ES2305462T3 - Dispositivo para central eolica situada en aguas profundas. - Google Patents

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Abstract

Central (1) eólica que puede flotar en el agua, que comprende una carcasa (8) de máquina montada sobre una torre (2) que se extiende por debajo de la superficie del agua, caracterizada porque la torre (2) es una estructura alargada de forma generalmente cilíndrica que tiene una parte axial superior sobre la que está montada la carcasa (8) de máquina y una parte axial inferior por debajo de la superficie del agua que contiene material (5, 7) de lastre para proporcionar el centro de gravedad total de la central (1) que está situada por debajo del centro de flotación de la central (1) de modo que la central flota esencialmente en una posición vertical.

Description

Dispositivo para central eólica situada en aguas profundas.
Esta invención se refiere a una planta eólica (que se denominará a continuación en el presente documento como aeromotor) que se instala flotando en aguas profundas, con un anclaje al fondo del mar.
La tecnología conocida previamente incluye aeromotores levantados sobre terreno y aeromotores levantados en zonas cerca de la costa. La técnica aplicada tiene en común en un grado esencial que se prevé una base segura, adaptada al tamaño del aeromotor, el dimensionamiento de la fuerza del viento, etc.
Según la tecnología anterior para construir aeromotores en el mar, se levanta una base que se extiende por encima de la superficie del mar. Una torre de aeromotor común se monta sobre la base. La carcasa de máquina del aeromotor que incluye el generador, dispositivos de regulación, el rotor y las palas de rotor se monta sobre la parte superior de esta torre. Estos dispositivos están diseñados de la misma forma que para una construcción de aeromotor en terreno seco.
Preferiblemente, los aeromotores se levantan en lugares con condiciones de viento estable. La mayor parte de las veces se encuentran sobre cumbres o se ubican en campo abierto, plano. De este modo pueden verse fácilmente, y debido a su posición dominante y a su estructura alta, los aeromotores se consideran con frecuencia un problema medioambiental visual, un elemento extraño en la naturaleza.
En uso, los aeromotores desarrollan ruido, en particular por las palas de rotor. Cuando están ubicados cerca de lugares habitados, los aeromotores constituirán por tanto un problema de ruido para la población.
La energía eólica se considera como un tipo de energía "verde". El viento es una fuente de energía que siempre está disponible, y desde un punto de vista medioambiental una explotación del viento como una fuente de energía se considera deseable. La producción de energía eléctrica mediante aeromotores no provoca emisiones perjudiciales a la naturaleza.
La energía eólica no puede almacenarse y por tanto, debe utilizarse cuando está disponible. Por otro lado, el agua puede almacenarse en depósitos. Combinando plantas eólicas y de energía hidroeléctrica en una red de distribución conjunta, es posible reducir el consumo de agua cuando las condiciones del viento son favorables. Cuando no pueden usarse los aeromotores para producir energía eléctrica, aumenta la producción basada en agua. De este modo, pueden establecerse sistemas de producción que siempre garanticen una explotación máxima de las fuentes de energía eólica, sin hacer que el suministro de energía al mercado se vuelva inestable.
Preferiblemente, los aeromotores se ubican en lugares donde la fuerza media del viento es lo más elevada posible. De este modo, se maximiza la producción de energía, y se minimiza el coste de producción.
Informes meteorológicos exhaustivos muestran que la fuerza media del viento aumenta cuando se desplaza desde la costa hacia el mar abierto. Por ejemplo, en las instalaciones petroleras en la parte norte del Mar del Norte, la velocidad media del viento es aproximadamente un 25% superior que en ubicaciones buenas de aeromotores en la costa oeste danesa.
La energía eólica que puede explotarse es proporcional a la velocidad el viento elevada a la tercera potencia. Por tanto, un aumento del 25% en la velocidad el viento representa un aumento del potencial de energía de 1,25^{3} = 1,95, es decir, +95%. Por tanto, la ubicación de aeromotores en el mar abierto proporciona buenas condiciones para un potencial de producción aumentado.
Es una tecnología conocida ubicar aeromotores pequeños sobre barcos para producir energía eléctrica para uso interno.
Todavía no es rentable instalar grandes aeromotores productores de energía sobre instalaciones flotantes comunes semejantes a barcos. Los movimientos del casco en mar gruesa provocarán deformaciones muy grandes en las estructuras de los aeromotores, y el casco debe tener grandes dimensiones para que la estructura pueda alcanzar una estabilidad suficiente para absorber las fuerzas del viento que actúan sobre el rotor del aeromotor.
La producción de petróleo en alta mar requiere grandes cantidades de energía eléctrica. En la actualidad, esto se proporciona en general mediante turbinas de gas. La combustión de grandes cantidades de gas constituye un problema medioambiental notable porque se emite dióxido de carbono (CO_{2}) a la atmósfera. Pueden conseguirse grandes beneficios medioambientales sustituyendo la producción basada en gas por la producción de energía respetuosa con el medioambiente. Por tanto, grandes cantidades de dinero El documento WO/2003/004869 describe turbinas eólicas en alta mar soportadas sobre una base flotante que comprende un cuerpo de flotación sumergido que está sujeto al fondo del mar mediante uno o varios cables, etc.
El documento WO/2002/010589 describe un generador eólico para situarlo en alta mar que comprende una estructura semisumergible con un mástil que se extiende hacia arriba desde la misma para llevar una turbina eólica.
El objetivo de la presente invención es solucionar las desventajas de la técnica anterior.
El objetivo se consigue según la invención mediante las características expuestas en la descripción a continuación y en las reivindicaciones de patente adjuntas.
Una torre cilíndrica se mantiene flotando en el agua en una posición vertical mediante materiales de lastre sólidos y líquidos en la parte inferior de la torre. Un aeromotor con una carcasa de máquina que comprende un generador, dispositivos de regulación, un rotor y palas de rotor está ubicada en la parte superior de la torre.
De manera alternativa, puede ubicarse el generador en la parte central de la torre y conectarse al eje de rotor mediante una transmisión adecuada.
Las dimensiones totales de la torre están adaptadas al tamaño del aeromotor, el dimensionamiento de la fuerza del viento y la altura de las olas, etc. Debido a que el centro de gravedad conjunto de la estructura está por debajo del centro de la masa de agua desplazada, la torre muestra una mejor estabilidad que el casco de un barco común que comprende un peso de acero correspondiente.
La conexión entre la carcasa de máquina y la torre está diseñada de modo que el eje de rotor del aeromotor se mantiene en una posición horizontal mediante un dispositivo de regulación en sí conocido, incluso si la torre se inclina por un lado debido a la deformación de las diversas secciones de la estructura causada por el viento, las olas y las corrientes en el agua.
Preferiblemente, el rotor está ubicado en el lado de sotavento de la carcasa de máquina. De este modo, se consigue un efecto de estabilización sobre las fuerzas del viento que intentan girar la torre en la dirección del viento, y se reduce el riesgo de que las palas del rotor rompan la torre cuando se inclina.
De manera alternativa, el generador está ubicado en la torre. De este modo, se evitan dispositivos complicados para guiar cables eléctricos al generador. Una carcasa de máquina giratoria montada en la parte superior de la torre necesita transferir desde la carcasa de máquina a la torre mediante contactos deslizantes, o limitando el número de revoluciones a las que puede someterse la carcasa de máquina antes de girarse en el sentido contrario mediante la potencia de motor. Los contactos deslizantes sólo pueden usarse en conexión con la transferencia de efectos relativamente pequeños. Un giro forzado de la carcasa de máquina es arriesgado si se lleva a cabo cuando la torre se inclina. En una situación tal, las palas del rotor pueden romper la torre.
La torre está anclada al fondo del mar con dispositivos adecuados. El anclaje de la torre actúa como medio tanto para la ubicación como para la estabilización. El sistema de anclaje está construido para evitar que la torre gire bajo la influencia de fuerzas de torsión provocadas por la rotación del aeromotor. Principalmente, el anclaje se efectúa mediante una barra de anclaje fijada al fondo del mar mediante un punto de anclaje con un anclaje gravitatorio, un anclaje por succión o postes y, opcionalmente, se sujeta con masas de relleno. La barra de anclaje incluye dos uniones que transfieren fuerzas de torsión y tracción al punto de anclaje al fondo pero evitan que la deformación por flexión actúe sobre la barra. Este sistema de anclaje requiere poco espacio y se usa ventajosamente si el aeromotor está ubicado en o cerca de un caladero.
De manera alternativa, el aeromotor puede anclarse mediante uno o varios anclajes al fondo comunes. Estos se conectan a puntales en la torre para absorber las fuerzas de torsión.
Durante el anclaje, el aeromotor se sobrecarga con lastre para hacer que se sumerja hasta tal profundidad que, después de retirar el lastre e independientemente de la marea y las olas, siempre haya fuerzas de tracción actuando sobre la conexión de anclaje/barra.
El aeromotor está conectado a una red de distribución de energía eléctrica. Preferiblemente, varios aeromotores se ubican en la misma zona para poder utilizar la conexión principal a una red de distribución remota con la mayor eficacia posible.
A continuación, en los dibujos adjuntos, se describe y visualiza un ejemplo no limitativo de una realización preferida, en los que:
la figura 1 muestra una vista lateral de un aeromotor con la parte superior de la torre por encima de la superficie del mar, con la carcasa de máquina montada en la parte inferior de la torre. El rotor está girado contra el lado de sotavento, y la torre se inclina en la dirección del viento. La parte inferior de la torre está conectada al lecho marino mediante una barra de anclaje con dos uniones.
La figura 2 muestra un detalle de la conexión entre la carcasa de máquina y la torre.
La figura 3 muestra el sistema de anclaje alternativo con tres anclajes al fondo, cadenas de anclaje y puntales.
En los dibujos, el número de referencia 1 indica un aeromotor que comprende una torre 2 cilíndrica con una parte 3 inferior de la torre, un espacio 4 para el lastre que contiene un material 5 de lastre que preferiblemente es un sólido, un tanque 6 de lastre que contiene un lastre 7 líquido, la carcasa 8 de máquina del aeromotor con el eje 9 de rotor, la pala 10 del rotor y, no mostrados, un generador y dispositivos de regulación. La carcasa 8 de máquina está articulada con la torre 2 mediante una unión 11 inclinable. Una barra 12 de anclaje con la unión 13 conecta el aeromotor 1 a un anclaje 14 al fondo que está sujeto mediante un anclaje gravitatorio, un anclaje por succión o postes (no mostrados) y estabilizado opcionalmente por masas 15 de relleno.
Una realización alternativa del sistema de anclaje comprende uno o varios anclajes 16 al fondo, con una cadena 17 de anclaje y un puntal 18.
La superficie del agua está indicada por el número de referencia 19 y el fondo del mar por el número de referencia 20.
La estabilidad del aeromotor 1 se mantiene ubicando el centro de gravedad de toda la estructura significativamente más bajo que el punto de ataque de las fuerzas de empuje de la parte sumergida de la torre 2. Esto se consigue ubicando un material 5 de lastre en un espacio 4 para el lastre en la parte inferior de la torre 2. Mediante el uso de una cantidad adaptada de un material de lastre líquido, por ejemplo agua, en un tanque 6 de lastre, el peso total del lastre puede adaptarse al peso realmente necesario para introducir el aeromotor 1 en el agua.
Mediante una conexión (conexiones) 12, 13, 14, alternativamente 16, 17, 18, de anclaje torsionalmente rígida(s), al fondo 20 del mar, el aeromotor 1 se mantiene en su sitio. Rellenando en exceso temporalmente con lastre líquido, que da como resultado la introducción del aeromotor 1 a una mayor profundidad que su profundidad permanente calculada en el agua, la torre se conecta al sistema 12, 13, 14 de anclaje. Mediante la retirada posterior del agua mediante bombeo, se establece una tensión permanente en el sistema 12, 13, 14 de anclaje, de modo que el aeromotor 1 permanece colocado a una profundidad constante en relación con el fondo 20 del mar, independientemente de la marea y las olas. De este modo, se aumenta la estabilidad del aeromotor 1.
La carcasa 8 de máquina del aeromotor 1 está ubicada en la parte superior de la torre 2 y puede girarse en relación con la dirección del viento según la técnica conocida.
De manera alternativa, el generador del aeromotor 1 está ubicado en la parte central de la torre 2. En esta realización, la estabilidad del aeromotor 1 se aumenta porque el peso de la carcasa 8 de máquina se reduce.
La presión del viento contra las palas 10 del rotor del aeromotor 1 y otras estructuras, así como las fuerzas de las olas y las corrientes en el agua, harán que la torre 2 se incline hacia un lado. La inclinación se compensa por la componente de fuerza resultante opuesta del peso del aeromotor 1 y la flotación del aeromotor 1 en el agua.
Mediante una unión 11 inclinable, con un dispositivo de regulación automático, el eje 9 de rotor del aeromotor 1 se mantiene en una posición horizontal incluso cuando la torre 2 se inclina. De este modo se mantiene una mayor eficacia y habrá menos deformación sobre la pala 10 del rotor.
En condiciones de funcionamiento normal, la carcasa 8 de máquina del aeromotor 1 se gira hacia una posición con las palas 10 del rotor en el lado de sotavento. En esta posición, se reduce el riesgo de que las palas 10 del rotor rompan la torre 2. Al mismo tiempo, se ha conseguido un efecto de estabilización sobre las fuerzas del viento que intentan girar la torre 2 en la dirección del viento.
Debido a que, en funcionamiento, el eje 9 del rotor no está montado en ángulo recto con respecto a la torre 2, una componente de este par de torsión se transferirá a la torre. El sistema 12, 13, 14 de anclaje, alternativamente 16, 17, 18, de la torre 2 está diseñado de modo que evita que la torre 2 se gire por este par de torsión. La barra 12 de anclaje del sistema de anclaje principal con la unión 13 y el punto 14 de anclaje al fondo es torsionalmente rígida. Al mismo tiempo, las uniones 13 evitan la deformación por flexión de la barra 12. Del mismo modo, los puntales 18 del sistema de anclaje alternativo absorbe las fuerzas de torsión, que se transfieren a los anclajes 16 al fondo a través de las cadenas 17 de anclaje que están fijadas a los puntales 18 lejos del eje central de la torre 2.

Claims (12)

1. Central (1) eólica que puede flotar en el agua, que comprende una carcasa (8) de máquina montada sobre una torre (2) que se extiende por debajo de la superficie del agua, caracterizada porque la torre (2) es una estructura alargada de forma generalmente cilíndrica que tiene una parte axial superior sobre la que está montada la carcasa (8) de máquina y una parte axial inferior por debajo de la superficie del agua que contiene material (5, 7) de lastre para proporcionar el centro de gravedad total de la central (1) que está situada por debajo del centro de flotación de la central (1) de modo que la central flota esencialmente en una posición vertical.
2. Central (1) eólica según la reivindicación 1, caracterizada porque el material de lastre comprende lastre (5) sólido.
3. Central (1) eólica según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el material de lastre comprende lastre (7) líquido.
4. Central (1) eólica según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizada porque la central (1) eólica está colocada y estabilizada mediante una conexión torsionalmente rígida al fondo del mar (20), comprendiendo la conexión torsionalmente rígida una barra (12) de anclaje que incluye una unión en cada extremo, de las que una unión (13) inferior está fijada a un punto (14) de anclaje al fondo bajo tensión.
5. Central (1) eólica según la reivindicación 4, caracterizada porque la barra (12) de anclaje incluye una unión superior que está fijada a una parte inferior de la torre (2), estando dispuesta cada una de las uniones inferior y superior para transferir las fuerzas de torsión y tracción.
6. Central (1) eólica según cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque está previsto un espacio (4) para el lastre para alojar lastre sólido y/o está previsto un tanque (6) de lastre para alojar lastre líquido.
7. Central (1) eólica según cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque un eje (9) de rotor se extiende desde el interior de la carcasa (8) de máquina, estando conectado el eje de rotor a un generador; y palas de rotor están montadas sobre el eje (9) de rotor.
8. Central (1) eólica según la reivindicación 7, caracterizada porque está prevista una unión (11) inclinable en la transmisión entre la carcasa (8) de máquina y la torre (2) para mantener el eje (9) de rotor en una posición horizontal incluso si la torre (2) se inclina.
9. Central (1) eólica según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizada porque la carcasa (8) de máquina está colocada de modo que en funcionamiento, las palas (10) de rotor están colocadas en el lado de sotavento de la torre (2).
10. Central (1) eólica según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizada porque el generador está montado en la torre (2) y conectado al eje (9) de rotor mediante una disposición de transmisión.
11. Central (1) eólica según cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque la torre (2) se ancla al lecho marino usando un sistema de anclaje en forma de cadena floja.
12. Central (1) eólica según cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque la torre (2) se ancla al lecho marino con un único elemento de anclaje bajo tensión.
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