directamente a uma construção cilíndrica estreita, então, como descrito abaixo, isto dá pouca resistência à rotação já que o cabo de ancoragem está ligado perto do eixo de 3 ΡΕ1881927 rotação. A resistência à rotação ocorre quando a torre é rodada a partir da sua posição de equilíbrio e ocorre um braço de endireitamento como uma função do ângulo (a) e do raio (r) desde o eixo de rotação até ao ponto de fixação do cabo. 0 braço de endireitamento (a) é, neste caso: a = sen(a) x r A força de endireitamento corresponde à componente normal Fn no eixo de rotação da pré-tensão no cabo, e o momento de endireitamento é então:

Mr=Fnxa=Fnx sen (a) x r 0 momento de resistência contra a rotação é assim, como acima mostrado, uma função do seno, com um máximo a 90° (ver abaixo). Em pequenos ângulos de rotação a resistência à rotação vai agir como uma mola de rotação linear. A partir da Patente US N°. 3 082 608 uma plataforma ancorada de desenho triangular foi anteriormente divulgada. A partir de cada canto, de preferência num ângulo de 20°, duas correntes ou dois cabos são estendidos e são ligados a grandes pesos dispostos no fundo do mar, enquanto que a partir de cada peso outros cabos de ancoragem estendem-se a âncoras pesadas localizadas mais afastadas da plataforma. 0 objectivo desta solução é principalmente uma solução de ancoragem destinada a 4 ΡΕ1881927 eliminar o movimento da plataforma causado pelas ondas. A solução irá proporcionar resistência à rotação, mas será inadequada para ancorar uma turbina eólica flutuante cilíndrica estreita, porque pressupõe que há uma grande distância entre os três pontos de fixação dos cabos de ancoragem. A solução conhecida baseia-se num sistema de ancoragem sob tensão, que gera grandes forças dinâmicas nos cabos de ancoragem. Além disso, a solução de ancoragem é muito pesada e complexa, o que, por sua vez, exige elevados custos de fabricação e de instalação. 0 documento US 5.476.059 divulga um potenciador do torque para um sistema de alto mar, em que uma torre é ancorada por meio de dispositivos de cadeia catenária para ajudar a minimizar a rotação da torre quando a embarcação cata o vento. O documento W02004/104411 divulga um dispositivo para a ancoragem de uma estrutura flutuante que compreende um braço de amarração rotativamente disposto em cada extremidade, em que cada braço de amarração tem, na sua extremidade livre, uma bucha através da qual as correntes de ancoragem ou cabos podem passar. A corrente de ancoragem que atravessa uma das buchas é fixada à extremidade oposta da estrutura. A presente invenção proporciona uma solução para ancorar uma instalação de turbina eólica flutuante através da qual é possível aumentar significativamente a 5 ΡΕ1881927 resistência inicial à rotação em torno do eixo vertical. Além disso, proporciona uma solução que é extremamente simples e pode ser utilizada para ancorar instalações de turbinas eólicas em águas muito profundas. A presente invenção proporciona uma instalação de turbina eólica flutuante de acordo com a reivindicação 1.

As reivindicações anexas 2-8 definem caracteristicas vantajosas da invenção. A invenção será ainda descrita por meio de um exemplo e com referência às figuras anexas em que: a Fig. 1 mostra um esboço em perspectiva de uma turbina eólica flutuante com um dispositivo de ancoragem de acordo com a presente invenção, a Fig. 2 mostra um esboço do esqueleto do dispositivo de ancoragem em relação com a invenção mostrada na Fig. 1 e a Fig. 3 mostra um diagrama no qual a resistência à rotação (momento de rotação) é calculada com base no ângulo de rotação para um sistema de ancoragem convencional em comparação com a presente invenção.

Como foi mencionado, a Fig. 1 mostra um esboço em perspectiva de uma instalação de turbina eólica flutuante 6 ΡΕ1881927 1, com um dispositivo de ancoragem 6 de acordo com a invenção. A turbina eólica inclui, para além dos cabos de ancoragem 11, uma célula flutuante 7 de preferência circular e alongada, uma torre 8 montada na célula flutuante 7 e, na parte superior da torre, um gerador 9, que pode ser rodado em relação à direcção do vento, suportando um rotor eólico 10. A forma alongada foi seleccionada a partir do desejo de alcançar menor deslocamento com boa estabilidade e, portanto, um efeito mínimo a partir do vento e das ondas. Os pesos 12 podem ainda ser vantajosamente dispostos nos cabos de ancoragem para criar a tensão necessária nos mesmos.

Como é mais evidente a partir do dispositivo dos cabos de ancoragem 6 mostrado na Fig. 2, três cabos de ancoragem 11 foram utilizados com intervalos de 120° . Os cabos de ancoragem individuais 11 sao, cada um, fixados numa extremidade às âncoras ou pontos de ancoragem no fundo do mar (não mostrado) e, na outra extremidade, a uma certa distância da célula flutuante 7, num ponto de fixação 5, eles estão ligados a dois cabos 2 e 3 que estão inclinados para o exterior e estão fixados à célula flutuante 7 a pares de suportes 4 dispostos em conjunto. Cada um dos cabos de ancoragem 11 forma com estes um padrão em forma de delta ou bifurcação em forma de Y em/para o ponto de fixação na célula flutuante 7. Neste contexto deve-se notar que, embora o exemplo utilize um cabo 2 e um cabo 3, cada um estendendo-se no mesmo ângulo em relação aos respectivos suportes de fixação 4 na célula flutuante, podem ser 7 ΡΕ1881927 utilizados dois ou mais cabos 2 e dois ou mais cabos 3, cada um estendendo-se em ângulos diferentes em direcção a vários suportes de fixação na célula flutuante. 0 comprimento dos cabos 11 é relativamente longo, dependendo da profundidade do fundo do mar onde a turbina está localizada, e o pré-tensionamento dos cabos de ancoragem individuais pode ser da ordem de 1000 kN. O ângulo dos cabos em relação ao plano horizontal é de aproximadamente 30-70° e o comprimento dos cabos 2, 3, dependendo das dimensões da instalação da turbina eólica e da célula flutuante como um todo, pode ser da ordem de 50 m.

Com estes valores sugeridos, o cálculo mostra que o dispositivo de acordo com a invenção é da ordem de 9 vezes mais resistente à rotação do que teria sido com uma solução convencional, na qual os cabos de ancoragem são fixados directamente à célula flutuante, sem os cabos estarem dispostos na forma de delta.

As caracteristicas da rigidez rotacional de uma solução convencional e da solução dos cabos em delta de acordo com a invenção são mostradas na Fig. 3.

Como foi mencionado, a Fig. 3 mostra um diagrama no qual a resistência rotacional (momento de rotação) é calculada com base no ângulo de rotação para um sistema de ancoragem convencional em comparação com a presente 8 ΡΕ1881927 invenção. Durante a rotação em torno do eixo de rotação vertical, a carga de pré-tensionamento do cabo de ancoragem irá aumentar gradualmente numa linha de divisão, enquanto que a carga sobre o outro é correspondentemente aliviada. Quando o ângulo de rotação atinge um determinado valor, o cabo aliviado ficará folgado. 0 ângulo de rotação no qual ocoore a folga dependerá do comprimento dos cabos em forma de delta, ou da distância entre o ponto de divisão e o eixo de rotação vertical. Para ângulos pequenos, antes da folga ocorrer num cabo, o dispositivo irá funcionar como se o ponto de fixação na bóia tenha sido movido para o ponto de fixação no cabo da ancoragem. Isto vai dar um grande braço R, de modo que o momento de endireitamento será:

Mr = Fn x sen (a) x R

Quando o ângulo de rotação atinge um valor critico (β), de modo que existe uma folga no cabo, o aumento do momento será pequeno até ser atingido o momento máximo. 0 ângulo critico para a folga num dos cabos do delta no exemplo aqui calculado, tal como mostrado na Fig. 3, é da ordem de 6o. A curva, aqui, muda de direcção num momento acima de 14000 kNm.

Com o aumento da resistência inicial à rotação obtida com este dispositivo, o controle da direcção activa da turbina pode ser efectuado com um ângulo de resposta aceitável na torre. 9 ΡΕ1881927

Para um sistema de ancoragem convencional, pode ainda ser visto a partir da figura que a resistência à rotação aumenta a folga até que uma resistência máxima à rotação é atingida perto de um ângulo de 90°. A invenção, tal como definida nas reivindicações, não está limitada ao modelo de realização mostrado nas figuras e descrito anteriormente, de modo que em vez de três cabos de ancoragem, podem ser utilizadoss quatro ou mais cabos de ancoragem 11, cada um com cabos correspondentes 2, 3 dispostos num padrão em forma de delta. A utilização de três cabos de ancoragem com intervalos de 120° é, no entanto, considerada como representando a solução mais simples e mais barata.

Lisboa, 12 de Agosto de 2013

Claims

ΡΕ1881927 1 REIVINDICAÇÕES 1. Uma instalaçao de turbina eólica flutuante compreendendo: uma célula flutuante alongada cilíndrica (7) com um raio (r); uma torre (8) disposta sobre a célula flutuante; um gerador (9) montado na torre, sendo o gerador rotativo em relação a uma direcção do vento; um rotor eólico (10) montado no gerador; e um dispositivo de cabos de ancoragem (6) que compreende uma pluralidade de cabos de ancoragem (11) fixos na primeira extremidade dos mesmos a pontos de ancoragem, respectivamente, em que: cada um dos cabos de ancoragem (11) estende-se a partir do respectivo ponto de ancoragem para um ponto de fixação (5) numa segunda extremidade do cabo de ancoragem, e cada um dos cabos de ancoragem está ligado à célula flutuante (7) por pelo menos dois outros cabos (2,3) que estão ligados ao respectivo ponto de fixação pela sua primeira extremidade e à célula flutuante pela segunda extremidade dos mesmos, os pontos de fixação estão localizados a uma distância (R) maior do que o raio (r) a partir da célula flutuante de tal modo que os outros dois cabos, que se estendem entre os respectivos pontos de fixação e a 2 ΡΕ1881927 célula flutuante, estão inclinados para o exterior de modo a formar uma disposição em forma de delta.
2. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com a reivindicação 1, em que as linhas de ancoragem estendem-se desde os pontos de ancoragem com um ângulo entre 30° e 70° em relação a um plano horizontal.
3. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o dispositivo de cabos de ancoragem (6) compreende três cabos de ancoragem (11) dispostos simetricamente com intervalos de 120°.
4. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, em que os cabos (2, 3) em cada uma das disposições em forma de delta estão dispostos num ângulo mútuo de entre 20° e 60°.
5. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com a reivindicação 1, 2, 3 ou 4, em que os cabos (2, 3) em cada uma das disposições em forma de delta, que se estendem entre o respectivo ponto de fixação e a célula flutuante, estão dispostos num ângulo em relação ao plano horizontal que varia entre 30° e 70°.
6. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que os cabos (2, 3) em cada uma das disposições em forma de delta estão fixos à célula flutuante (7) com uma distância máxima 3 ΡΕ1881927 possível entre pontos de fixação dos mesmos em torno da célula flutuante.
7. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, em que os cabos (2, 3) em cada uma das disposições em forma de delta são fixados aos pares a suportes comuns (4) sobre a célula flutuante (7).
8. A instalação de turbina eólica flutuante de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, em que os pontos de ancoragem são âncoras ou pontos de ancoragem no fundo do mar. Lisboa, 12 de Agosto de 2013