ES2643044T3

ES2643044T3 - Turbina eólica marina sobre soporte flotante desalineado

Info

Publication number: ES2643044T3
Application number: ES13306596.1T
Authority: ES
Inventors: Claude Mabile; Jean-Christophe GILLOTEAUX
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: NO2746581T3; US20140167421A1; FR2999662A1; US11181098B2; PT2746581T; EP2746581B1; EP2746581A1

Abstract

Turbina eólica marina sobre soporte flotante (1) que incluye o bien un rotor de eje de rotación horizontal (HAWT), o bien un rotor de eje de rotación vertical (VAWT), estando montado dicho rotor sobre un soporte flotante que tiene un eje principal, caracterizada por que dicho eje principal del soporte flotante está desalineado en un ángulo α fijo con relación: o bien al eje de un mástil que soporta el rotor de eje de rotación horizontal, o bien al eje de rotación del rotor de eje de rotación vertical.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Turbina eolica marina sobre soporte flotante desalineado

La presente invencion se refiere al campo tecnico de las turbinas eolicas marinas soportadas por unos soportes flotantes. Minimizar, incluso suprimir la perdida de horizontalidad cuando se coloca una turbina eolica de eje horizontal (o verticalidad en el caso de las turbinas eolicas de eje vertical) sobre un flotador flotante es uno de los de principales desaffos en la concepcion de los soportes flotantes. La presente invencion permite, con un flotador que tenga un eje principal, mantener el eje de rotacion de la turbina eolica perfectamente horizontal, o vertical, cualquiera que sea la fuerza del viento en el campo de funcionamiento de la turbina eolica.

Con el fin de aumentar la capacidad de produccion de energfa electrica en el mar, es necesario poder instalar las turbinas eolicas en unas grandes profundidades de agua. La industria considera generalmente que mas alla de 50 metros de profundidad de agua es mas economico situar la turbina eolica sobre un soporte flotante en lugar de utilizar un soporte fijado al fondo del mar.

Sin embargo, colocar una turbina eolica sobre un soporte flotante hace surgir varias dificultades, una de ellas la estabilidad hidrostatica del sistema. En efecto las turbinas eolicas, tanto si son de eje horizontal (HAWT) como de eje vertical (VAWT) son unos sistemas masivos (varios centenares de toneladas) y cuyo centro de gravedad se coloca a varias decenas de metros por encima del pie de la turbina eolica. Por ejemplo, una turbina eolica de 5 MW tiene una masa de aproximadamente 700 t (palas, gondola y mastil) cuyo centro de gravedad esta a 70 m. Estas turbinas eolicas son por una parte sensibles a la inclinacion de su eje de rotacion porque esto disminuye la eficacia de la produccion de energfa, aunque tambien a los movimientos del soporte flotante que pueden generar unas grandes aceleraciones que se deben tener en cuenta para los calculos de la estructura.

Tambien, las principales restricciones de diseno de la arquitectura naval son minimizar el asiento del soporte flotante, asf como sus amplitudes de movimiento. La amortiguacion de los movimientos puede hacerse asf desfasando los periodos de resonancia del soporte flotante jugando con el tamano de este ultimo o por adicion de placas. En lo que se refiere a la recuperacion hidrostatica, la arquitectura naval tiene pocos medios pasivos para controlar la escora. De hecho, el medio mas eficaz es el concepto de TLP (Tension Leg Platform) que por su concepcion del sistema de anclaje teoricamente no puede escorarse. Pero este modo de realizacion es costoso de construir e implementar en el emplazamiento.

Se ofrecen en la arquitectura naval otras soluciones de flotadores o de anclajes. Se citan, por ejemplo, una larga columna vertical lastrada y con unos anclajes de tipo catenaria. La masa del conjunto, lastres incluidos, y su forma esbelta permiten minimizar los movimientos. Sin embargo, este principio no permite mantener el eje de la turbina eolica suficientemente horizontal, o vertical segun su tipo. Por ejemplo, el control Hywind de Statoil (turbina eolica de 2,3 MW) comprende un flotador constituido por una columna de l00 m de altura por 8,3 m de diametro y que esta lastrada mediante 3600 toneladas de piedra, para un peso total de 5300 toneladas. Pese a estas dimensiones muy grandes, se admite una escora estatica de 3 grados. Ahora bien, la turbina eolica de Hywind es una “pequena” turbina eolica comparada con lo que se preve para las futuras turbinas eolicas marinas flotantes cuyo optimo economico parece estar entre 7 y 10 MW.

Otro concepto consiste por el contrario en fijar la turbina eolica sobre un flotador anclado directamente al fondo del mar y libre en rotacion. La flotabilidad aportada por el flotador evita la inclinacion del conjunto, pero por su mismo principio, este concepto no impide que la direccion del eje de la turbina eolica este sometida a las consecuencias de las acometidas del viento, de las oleadas o de las corrientes.

Otro concepto, descrito en la solicitud de patente DE 10 2011 016 824 A1, consiste en realizar un enlace de rotula entre el mastil y el flotador para mantener el mastil vertical.

De ese modo, la presente invencion, se refiere a una turbina eolica marina sobre soporte flotante que incluye o bien un rotor de eje de rotacion horizontal (HAWT), o bien un rotor de eje de rotacion vertical (VAWT), estando montados dicho rotor sobre un soporte flotante que tiene un eje principal. Segun la invencion, el eje principal del soporte flotante esta desalineado con un angulo fijo a con relacion: o bien al eje de un mastil que soporta el rotor de eje de rotacion horizontal, o bien al eje de rotacion del rotor de eje de rotacion vertical.

El soporte flotante puede incluir un lastre fijo en su base.

El soporte flotante puede incluir un sistema de lastrado hidraulico para desplazar una masa de lfquido a lo largo del eje principal.

El soporte flotante puede comprender al menos dos depositos, uno en la base y uno en la parte alta y un sistema de transferencia de lfquido entre los dos depositos.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Puede fijarse un sistema de anclaje al fondo del mar a la base del soporte flotante.

La turbina eolica puede incluir unos aparatos de medicion de la inclinacion y, unos medios de control del sistema de lastrado en funcion de la inclinacion medida.

El soporte flotante puede ser de forma cilmdrica.

El soporte flotante puede ser de forma de revolucion.

La presente invencion se comprendera mejor con la lectura de la descripcion que sigue, en ningun caso limitativa e ilustrada por las figuras adjuntas en el presente documento a continuacion, entre las que:

- las figuras 1a y 1b representan esquematicamente la turbina eolica segun la invencion, respectivamente una HAWT y una VAWT,

- la figura 2 representa el diagrama de las fuerzas sobre el sistema,

- la figura 3 da la nomenclatura utilizada en los calculos,

- la figura 4 ilustra las ventajas de la presente invencion.

Para solucionar los inconvenientes constatados en los diferentes conceptos de las “TLP”, se propone construir una turbina eolica marina flotante desalineando con un angulo determinado el eje del mastil para una HAWT, o el eje del rotor de la turbina eolica para una VAWT, con relacion al eje principal del soporte flotante.

Segun la figura 1a, el soporte flotante 1 es preferentemente de forma cilmdrica y se ancla al fondo del mar de manera preferencial mediante unas lmeas catenarias 2 fijadas a la altura de la quilla 3.

El espacio interior del flotador esta compartimentado en 4 volumenes:

1. Un volumen Vp situado en la parte baja del flotador y constituido por un lastre permanente. Este puede ser por ejemplo de cemento o una masa de granalla, rocas o metales.

2. Un volumen V1 situado por encima del volumen Bp y parcialmente relleno de lfquido, por ejemplo, de agua de mar.

3. Un volumen V2 situado en la cuspide del flotador y parcialmente relleno con un mismo lfquido, por ejemplo, agua de mar.

4. Un volumen 4 que asegura la flotabilidad del conjunto: soporte flotante y turbina eolica 5, HAWT segun la figura 1a y VAWT segun la figura 1b.

El volumen Vp esta totalmente lleno de un lastre solido de masa Bp.

Los volumenes V1 y V2 estan parcialmente llenos de lfquido con una cantidad respectiva B1 y B2. Un sistema de conductos y de bombas P permite transferir una cantidad de lfquido desde el volumen V1 hacia V2. La transferencia inversa puede hacerse bien por gravedad o bien con ayuda de la bomba P. Por construccion, el volumen total de lfquido B1 + B2, preferentemente agua de mar, que sirve de lastre movil en el flotador, es fijo y se reparte en los volumenes V1 y V2.

La accion del viento sobre la turbina eolica, tanto si es HAWT como VAWT, induce unas fuerzas que tienden a hacer ladearse el flotador, se habla entonces de angulo de asiento. La presencia de los lastres B1 y B2 permite de ese modo, en funcion de sus posiciones relativas y de su tasa de llenado, corregir este cambio de asiento. Se ha llevado a cabo un estudio de estabilidad con la geometna y las fuerzas representadas en la figura 2.

Nomenclatura:

> Pv: empuje debido al viento

> P1: fuerza debida al peso de la turbina eolica

> P2: fuerza debida al peso del flotador

> Fh: empuje de Arqrnmedes debido al volumen sumergido del flotador

> F1, F2, Fp: fuerzas debidas a las masas de los lastres B1, B2 y Bp

> Tv, Th: tracciones verticales y horizontales ejercidas por el sistema de anclaje

> Hm: altura del mastil de la turbina eolica

> Hf, Ef: dimensiones dependientes de la longitud del flotador y del angulo entre mastil y flotador

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Las ecuaciones de equilibrio de las fuerzas son:

Pv + Th = 0 (1)

P1 + F2 + P2 + F1 + Fp + Tv -Fh = 0 (2)

La ecuacion de equilibrio de los momentos se calcula con relacion al punto de anclaje de las amarras. Se considera que F2 se aplica en la cabeza del flotador y que F1 y Fp en los pies, esto no es estrictamente exacto, pero simplifica la comprension del ejemplo descrito en el presente documento.

Pv x (Hm + Hf) + F2 * Ef + P2 * Ef/2 + Fh * Ef/2 = 0 (3)

Considerando un anclaje de tipo catenaria, Tv, la traccion vertical del anclaje es, en primera aproximacion, constante y no depende mas que del tipo de anclaje elegido y de la profundidad del agua. Por definicion F1 + F2 es tambien una constante porque esta suma representa la cantidad total de agua de mar contenida en el flotador y que sirve de lastre movil. Tambien, la ecuacion (2) permite determinar el volumen que es necesario dar al flotador para generar un empuje suficiente para oponerse al conjunto de las fuerzas debidas a la gravedad.

La ecuacion (3) puede escribirse tambien:

F2 * Ef = (-Pv * (Hm + Hf) - P2 x Ef/2) + Fh x Ef/2

o

F2 = -Pv * (Hm + Hf) / Ef + (Fh - P2) / 2 (4)

La ecuacion 4 muestra que, si el empuje eolico Pv vana porque la velocidad del viento ha cambiado, se puede mantener el mastil de la turbina eolica vertical adaptando el volumen de agua del lastre B2 para hacer variar F2.

En la ecuacion 4 aparece la relacion (Hm + Hf) / Ef. Esta relacion depende de la longitud total del flotador L (figura 3) y del angulo a fijado entre el eje del flotador y el del mastil de la turbina eolica para una HAWT. En efecto:

Hf = L cos(a)

Ef = L sen(a)

O sea:

(Hm + Hf) / Ef = (Hm + L cos(a)) / L sen(a)

Por construccion y segun las condiciones de viento y las caractensticas de la turbina eolica, una eleccion razonable de la longitud L y del angulo a entre el eje del flotador y el eje del mastil para una HAWT o el eje del rotor para VAWT permite optimizar la masa de agua B2.

La demostracion que se acaba de hacer para una HAWT puede llevarse a cabo de la misma manera para una VAWT para llegar a las mismas conclusiones. En el caso de una VAWT, el eje del rotor corresponde al mastil de una turbina eolica HAWT.

Estudio de estabilidad hidrostatica sin fuerza de empuje del efecto vela

Intervienen cinco parametros principales en el estudio de estabilidad de este concepto:

1. La longitud L del flotador

2. El diametro D del flotador

3. El angulo a entre el eje del flotador y el del mastil

4. El lastre Bp permanente en el fondo del flotador

5. El lastre variable B1 para mantener el mastil de la turbina eolica vertical, sabiendo que B1 + B2 es una constante para L y D fijos.

Un primer estudio consiste en hacer variar el reparto del lastre Bp y del volumen de fluido B1 + B2 para una configuracion geometrica dada (inclinacion, longitud, diametro), y examinar de ese modo cuales son los mejores parametros L, D y a en terminos de estabilidad hidrostatica del soporte flotante.

Las sub-figuras de la figura 4 muestran de ese modo la variacion del angulo de asiento (Trim) del soporte flotante en funcion del porcentaje del lastre Bp con relacion a la masa total (MB) del lastre y el porcentaje de fluido en el volumen V2 con relacion a la masa total de fluido B1 + B2. Estas tres sub-figuras representan los resultados para

5

10

15

20

25

30

35

40

45

tres inclinaciones de soporte diferentes (20°, 30°, 40°) cuando el flotador tiene una longitud de 80 m, y un diametro de 20 m. Se observa entonces que cuando la inclinacion se fija a 40° aparecen numerosas soluciones inestables (zonas blancas) o dando un gran angulo de asiento. Se ve igualmente que existe para cada par de parametros una solucion de angulo de asiento nulo, este resultado es sin embargo ponderado por el hecho de que para una desviacion reducida en lastre dinamico o permanente el soporte se convierte rapidamente en inestable. Por el contrario, para los otros angulos de inclinacion (20° y 30°), el soporte flotante es estable cualquiera que sea el reparto del lastre y presenta unas soluciones de angulo de asiento nulo. Se puede observar igualmente que, de manera general, cuanto mayor es el angulo de inclinacion mas se estrechan las curvas de igual asiento alrededor de 0° y por tanto mas sensibles al reparto del lastre.

Estudio de estabilidad hidrostatica con fuerza de empuje maxima del efecto vela

Habiendo permitido el primer estudio identificar los repartos de lastre plausibles para unas configuraciones geometricas dadas, la etapa siguiente consiste en observar como se comporta el flotador cuando funciona la turbina eolica. La presencia de la gondola y de las palas de la turbina eolica se representa simplemente por una fuerza de empuje constante de 80 toneladas que es representativa de la fuerza de empuje maxima generada por una turbina eolica de eje horizontal de 5 MW cuando esta gira a velocidad nominal.

La tabla del presente documento muestra a continuacion de ese modo la masa de agua que es necesario tener en el lastre B1 para obtener un angulo de asiento nulo para seis configuraciones geometricas dadas. Se han mantenido dos angulos de inclinacion a diferentes (20° y 30°) asf como tres longitudes de soporte (60 m, 80 m y 100 m). Para cada configuracion, se elige el reparto de lastre dado para una fuerza de empuje nula y se hace variar el reparto del lastre dinamico con el fin de corregir el angulo de asiento hasta obtener un angulo de asiento nulo. Se observa entonces que la transferencia de agua es muy reducida en porcentaje, del orden del 5 %, con relacion a la configuracion sin fuerza de empuje.

B2: Longitud del flotador L (m)

60: 80 100

Angulo a (grados): 20 544 t 733 t 922 t

30: 435 t 733 t 1110 t

Se han llevado a cabo tambien otros estudios como la influencia de un cambio de eje en el empuje del viento.

Cuando el viento cambia rapidamente de direccion, la turbina eolica, el empuje del viento sobre la turbina eolica ya no esta en el plano constituido por el mastil y el flotador. Estos estudios han mostrado que la turbina eolica se inclina entonces algunos grados, pero permanece sin embargo estable. Debido a que el eje de empuje del viento esta desplazado con relacion al punto de anclaje, la turbina eolica se alineara automaticamente en la direccion del viento.

Esta accion no sera inmediata, pero, despues de algunos minutos, el empuje del viento volvera al plano constituido por el eje del mastil de la turbina eolica y el del flotador. De ese modo, se enderezara el conjunto.

Estas simulaciones muestran por un lado que el concepto es estable con la condicion de una eleccion oportuna de los principales parametros de dimensionamiento, pero tambien que el lastrado dinamico para mantener el mastil de la turbina eolica para una HAWT, o el eje de rotacion vertical para una VAWT, es totalmente realizable

De ese modo, la presente invencion esta constituida por un flotador de forma simple sobre el que se coloca la turbina eolica de tal manera que el eje principal del flotador y el eje de referencia de la turbina eolica forman un angulo constante. Este concepto permite mantener el eje de la turbina eolica horizontal para una HAWT o el eje de rotacion vertical para una VAWt, desplazando un lfquido de un lastre al otro. Se ha mostrado que, si las condiciones del viento llegan a cambiar, la turbina eolica se inclinara, pero, o bien por lastrado en caso de cambio de la fuerza del viento, o bien mediante un realineamiento natural en caso de cambio de la direccion del viento, la turbina eolica volvera a encontrar una posicion que garantizara una produccion de electricidad optima.

Claims

5

10

15

20

25

REIVINDICACIONES

1. Turbina eolica marina sobre soporte flotante (1) que incluye o bien un rotor de eje de rotacion horizontal (HAWT), o bien un rotor de eje de rotacion vertical (VAWT), estando montado dicho rotor sobre un soporte flotante que tiene un eje principal, caracterizada por que dicho eje principal del soporte flotante esta desalineado en un angulo a fijo con relacion: o bien al eje de un mastil que soporta el rotor de eje de rotacion horizontal, o bien al eje de rotacion del rotor de eje de rotacion vertical.
2. Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que dicho soporte flotante incluye un lastre fijo en su base (BP).
3. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones 1 o 2, en la que dicho soporte flotante incluye un sistema de lastrado hidraulico para desplazar una masa de lfquido a lo largo del eje principal.
4. Turbina eolica segun la reivindicacion 3, en la que dicho soporte flotante comprende al menos dos depositos, uno en la base y uno en la parte alta y un sistema de transferencia de lfquido entre dichos dos depositos.
5. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que se fija a la base del soporte flotante un sistema de anclaje al fondo del mar.
6. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones anteriores, que incluye unos aparatos de medicion de la inclinacion y, unos medios de control del sistema de lastrado en funcion de la inclinacion medida.
7. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho soporte flotante es de forma cilmdrica.
8. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho soporte flotante es de forma de revolucion.