ES2866937T3 - Estructura de plataforma de turbina eólica flotante con transferencia optimizada de cargas de viento y oleaje - Google Patents

Estructura de plataforma de turbina eólica flotante con transferencia optimizada de cargas de viento y oleaje Download PDF

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Abstract

Una plataforma de turbina eólica flotante semisumergible que comprende: al menos tres columnas estabilizadoras alargadas (215a), teniendo cada una de dichas columnas estabilizadoras (215a) un extremo superior, un extremo de quilla y una carcasa exterior (415) que contiene un eje interior (315), teniendo cada una de las columnas estabilizadoras (215a) una placa de retención de agua (220a) en su extremo de quilla, estando cada placa de retención de agua (220a) en voladizo en un plano perpendicular a un eje longitudinal de la columna estabilizadora (215a); al menos tres elementos de celosía, cada uno de los cuales incluye dos elementos tubulares principales laterales (210a) y dos elementos tubulares diagonales (210b), teniendo cada uno de los elementos tubulares principales laterales (210a) un primer extremo conectado perpendicularmente al eje interior (315) de una de las columnas estabilizadoras (215a) y un segundo extremo conectado perpendicularmente al eje interior (315) de una columna estabilizadora distinta (215a), de manera que las columnas estabilizadoras interconectadas (215a) y los elementos de celosía formen una sección transversal poligonal convexa en un plano perpendicular a los ejes longitudinales de las columnas estabilizadoras (215a), donde los lados de la sección transversal poligonal convexa son los elementos de celosía y los vértices de la sección transversal poligonal convexa son las columnas estabilizadoras (215a), y para cada elemento de celosía, los dos elementos tubulares diagonales (210b) tienen, cada uno, un primer extremo y un segundo extremo donde el primer extremo de cada elemento tubular diagonal (210b) está conectado al eje interior (315) de una columna estabilizadora (215a) y el segundo extremo de cada elemento tubular diagonal (210b) está conectado a uno de los elementos tubulares principales laterales (210a) en el mismo elemento de celosía; y una torre alargada de turbina eólica (620) dispuesta sobre el extremo superior de una de las columnas estabilizadoras (215a), de manera que el eje longitudinal de la torre sea sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la columna estabilizadora (215a).

Description

DESCRIPCIÓN
Estructura de plataforma de turbina eólica flotante con transferencia optimizada de cargas de viento y oleaje RESUMEN
La invención se refiere a turbinas eólicas flotantes marinas y, en particular, a una disposición de componentes estructurales que optimizan la transferencia de carga de la turbina y de las cargas generadas por el océano dentro de la estructura flotante. La invención facilita, además, el diseño y la fabricación del casco.
REFERENCIA CRUZADA
Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud de patente provisional de E.E. U.U. n.° 62/182.245, titulada «Estructura de plataforma de turbina eólica flotante con transferencia optimizada de cargas de viento y olas», presentada el 19 de junio de 2015.
La presente solicitud también está relacionada con la Solicitud de patente de E.E. U.U. n.° 14/218.805, titulada «Sistema de amarre asimétrico para soporte de turbinas eólicas marinas», presentada el 18 de marzo de 2014, que es una continuación de la Solicitud de patente de E.E. U.U. n.° 13/925.442, presentada el 24 de junio de 2013, ahora otorgada como la Patente de EE. UU. n.° 8.692.401 el 8 de abril de 2014, que es una continuación de la Solicitud de patente de E.E. U.U. n.° 12/988.121, presentada el 15 de octubre de 2010, ahora otorgada como la Patente de EE. UU. n.° 8.471.396 el 25 de junio de 2013, que es una fase de la solicitud nacional de la Solicitud de patente PCT n.° PCT/US2009/039692, presentada el 6 de abril de 2009, que reivindica la prioridad de la Solicitud de patente provisional de E.E. U.U. n.° 61/125.241, titulada «Plataforma marina estabilizada por columnas con placas de retención de agua y sistema de amarre asimétrico para soporte de turbinas eólicas marinas», presentada el 23 de abril de 2008.
Además, la presente solicitud está relacionada con la Solicitud de patente de EE. UU. n.° 14/283.051, titulada «Sistema y procedimiento para controlar plataformas de turbinas eólicas flotantes marinas», presentada el 20 de marzo de 2014, que reivindica la prioridad de la Solicitud de patente provisional de E.E. U.U. n.° 61/825.412, titulada «Sistema de control totalmente integrado para plataformas de turbinas eólicas flotantes marinas», presentada el 20 de mayo de 2013.
La presente solicitud también está relacionada con la Solicitud de patente de EE. UU. n.°: 14/927.448, titulada «Sistema de conexión para cables de conjunto de dispositivos de energía marinos desconectables», presentada el 27 de octubre de 2015, que reivindica la prioridad de la Solicitud de patente provisional de E.E. U.U. 62/069.235, titulada «Sistema de conexión para cables de conjunto de dispositivos de energía marinos desconectables», presentada el 27 de octubre de 2014.
ANTECEDENTES
La energía eólica marina es una fuente muy prometedora de energía renovable debido a que la energía eólica marina es más intensa y uniforme que la eólica terrestre. Para aprovechar la energía eólica en aguas más profundas más lejanas a la costa, una solución consiste en construir turbinas eólicas flotantes. Las turbinas eólicas flotantes se enfrentan a desafíos técnicos propios, distintos tanto de los de las turbinas eólicas terrestres como los de las plataformas flotantes de petróleo y gas.
A diferencia de las turbinas eólicas terrestres, una turbina eólica flotante requiere una plataforma que proporcione flotabilidad para soportar el peso de toda la estructura. La estructura de la plataforma puede tener varias columnas en forma de cilindro con diámetros de grandes dimensiones. Además de proporcionar flotabilidad, la plataforma combinada con el generador de turbina eólica debe poder resistir el viento dinámico, la carga del oleaje y la corriente y proporcionar un soporte estable para la producción de energía. Otro desafío es el daño adicional por fatiga provocado por la carga del oleaje, que podría ser comparable al daño ocasionado por las cargas de viento. Esto requiere un diseño estructural resistente para lograr una mayor fiabilidad.
Un desafío específico del diseño de turbinas eólicas flotantes frente a plataformas flotantes de petróleo y gas consiste en que se transfiere una gran carga de la torre del generador de turbina eólica a la plataforma a través de una ubicación muy concentrada situada en la conexión de la base de la torre. Las columnas de la plataforma suelen tener diámetros mucho mayores que la torre del generador de turbina eólica para proporcionar flotabilidad. La forma tradicional de fortalecer la conexión de la base de la torre con la plataforma flotante consiste en reforzarla con gran cantidad de refuerzos soldados, lo que puede no ser rentable. En comparación con la industria del petróleo y el gas, la producción de energía eólica marina tiene un margen de beneficio mucho menor. Uno de los objetivos del diseño estructural consiste en minimizar el peso y el coste de la estructura. Por lo tanto, es preferible un refuerzo simplificado de las columnas de la plataforma.
Por lo tanto, existe la necesidad de que las turbinas eólicas marinas tengan un diseño de plataforma estructural que proporcione capacidad de carga, estabilidad hidrodinámica y buena fiabilidad con un mínimo coste.
El documento WO 2009/131826 A2 describe una plataforma de turbina eólica flotante con un armazón de flotación que incluye tres columnas que están acopladas entre sí mediante vigas maestras horizontales. Las columnas incluidas en las plataformas descritas se pueden acoplar entre sí mediante un sistema tubular de celosía que incluye vigas de arriostramiento horizontales y verticales. El armazón de flotación incluye un sistema de lastre por agua que bombea agua entre las columnas para mantener la torre en alineación vertical independientemente de la velocidad del viento. El documento WO 2009/067023 A1 describe un aparato flotante de energía eólica con, por ejemplo, una estructura tubular con tanques flotantes internos y posiblemente, tanques de lastre para estabilizar, ajustar la colocación del aparato en el agua y equilibrar. Los tanques de lastre pueden conectarse a bombas y sistemas de control adecuados. Los tubos de la estructura pueden formar una estructura de trabajo en celosía habitual en el sector marino. El lastre también puede hacerse dinámico, de modo que la unidad se pueda mantener en un ángulo predeterminado durante diversas condiciones de viento.
El documento WO 2014/163032 A1 describe una estructura flotante, que se proporciona unida a un cuerpo soportado con el fin de instalar el cuerpo soportado en el océano en estado flotante, y que está equipada con una unidad flotante conectada al extremo de base del cuerpo soportado. La unidad flotante tiene una cubierta de acero, un tubo exterior de acero y un tubo interior de acero previsto dentro del tubo exterior. La unidad flotante está cubierta por la cubierta anteriormente mencionada, llenando el hormigón o mortero al menos una parte de un espacio que se forma entre la superficie de la pared exterior del tubo interior y la superficie de la pared interior del tubo exterior.
El documento WO 2010/110671 A1 describe una instalación flotante anclada para la producción de energía, donde la instalación comprende al menos un molino de viento y donde la instalación está provista de al menos una bomba accionada por flotador. La estructura de armazón está formada por columnas angulares, que están interconectados sobre la superficie del agua mediante elementos huecos y que se extienden hasta pontones o un armazón. Los pontones, o alternativamente el armazón, conectan las columnas angulares debajo del agua. Las columnas angulares, los elementos huecos y los pontones, alternativamente el armazón, constituyen la parte triangular de la instalación. La presente descripción proporciona una plataforma de turbina eólica flotante semisumergible como se detalla en la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se proporcionan características ventajosas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 muestra un ejemplo de una plataforma semisumergible de la técnica anterior utilizada para perforar en la industria del petróleo y el gas.
La figura 2 muestra los componentes estructurales de una plataforma de turbina eólica flotante.
La figura 3 proporciona una ilustración detallada de una estructura de celosía.
Las figuras 4a y 4b proporcionan una ilustración detallada de realizaciones de una columna estabilizadora. Las figuras 5a y 5b proporcionan ilustraciones detalladas de placas de retención de agua y componentes correspondientes.
La figura 6 proporciona una ilustración de una vista superior de la geometría de la estructura de columnas y celosía estabilizadora de una plataforma de turbina eólica flotante.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
No debe suponerse que el tema tratado en la sección de antecedentes constituye técnica anterior simplemente por haber sido mencionado en la sección de antecedentes. De manera similar, no debe suponerse que un problema mencionado en la sección de antecedentes o relacionado con el tema de la sección de antecedentes se haya detectado previamente en la técnica anterior. El tema de la sección de antecedentes simplemente representa distintos enfoques, que de por sí también pueden corresponder a implementaciones de las invenciones reivindicadas.
La siguiente descripción detallada se hace con referencia a la tecnología descrita. Las implementaciones preferidas se describen para ilustrar la tecnología descrita, no para limitar su alcance, que está definido por las reivindicaciones. Los expertos en la técnica reconocerán una variedad de variaciones equivalentes en la descripción.
La plataforma de turbina eólica flotante descrita en esta solicitud introduce un diseño estructural innovador para una base flotante. En una realización, la plataforma de turbina eólica flotante es una plataforma semisumergible de tres columnas con elementos tubulares de celosía que conectan todas las columnas. Las placas de retención de agua se pueden unir a la parte inferior (es decir, el extremo de quilla) de algunas o todas las columnas en forma de placas grandes que se extienden en horizontal (es decir, en voladizo) en la base de las columnas. La torre del generador de la turbina eólica está sujeta a considerables cargas de viento en partes muy altas en la estructura, y la separación entre columnas ayuda a lograr la estabilidad.
Las columnas incluidas en las plataformas descritas en la presente solicitud pueden acoplarse entre sí con elementos tubulares de celosía que incluyen elementos tubulares horizontales y diagonales. Cada columna está compuesta por dos cilindros concéntricos: una carcasa exterior que sirve de flotador para proporcionar flotabilidad y un eje interior con un diámetro más pequeño que la carcasa exterior que sirve de elemento tubular vertical para soportar las cargas de la turbina eólica. Los ejes interiores también transfieren las cargas hidrodinámicas e hidrostáticas globales entre las columnas, siendo transportadas las cargas hidrodinámicas e hidrostáticas por la carcasa exterior. Además, los ejes interiores transfieren cargas de la turbina (es decir, el momento de flexión y la fuerza de cizallamiento asociada en la base de la torre) a otras columnas mediante los elementos tubulares principales horizontales y los elementos tubulares diagonales, todos los cuales están conectados a los ejes interiores. Por lo tanto, el momento inducido por la torre de la turbina eólica puede compensarse mediante cambios relativos de flotabilidad de las columnas individuales.
Las plataformas de turbina eólica flotante descritas en esta solicitud también pueden incluir características adicionales más allá de la estructura de celosía que mejoren el desempeño de la plataforma de la turbina de viento. En algunas realizaciones, la plataforma de turbina eólica flotante puede incluir un sistema de lastre activo que mueve el lastre líquido entre las columnas estabilizadoras (ver, Patente de EE. UU. n.° 8.471.396), lo que permite compensar el momento inducido por el viento mediante un cambio de peso de las columnas individuales mediante el bombeo de líquido entre las columnas. Las columnas pueden albergar un sistema de lastre activo que transfiere líquido entre tanques situados en el interior de las columnas mediante bombas para mantener la plataforma flotante en alineación vertical para una óptima eficiencia de conversión de energía. Por ejemplo, cuando el viento sopla en dirección a la torre, un sensor puede detectar la rotación del generador de turbina eólica. El sensor se puede acoplar a un controlador que controle las bombas para eliminar el líquido de una columna a fin de aumentar la flotabilidad y para agregar líquido a otra columna a fin de aumentar el peso en dicha columna. En una realización, puede haber múltiples bombas en cada columna que controlen trayectorias de líquido independientes hacia y desde las otras columnas.
El controlador de lastre también puede ajustar los volúmenes de líquido de las columnas para ajustar el ángulo de lado a lado del generador de turbina eólica. En algunas realizaciones, las columnas tienen sensores que detectan el volumen de líquido por las distintas profundidades de agua en cada una de las columnas. El movimiento activo del lastre líquido entre columnas puede compensar las fuerzas inducidas por el viento para mantener nivelada la plataforma. En algunas realizaciones, el sistema de lastre activo puede ser un sistema de bucle cerrado configurado para evitar una posible inundación y hundimiento de la plataforma de turbina eólica flotante aislando por completo el líquido del sistema de lastre del agua de mar circundante. Las bombas de lastre pueden hacer que el líquido fluya a través de las tuberías asociadas a los elementos de celosía conectados entre cada una de las columnas. En tal realización, nunca se permite que el agua de mar circundante penetre en el sistema de lastre activo. El líquido utilizado en el sistema de lastre activo puede ser agua dulce para mitigar los problemas de corrosión y otros problemas relacionados con el agua de mar. El agua se puede agregar en el muelle antes de remolcar mar adentro, o se puede agregar mediante un bote de abastecimiento.
En una realización del sistema de lastre líquido, se pueden utilizar sensores de alineación que incluyen giroscopios montados a lo largo del eje X y el eje Y para controlar la distribución de líquido de lastre entre las columnas. Los giroscopios emiten una señal que representa la velocidad angular de rotación que puede expresarse en grados por segundo. Una integración de la velocidad angular de rotación producirá una posición angular. Por lo tanto, los giroscopios del sensor de alineación se pueden utilizar para medir la variación en la alineación de la plataforma y la torre. El giroscopio del eje X está en el plano horizontal y se puede alinear con la línea central de la plataforma de turbina eólica flotante. El acelerómetro del eje Y también está en el plano horizontal, pero perpendicular al giroscopio del eje X. El ángulo de compensación a es el ángulo de la estructura sobre el eje Y y la escora y es el ángulo de la estructura sobre el eje X.
Cuando la estructura está perfectamente alineada, el giroscopio del eje X y del eje Y no detecta ninguna aceleración. Sin embargo, si la estructura se inclina en cualquier dirección, el giroscopio del eje X detectará rotación de compensación y el giroscopio del eje Y detectará rotación de escora. Tomando como base esta información, el ángulo de rotación se puede calcular utilizando ecuaciones matemáticas conocidas. Por ejemplo, los ángulos de compensación y escora de la plataforma, a y y, son señales de entrada proporcionadas al sistema de control de lastre por los giroscopios. En primer lugar, las señales medidas se pueden filtrar a paso bajo para cancelar todas las perturbaciones de alta frecuencia resultantes de los efectos dinámicos y estocásticos del oleaje y el viento. Los ángulos de compensación y escora de la plataforma se filtran a paso bajo mediante estrategias de filtrado de paso bajo estándar, tales como los filtros Butterworth de alto nivel. En función de los ángulos filtrados de compensación y escora de la plataforma, a y * , se obtienen los ángulos relativos 0/-, entre los centros superiores de la columna iyj, mediante las siguientes ecuaciones:
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Se usa la siguiente convención. Si O-j es positivo, significa que la columna i es más alta que la columna j. El error e¡-¡ = | Oajuste - Oj es el error utilizado como entrada del controlador. Por lo general, dajuste = 0°. En función de la señal de Qi-j, la bomba correcta P-j se encenderá siempre que e ¡.¡sea mayor que un valor determinado que define la zona muerta para el encendido. Las bombas P-j o P¡-í se apagarán siempre que e- sea menor que un valor determinado que define la zona muerta para el apagado. Dependiendo de los ángulos relativos O-j, una, dos o tres bombas estarán encendidas. Con este algoritmo basado en los ángulos relativos entre los centros superiores de la columna estabilizadora, siempre se considera la ruta de transferencia de líquido más rápida, por lo que la plataforma siempre vuelve a estar nivelada muy rápidamente o lo más rápido posible en cada situación. El baipás automático también funciona con dicho enfoque, si una bomba se vuelve repentinamente deficiente. La dinámica de la plataforma se mide, incluidos sus ángulos de compensación y escora, a y y, y se utiliza para proporcionar una medición del ángulo de escora retroalimentado en el bucle de retroalimentación. Por lo tanto, tomando como base las señales del sensor de alineación, el controlador de lastre puede controlar las bombas para ajustar el volumen de líquido en el interior de cada una de las columnas para corregir el desplazamiento angular de la alineación vertical. Cuando la plataforma se encuentra dentro del ángulo horizontal aceptable, el sistema de lastre dejará de mover líquido entre las columnas estabilizadoras.
En una realización, la torre del generador de la turbina eólica está unida a la parte superior del eje interior de una de las columnas estabilizadoras, que a su vez está acoplada a los ejes interiores de otras columnas mediante los elementos de celosía. En algunas formas realizaciones, los elementos de celosía también pueden fijarse a la carcasa exterior de la columna estabilizadora. Por ejemplo, los elementos de celosía pueden soldarse a las carcasas exteriores de cada columna. Esta construcción mejora la eficiencia estructural general de la plataforma de turbina eólica flotante y permite que la estructura tenga un peso relativamente ligero. La torre de la turbina eólica se puede acoplar directamente sobre una columna estabilizadora que soporte el peso de la torre y los componentes de la turbina eólica, mientras que las otras columnas estabilizadoras funcionan principalmente para estabilizar la plataforma en su conjunto y mantener la torre en alineación sustancialmente vertical. Como se mencionó anteriormente, el sistema de control de lastre activo, en una realización, puede usarse para mover líquido de lastre entre las columnas estabilizadoras para ayudar a mejorar la estabilidad de la plataforma.
En algunas realizaciones, el diámetro de la columna estabilizadora que soporta la torre del generador de la turbina eólica puede ser mayor que el diámetro de las otras dos columnas estabilizadoras a fin de proporcionar flotabilidad adicional para compensar el peso de la torre y la turbina. En otra realización, la distancia entre los centros de las dos columnas estabilizadoras que no soportan el generador de la turbina eólica puede ser distinta de la distancia entre el centro de las dos columnas que no soportan el generador de la turbina eólica y el centro de la columna que soporta el generador de la turbina eólica. En esta realización concreta con tres columnas estabilizadoras, la sección transversal triangular aparece como un triángulo isósceles, a diferencia de otra realización donde las distancias entre los centros de las columnas estabilizadoras son uniformes y aparecen como una sección transversal de triángulo equilátero. En otra realización, las distancias entre las columnas estabilizadoras pueden ser todas distintas, con lo que se obtiene una sección transversal triangular que se manifiesta como un triángulo escaleno.
Una góndola, que puede albergar, por ejemplo, uno o más de los siguientes: un sistema de control de cabeceo para las palas de la turbina, la caja de engranajes, el controlador de guiñada y el generador, se puede montar en la parte superior de la torre. Esta puede proporcionar soporte al cubo y las palas de la turbina, que se extienden desde el cubo. El cubo puede incluir un mecanismo que permita ajustar el paso de las palas de la turbina, de modo que la velocidad de rotación de las palas de la turbina sea constante en un rango normal de velocidad del viento. La góndola se puede acoplar a un sistema de control de guiñada que dirija las palas de la turbina directamente hacia el viento para una óptima eficiencia. El equipamiento de la turbina eólica, tal como la caja de engranajes y el generador eléctrico, que normalmente se colocan dentro de la góndola, puede albergarse allí o, en otra realización, puede colocarse más abajo en la torre o encima de una columna estabilizadora.
En otra realización, también pueden utilizarse turbinas de accionamiento directo, que no tienen cajas de engranajes, con las plataformas eólicas semisumergibles descritas en esta solicitud. La energía eléctrica producida por el generador puede tener una frecuencia y amplitud aleatorias debido a la velocidad variable del viento. La energía eléctrica se puede alterar mediante un transformador, inversor y rectificador para producir un voltaje y corriente de salida uniformes. En varias realizaciones, estos componentes eléctricos pueden estar ubicados en la góndola, en la parte inferior de la torre o en el lado superior de otra columna estabilizadora.
La producción eléctrica de la turbina de viento se puede transmitir mediante un cable eléctrico que llegue hasta el fondo del mar y una central eléctrica. En lugar de ir directamente al fondo del mar, una parte del cable se puede acoplar a mecanismos de flotabilidad que eleven dicha parte del cable. El cable puede tener una trayectoria curva, lo que permite que la plataforma de turbina eólica flotante se mueva vertical u horizontalmente con el oleaje, la corriente y las mareas sin someter al cable a una tensión adicional significativa. (Ver, por ejemplo, las solicitudes en trámite con los números de serie 62/069.235 y 14/924.448, previamente incorporadas como referencia).
En una realización, la plataforma de turbina eólica flotante tiene una configuración especial que proporciona una estructura de alta resistencia. Si bien la descripción recogida en esta solicitud generalmente se refiere a elementos de celosía que se montan entre las tres columnas, donde los elementos de celosía son de igual longitud y la sección transversal triangular resultante forma sustancialmente un triángulo equilátero, un experto en la materia podrá apreciar que la plataforma puede estar formada por más de tres columnas estabilizadoras, y puede estar formada por más de tres elementos de celosía y por elementos de celosía de desigual longitud.
Específicamente, en una realización, cada una de al menos tres columnas estabilizadoras puede estar dispuesta en un vértice de un polígono convexo (por ejemplo, un triángulo) formado por las al menos tres columnas estabilizadoras y las al menos tres elementos de celosía que se conectan a las columnas estabilizadoras. La sección transversal del polígono convexo (por ejemplo, sección transversal triangular en una realización) está formada por las columnas estabilizadoras y los elementos de celosía en un plano perpendicular a los ejes longitudinales de las al menos tres columnas estabilizadoras.
En otra realización, los elementos de celosía montados entre las tres columnas pueden ser de distintas longitudes, formando, en algunos casos, un triángulo isósceles con la columna que soporta la torre del generador de la turbina eólica en el vértice donde se encuentran los dos elementos de celosía de igual longitud. En otras realizaciones, los elementos de celosía de desigual longitud montados entre las tres columnas pueden formar un triángulo escaleno en sección transversal.
En algunas realizaciones, se puede usar acero estructural de alta resistencia para aplicaciones marítimas (por ejemplo, con un límite elástico de hasta 420 MPa) en los elementos tubulares principales horizontales de los elementos de celosía y los elementos tubulares diagonales. Además, las piezas que se pueden prefabricar en una fábrica (por ejemplo, elementos tubulares rectos) pueden estar hechas de acero con un límite elástico de hasta 690 MPa para minimizar el peso y los costes de construcción.
Ahora haciendo referencia a las figuras, en la industria del petróleo y el gas se utiliza habitualmente un semisumergible en forma de casco, como se muestra en la figura 1. El diseño semisumergible en forma de casco es un diseño estabilizado por columnas que obtiene su estabilidad de la distancia entre las columnas 105a, 105b, 105c, 105d, 105e y 105f en lugar de del tamaño del área de flotación, como en el caso de las estructuras en forma de barco. Los pontones de grandes dimensiones 110a y 110b que conectan las columnas 105a, 105b, 105c y 105d, y 105e, 105f y dos columnas adicionales que están tapadas en la figura 1 proporcionan flotabilidad adicional. En algunas realizaciones, las columnas 105a, 105b, 105c, 105d, 105e y 105f pueden ser redondas o cuadradas, y generalmente están reforzadas ortogonalmente; no obstante, las columnas pueden tener una variedad de formas. En semisumergibles, las cargas de oleaje soportadas por las columnas se transfieren lateralmente entre las columnas mediante los pontones 110a y 110b y ocasionalmente, mediante los elementos de celosía tubulares 115a, 115b, 115c y 115d, que se enmarcan en las carcasas exteriores de la columna. Las columnas también soportan una plataforma superior 120, que produce cargas de gravedad verticales en la parte superior de las columnas.
Comparativamente, las cargas sobre cimientos flotantes para turbinas eólicas son diferentes. Son una combinación de dos tipos de cargas. El primer tipo de cargas en la plataforma son las cargas de turbina. Estas son generadas por el rotor conectado a la góndola en la parte superior de la torre y a continuación, se transfieren a la base de la torre mediante un momento de flexión, así como mediante fuerza axial y de cizallamiento. Estas cargas tienen la particularidad de ser relativamente elevadas durante el funcionamiento normal, cuando la turbina está girando y produciendo electricidad. Estas incluyen las cargas de viento aerodinámicas, así las como cargas de inercia y gravedad en el conjunto rotor-góndola (GRG) y la torre. Dichas cargas no son lineales y provocan un elevado momento de flexión en la base de la torre, provocando también un cizallamiento horizontal relacionado.
Las cargas de cizallamiento pueden variar dependiendo de la potencia de la turbina, que varía de forma aproximadamente proporcional al diámetro del rotor. Una turbina de varios megavatios normalmente provocará cargas nominales de unos pocos cientos a unos pocos miles de kN y momentos de flexión del orden de 10 a 100 veces las cargas de cizallamiento básicas dependiendo de la altura de la torre. La altura de la torre depende, además, de la longitud de las palas de la turbina. Por ejemplo, la torre está típicamente a una altura tal que las puntas de las palas de la turbina, en sus posiciones más bajas, se encuentran aproximadamente a 15-20 metros sobre el nivel del mar. Por lo tanto, la estructura de la plataforma flotante debe diseñarse para manejar estas cargas de momento de cizallamiento y flexión.
Las cargas de gravedad también crean una carga vertical en la base de la torre. El predominio de estas cargas en condiciones normales de funcionamiento apunta a la importancia de la carga de fatiga sobre la estructura en su conjunto. Las cargas que se producen con frecuencia generan daños por fatiga, y las conexiones entre distintas partes de la estructura deben diseñarse para proporcionar suficiente resistencia a la fatiga a la plataforma. Las cargas extremas en el conjunto rotor-góndola y la torre, ya sea debido a movimientos extremos o cargas de viento extremas en el rotor, también juegan un papel importante en el diseño de la plataforma flotante.
El segundo y tercer tipo de cargas sobre la plataforma eólica flotante son cargas hidrodinámicas e hidrostáticas. Las cargas hidrodinámicas incluyen las cargas de oleaje por difracción y radiación de olas en el casco y de viscosidad, así como las cargas de corriente. Las cargas hidrodinámicas también incluyen la flotabilidad. Estos tipos de cargas hidrodinámicas son importantes en el diseño de todo tipo de semisumergibles.
La estructura de la plataforma de turbina eólica flotante está diseñada, en una realización, para soportar y transferir esta compleja combinación de cargas de la manera más óptima posible y para garantizar, al mismo tiempo, la rentabilidad de la fabricación. Esto se logra mediante una serie de innovaciones estructurales en las distintas partes de la plataforma flotante de turbina eólica, que se destacan en las figuras 2-6.
La figura 2 muestra los componentes estructurales de una plataforma de turbina eólica flotante. La conexión de la torre a la cimentación 205 en la parte superior de una de las columnas 215a se realiza mediante una conexión de brida para facilitar la instalación de la turbina y el conjunto rotor-góndola. Esta conexión de brida es típica de turbinas terrestres y de monopilotes marinos. En el caso de estructuras flotantes, donde la parte flotante de la estructura está típicamente diseñada para flotar y para soportar la carga del oleaje, las cargas deben pasar hasta los cimientos. En una realización de la plataforma de turbina eólica flotante, la transferencia de cargas a la cimentación se consigue mediante una conexión directa entre las bridas y un eje interior de idéntico diámetro dentro de la columna estabilizadora 215a que soporta la torre. El diámetro de la base de la torre para turbinas marinas de varios megavatios varía (la mayoría de las veces entre 3 y 7 metros), pero generalmente es más pequeño que el diámetro necesario para que la columna estabilizadora proporcione flotabilidad, por lo que la conexión de la torre a la columna estabilizadora no podría ser una simple brida. En su lugar, se proporciona un eje interior dentro de la carcasa exterior de la columna estabilizadora. La provisión del eje interior dentro de la carcasa exterior minimiza la cantidad de detalles necesarios en la conexión de la torre a la columna. Esta configuración también minimiza la cantidad de estructura adicional necesaria. La conexión está optimizada localmente para soportar cargas de fatiga. El eje interior o la brida también se pueden conectar a la parte superior restante de la columna para proporcionar integridad a la columna. La parte superior de la columna puede experimentar cargas locales y necesitar refuerzo local, pero no está diseñada para transferir cargas globales de turbinas a toda la cimentación. La mayoría de las cargas procedentes de la torre de la turbina eólica se pasan al eje interior mediante una conexión de brida al eje interior.
Además, las placas de retención de agua («PRA») 220a, 220b y 220c pueden conectarse directamente a las columnas en su extremo de quilla como placas planas reforzadas. Las placas de retención de agua 220a, 220b y 220c soportan cargas de presión vertical significativas provocadas por las cargas de oleaje y por cargas viscosas debido al desprendimiento de vórtices en los bordes de la placa de retención de agua. Estas cargas se transfieren a las columnas estabilizadoras. Generalmente, estas cargas son más pequeñas que la presión hidrostática en las columnas cercanas. Por lo tanto, el espesor de la placa de retención de agua generalmente es pequeño en comparación con las carcasas exteriores de las columnas estabilizadoras.
Además, las placas de retención de agua 220a, 220b y 220c sobresalen en voladizo de las estructuras principales (por ejemplo, columnas y/o elementos de celosía, como se describirá con más detalle a continuación), para transferir las cargas de vuelta a la estructura. Esta configuración proporciona mucha libertad para ajustar la forma de las placas de retención de agua según sea necesario para el comportamiento general de la plataforma y se basa en el mismo diseño general para las columnas y los elementos de celosía. Las placas de retención de agua aumentan la amortiguación de los movimientos inducidos por el viento y el oleaje y permiten ajustar los períodos de resonancia de la plataforma en relación con los períodos de oleaje. Las conexiones de las placas de retención de agua a las columnas estabilizadoras deben soportar las cargas de fatiga cíclicas generadas por las presiones hidrodinámicas del oleaje sobre las placas de retención de agua durante la vida útil de la plataforma, así como las cargas hidrodinámicas extremas en estados elevados del mar. La carcasa exterior de las columnas estabilizadoras soporta la mayoría de estas cargas hidrostáticas en el casco.
Los ejes interiores situados dentro de cada una de las columnas estabilizadoras 215a, 215b y 215c forman parte de una estructura general de celosía que incluye elementos tubulares principales horizontales 210a y elementos tubulares diagonales 210b y que conecta las columnas estabilizadoras 215a, 215b y 215c entre sí.
Como se muestra con más detalle en la figura 3, los ejes interiores 315, 320 y 325 situados dentro de cada columna están hechos de elementos tubulares delgados no reforzados y sirven como parte de la estructura general de celosía. La estructura general de celosía está diseñada para soportar la transferencia de cargas globales en la estructura, especialmente de las cargas de turbina en la base de la torre, pero también las cargas hidrodinámicas e hidrostáticas globales. En una realización, hay tres elementos de celosía. Cada elemento de celosía tiene dos elementos tubulares principales horizontales 305 y dos elementos tubulares diagonales 310. Los dos elementos tubulares principales horizontales 305 que, en la figura 3, se extienden entre columnas que contienen los ejes interiores 320 y 325 también pueden denominarse, en esta solicitud, elementos laterales de celosía por su capacidad para transferir cargas lateralmente entre las columnas, que están expuestas a cargas ambientales oceánicas. Además de los dos elementos tubulares principales horizontales 305, el elemento de celosía puede incluir, además, dos elementos tubulares diagonales 310. Los dos elementos tubulares diagonales 310 se utilizan para proporcionar soporte estructural adicional a la celosía lateral conectando una de las columnas a uno de los dos elementos tubulares principales horizontales 305.
Las cargas de presión (es decir, las cargas hidrostáticas e hidrodinámicas) sobre los elementos de celosía pueden minimizarse garantizando que los diámetros de los elementos tubulares principales horizontales 305 y los diámetros de los elementos tubulares diagonales 310 sean lo suficientemente pequeños como para que las cargas de presión no afecten al grosor de las paredes de los elementos de celosía (es decir, una relación longitud-diámetro de más de 7, con lo que a menudo se obtienen diámetros del orden de 1 a 2,5 metros). Puede producirse un pandeo local debido a la aplicación de presión a una placa de retención de agua o a una de las carcasas exteriores. Con diámetros más pequeños, se mejora la resistencia al pandeo local, es decir, es menos probable que una placa ceda cuando se dobla frente a la presión aplicada que cuando está plana. La sección transversal circular de los elementos tubulares principales horizontales y diagonales de los elementos de celosía es favorable desde el punto de vista de las cargas hidrodinámicas, ya que minimiza la resistencia al arrastre en comparación con secciones rectangulares similares. La sección transversal circular también puede transferir de manera eficiente cargas provenientes de las olas desde todas las direcciones. Además, la sección transversal circular se puede fabricar de manera eficiente, usando las mismas líneas de montaje utilizadas para fabricar torres de turbinas eólicas.
Las figuras 4a and 4b proporcionan una ilustración detallada de una columna estabilizadora en una realización. Cada una de las varias columnas estabilizadoras incluye un eje interior que está protegido de la intemperie exterior, ya que está encerrado dentro de la carcasa exterior de la columna estabilizadora. Como se muestra en la figura 4a, el eje interior 405 está diseñado para soportar principalmente las cargas globales transferidas por la torre y los elementos de celosía. El eje interior también puede asumir cierta presión estática externa de los compartimentos de lastre o compartimentos presurizados. Para evitar que los problemas de resistencia al pandeo resultantes se conviertan en un factor perjudicial a la hora de elegir el grosor de la pared del eje interior y para satisfacer las demandas de fabricación, por ejemplo, portabilidad para el transporte, el diámetro del eje interior 405 se reduce al mínimo y puede utilizarse localmente una viga anular interior 410 como estrategia de control de peso. Las vigas anulares 410 están unidas directamente a la pared del eje interior a lo largo de una sección transversal en el interior del eje interior, y su posición vertical se puede ajustar dependiendo de dónde se necesite soporte para resistir la presión externa del lastre o las cargas de punzonamiento provenientes de los elementos de celosía. Los diámetros de los ejes interiores contenidos en las columnas estabilizadoras que no se encuentran debajo de la torre de la turbina eólica serán típicamente más pequeños que el eje interior que soporta la torre de la turbina eólica (por ejemplo, en un intervalo de 3 a 6 metros para la mayoría de las turbinas).
El eje interior también puede contener ejes de acceso vertical para permitir que el personal se desplace de forma eficiente hacia arriba y hacia abajo por el interior de las columnas estabilizadoras para realizar inspecciones o reparaciones del equipo.
El tamaño de la carcasa exterior de la columna 415 está diseñado principalmente para proporcionar suficiente flotabilidad y un comportamiento de movimiento adecuado a la plataforma flotante. La carcasa exterior de la columna es una estructura con paredes verticales rectas desde el extremo de quilla 465 hasta la parte superior de las columnas. En algunas realizaciones, la carcasa exterior puede ser hueva y soldarse a los elementos de celosía para proporcionar la integridad de la flotabilidad de la columna completa. En otras realizaciones, la forma de la carcasa exterior puede estar diseñada para proporcionar a los elementos de celosía una conexión directa al eje interior. La carcasa exterior 415 puede tener forma de carcasa cilíndrica alrededor del eje interior 405. En algunas realizaciones, el eje interior puede extenderse por encima y/o por debajo de la carcasa exterior 415. En otra realización, la carcasa exterior 415 puede tener una forma generalmente cilíndrica con una pieza o piezas en forma de cuña cortadas de las superficies de la carcasa exterior, de modo que puedan entrar los elementos tubulares diagonales 420 y/o los elementos tubulares principales horizontales 425, de modo que la carcasa exterior 415 no entre en contacto con ni obstruya el paso de los elementos tubulares diagonales 420 y/o los elementos tubulares principales horizontales 425.
Para la mayoría de las turbinas eólicas marinas de varios megavatios, el diámetro de las columnas estabilizadoras debe ser mayor de aproximadamente 4 metros y puede alcanzar hasta aproximadamente 15 metros. Las cargas en la carcasa exterior de las columnas estabilizadoras están dominadas por las presiones locales procedentes de la hidroestática y de las cargas de oleaje hidrodinámico, así por las cargas de oleaje y corriente en las columnas estabilizadoras. Las cargas globales transferidas desde los elementos tubulares diagonales 420 y/o los elementos tubulares principales horizontales 425, que pueden pasar a través de la carcasa exterior 415, afectan solo localmente a la carcasa exterior y se tratan mediante un refuerzo local de la placa. Por lo tanto, en una realización la carcasa exterior 415 está diseñada para resistir el pandeo de las carcasas o placas de la carcasa exterior. El diseño puede incluir las carcasas cilíndricas o superficies planas 430a y 430b reforzadas mediante anillos, como se muestra en la figura 4b. Por su rentabilidad, se prefieren las carcasas cilíndricas reforzadas mediante anillos, con las vigas anulares 435, a las carcasas cilíndricas reforzadas ortogonalmente.
En una realización, las columnas estabilizadoras están diseñadas para soportar cargas verticales relativamente pequeñas, ya que las tensiones verticales (es decir, axiales) debidas al peso de la parte superior y las cargas de turbina son soportadas principalmente por el eje interior de la columna estabilizadora correspondiente, y no por la carcasa exterior y los refuerzos verticales (por ejemplo, mamparos). La carga vertical se aplica a la parte inferior o al extremo de quilla de la columna estabilizadora, que está directamente conectada tanto al eje interior como a la carcasa exterior, con lo que la carga vertical se divide entre los dos elementos estructurales. Por lo tanto, la carcasa exterior soporta algunas de las cargas verticales de flotabilidad aplicadas en el extremo de quilla de la columna, pero una parte de estas también se transfiere al eje interior. En consecuencia, se puede reducir al mínimo la carga vertical en la carcasa exterior.
En una realización, las columnas estabilizadoras también pueden compartimentarse utilizando las superficies planas 430a y 430b y los mamparos 440 para crear un compartimento vacío 455 dentro de la columna estabilizadora, que se puede presurizar. Estas superficies planas 430a y 430b y mamparos 440 con refuerzos horizontales 445 proporcionan una funcionalidad compartimentada y una capacidad de supervivencia de la plataforma de turbina eólica flotante en caso de que se inunde un compartimiento. Además, también se pueden utilizar para reducir al mínimo las cargas globales soportadas por la carcasa exterior y para transferir estas cargas de vuelta al eje interior. Por ejemplo, los mamparos 440 pueden cargarse con fuerza de cizallamiento debido al oleaje y las corrientes.
En una realización, la carcasa exterior 415 de las columnas puede actuar como un recipiente a presión. Se puede reducir al mínimo su escantillón (espesor y refuerzo de la pared) minimizando el efecto de la presión local sobre la placa utilizada para formar la carcasa exterior. Esta reducción en la presión localizada se puede lograr equilibrando la presión externa del nivel hidrostático del agua y el oleaje proporcionando una presión estática interna. Para una carcasa exterior cilíndrica 415 hecha de acero, por ejemplo, la mejor configuración se obtiene cuando la presión interna siempre excede la presión externa: la presión externa provoca un pandeo bajo tensión radial de compresión, mientras que la presión interna genera tensión de tracción en la carcasa. Debido a una mayor inestabilidad del pandeo, las tensiones admisibles son mayores bajo tensión de tracción que bajo tensión de compresión en el acero.
Una de las ventajas de utilizar un cilindro de acero para la carcasa exterior es que los compartimentos anulares permanentes de lastre 450 pueden estar presurizados en el interior. Puede crearse presión estática interna mediante un lastre líquido o gaseoso en los compartimentos anulares permanentes de lastre 450 entre el eje interior y la carcasa exterior. En el caso del lastre líquido, la altura del lastre determina cuánta presión puede restar a la presión exterior. Por ejemplo, si un compartimento está situado a 10 metros por debajo de la línea de flotación media y se espera que la presión del oleaje extremo alcance una altura adicional de 10 metros, se debe proporcionar una columna de agua de 20 metros de altura (o 0,2MPa o 2 bares) dentro del compartimento para compensar la presión externa. Esto se logra llenando por completo de agua el compartimiento hasta las rejillas de ventilación, que están situadas en el extremo superior de las columnas y por encima del alcance del agua del mar, evitando inundaciones accidentales.
En una realización, las rejillas de ventilación pueden incluir válvulas de entrada y salida de aire en un compartimento de lastre. La válvula de entrada y salida de aire puede sellarse durante el funcionamiento normal. La válvula de entrada y salida de aire puede garantizar, además, que se mantenga la presión atmosférica en la parte superior del agua de lastre en el momento del llenado dejando salir aire durante el llenado del compartimento de lastre y, a la inversa, dejando entrar aire cuando se drena el compartimento de lastre. En este caso, si la columna se extiende hasta 11 metros por encima de la línea de flotación media, la rejilla de ventilación estará situada a unos 11,75 metros por encima de la línea de flotación media, proporcionando una columna de agua de más de 20 metros para presurizar el compartimento de lastre, que es suficiente para anular la presión externa. Las columnas suelen situarse unos 10 metros por encima de la línea de flotación media para que el oleaje extremo no dañe el equipamiento situado en la parte superior de la columna y para que no penetre agua a través de las rejillas de ventilación.
En algunas realizaciones, se puede obtener la presión estática interna entre el eje interior y la carcasa exterior en la columna estabilizadora utilizando un gas uniformemente presurizado. En tales casos, el compartimiento de lastre se presuriza mediante la válvula de entrada y salida situadas en la parte superior del compartimiento de lastre durante la instalación y, por lo tanto, puede que no sea necesario una rejilla de ventilación con la válvula de entrada y salida. La presión puede supervisarse mediante un sensor de presión. Dado que la variación de presión en el interior del compartimento de lastre no sigue la misma tendencia que la presión hidrostática en el exterior del compartimento de lastre (linealmente proporcional a la profundidad del agua), sino que es uniforme, la presión en el interior del compartimento de lastre puede ajustarse a un valor optimizado para todos los niveles del compartimento de lastre. A diferencia de en el caso del lastre líquido, también podría ajustarse a presiones ligeramente mayores que la altura de la columna (por ejemplo, varias barras más alta), si fuese necesario.
En algunas realizaciones, la presión en un compartimento de lastre activo 460 puede controlarse de forma dinámica mediante rejillas de ventilación a la atmósfera. Estas rejillas de ventilación atmosféricas pueden contener estructuras que permitan que el aire se escape para ingresar al sistema de lastre activo. No obstante, las rejillas de ventilación deben estar protegidas para evitar la entrada no deseada de agua de mar durante el funcionamiento habitual en el océano. En una realización, se puede utilizar una válvula de entrada y salida para subir o bajar la presión en un compartimento en consecuencia. Por ejemplo, un sistema de control de la presión puede supervisar el compartimento de lastre activo 460 mediante sensores de presión. En caso de pérdida de presión, se puede activar una alarma y la presión se puede ajustar automáticamente o mediante una aportación por parte de un usuario. Los ajustes también pueden tener en cuenta la evaporación si el lastre líquido se extiende hacia las rejillas de ventilación, llegando hasta la parte superior de la columna. La presión interna se puede mantener para que sea aproximadamente igual a la presión de una columna de agua que se extienda entre un compartimiento dado y la parte superior de la rejilla de ventilación. Para alturas de columna típicas que varíen entre los 20 y los 40 metros, las presiones internas serán de hasta 4 bares.
La figura 5a proporciona una ilustración de los detalles de las placas de retención de agua 220a, 220b y 220c. Las placas de retención de agua 220a, 220b y 220c son placas planas reforzadas 505 que están conectadas directamente al extremo de quilla de las columnas estabilizadoras. Las placas de retención de agua sobresalen en voladizo de la quilla plana inferior 465 de la columna y utilizan los componentes estructurales existentes como soporte. Por ejemplo, la placa de retención de agua puede estar conectada a un par de elementos tubulares principales horizontales inferiores 510, donde sus tramos se crucen en la columna estabilizadora. Las placas de retención de agua también pueden conectarse de vuelta a la quilla 465 de la columna. Las placas de retención de agua están soportadas por vigas circunferenciales 515 y vigas radiales 520. Las vigas radiales 520 transfieren las cargas de flexión debidas a la carga hidrodinámica de vuelta a la columna. Las superficies planas están reforzadas de modo que las vigas radiales 520 se encuentren con una viga plana coincidente, que a su vez transfiere la carga de vuelta al eje interior. Para un mayor refuerzo, se pueden usar los puntales angulares 525. Los puntales angulares 525 son elementos tubulares que pueden tener un diámetro pequeño (por ejemplo, de menos de 1,5 metros) y pueden soportar las cargas hidrodinámicas verticales de las placas de retención de agua principalmente como cargas axiales, y transferir estas cargas de vuelta a la carcasa exterior de la columna. La carcasa exterior de la columna está reforzada localmente para soportar las cargas. Estas conexiones entre la placa de retención de agua y las columnas son objeto de análisis de fatiga y de resistencia.
La figura 5b proporciona otra realización de las placas de retención de agua 220a, 220b y 220c. En esta realización, la placa plana reforzada 530 se extiende radialmente desde al menos una parte de la circunferencia del extremo de quilla de la columna estabilizadora. La placa plana reforzada 530 también se extiende radialmente en la dirección de los dos elementos tubulares principales horizontales inferiores 510 conectados a la columna estabilizadora 535. De forma similar a la placa de retención de agua que se muestra en la figura 5a, la placa de retención de agua de la figura 5b sobresale en voladizo del extremo de quilla 465 de la columna 535 y puede utilizar los dos elementos tubulares principales horizontales inferiores 540a y 540b como soporte. En esta realización, la placa de retención de agua está soportada por las vigas circunferenciales 545 y vigas radiales 550. Las vigas radiales 550 transfieren las cargas de flexión de vuelta a la columna 535. Los elementos tubulares de puntales angulares 555 pueden soportar cargas hidrodinámicas verticales desde la placa de retención de agua y transferir estas cargas de vuelta a la columna 535. Como se muestra en la figura 5b, la parte de la placa de retención de agua que se extiende radialmente en la dirección de los dos elementos tubulares principales horizontales inferiores 540a y 540b produce una prolongación de la placa de retención de agua con forma triangular desde la parte de la placa de retención de agua que se extiende radialmente desde al menos una parte de la columna. 535.
Además, en algunas realizaciones, la parte de la placa de retención de agua que se extiende radialmente desde la columna 535 no se extiende desde la circunferencia completa de la columna 535. Por ejemplo, puede haber uno o más espacios 560 donde no esté presente la placa reforzada (que también aparecen en la figura 4b junto a la quilla 465). La estructura combinada de la placa de retención de agua (es decir, placa plana reforzada que se extiende radialmente desde el extremo de quilla de la columna estabilizadora y se extiende radialmente en la dirección de los dos elementos tubulares principales horizontales inferiores conectados a la columna estabilizadora) tiene forma de ojo de cerradura con un espacio en la parte superior, como se muestra en la figura 4b y la figura 5b. La forma y el tamaño de la placa de retención de agua pueden modificarse aún más para adaptarse a una variedad de restricciones de diseño y condiciones ambientales esperadas cuando se despliegue la estructura de la plataforma en el mar.
El diseño de la plataforma, incluido el diámetro de las columnas y su ubicación, se puede ajustar según las especificidades del proyecto para obtener una configuración estructural óptima. La figura 6 proporciona una ilustración detallada de las dimensiones de las columnas y los elementos de celosía. El diámetro D1 de la columna 1605, la columna que soporta la torre del generador de turbina eólica 620, puede ser mayor que el diámetro D2 de la columna 610 y la columna 615. Además, la distancia entre el centro de la columna 610 y el centro de la columna 615 puede ser menor o mayor que la distancia entre el centro de la columna 605 y el centro de la columna 610 o la columna 615. En esta configuración estructural, el ángulo entre los ejes que conectan la columna 605 a la columna 610 y la columna 605 a la columna 615 puede variar entre 45 y 60, o entre 60 y 90 grados. La altura de las tres columnas sobre el agua (francobordo) y bajo el agua (calado) se ajusta según el entorno metoceánico, las limitaciones de fabricación e instalación y el rendimiento de la turbina.
La descripción de la plataforma de turbina eólica flotante anterior no representa una lista exhaustiva de características, ya que se pueden incorporar otras estructuras. Además, las estructuras pueden utilizarse individualmente o en combinación unas con otras. Por lo tanto, el ejemplo que ilustra el uso de la tecnología descrita en esta solicitud no debe tomarse como limitante o preferido. Los ejemplos anteriormente proporcionados se utilizan simplemente para ilustrar la tecnología descrita sin ser demasiado complicados. No pretenden ilustrar todas las tecnologías descritas. La tecnología en cuestión se ilustra según diversos aspectos que se describen a continuación. Se proporciona una plataforma de turbina eólica flotante semisumergible que incluye tres columnas estabilizadoras alargadas. Cada una de las tres columnas estabilizadoras tiene un extremo superior, un extremo de quilla y una carcasa exterior que contiene un eje interior. Cada una de las tres columnas estabilizadoras también tiene una placa de retención de agua en el extremo de quilla. Además, cada placa de retención de agua está en voladizo en un plano perpendicular a un eje longitudinal de la columna estabilizadora.
Además, la plataforma de turbina eólica flotante semisumergible incluye tres elementos de celosía, donde cada elemento de celosía incluye dos elementos tubulares principales horizontales y dos elementos tubulares diagonales. Cada uno de los elementos tubulares principales horizontales tiene un primer extremo para conectarse al eje interior de una de las tres columnas estabilizadoras y un segundo extremo para conectarse al eje interior de otra de las tres columnas estabilizadoras. Las tres columnas estabilizadoras interconectadas y los tres elementos de celosía forman una sección transversal triangular en un plano perpendicular a los ejes longitudinales de las tres columnas estabilizadoras, donde los tres lados de la sección transversal triangular son los tres elementos de celosía y los tres vértices de la sección transversal triangular son las tres columnas estabilizadoras. Para cada elemento de celosía, cada uno de los dos elementos tubulares diagonales también tiene un primer extremo y un segundo extremo, donde el primer extremo de cada elemento tubular diagonal está conectado al eje interior de una columna estabilizadora y el segundo extremo de cada elemento tubular diagonal está conectado a uno de los elementos tubulares horizontales en el mismo elemento de celosía. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible incluye, además, una torre de turbina eólica alargada dispuesta sobre el extremo superior de una de las tres columnas estabilizadoras, de manera que el eje longitudinal de la torre es sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la columna estabilizadora.
En una realización, las muescas en forma de cuña están dispuestas en un lado de cada una de las carcasas exteriores de columna para proporcionar un espacio para que dos elementos de celosía correspondientes a los tres elementos de celosía se conecten al eje interior. En algunas realizaciones, los tres elementos de celosía también están conectados a las carcasas exteriores de columna de las tres columnas estabilizadoras. Los tres elementos de celosía pasan a través y se conectan a las carcasas exteriores de la columna, así como a los ejes interiores.
En algunas realizaciones, uno de los tres elementos de celosía tiene una longitud distinta de los otros dos elementos de celosía, formando una sección transversal triangular que es un triángulo isósceles. La torre de turbina eólica, en esta realización, está dispuesta sobre el extremo superior de la columna estabilizadora conectada a los otros dos elementos de celosía de la misma longitud.
En una realización, los tres elementos de celosía tienen la misma longitud y la sección transversal triangular formada es un triángulo equilátero.
En algunas realizaciones, se forma un compartimento anular entre cada una de las carcasas exteriores de columna y los ejes interiores correspondientes. Los compartimentos anulares proporcionan un volumen que puede presurizarse mediante al menos uno de los siguientes: un líquido y un gas.
En una realización, una de las tres columnas estabilizadoras tiene un diámetro mayor que las otras dos columnas estabilizadoras y la torre de turbina eólica está dispuesta sobre el extremo superior de la columna estabilizadora que tiene el diámetro mayor.
En una realización, un tanque de lastre está dispuesto en el interior de cada una de las tres columnas estabilizadoras. Los tanques de lastre se utilizan para contener lastre que puede transferirse entre las tres columnas estabilizadoras mediante un sistema de control de lastre.
En algunas realizaciones, la carcasa exterior de columna de cada una de las tres columnas estabilizadoras está soportada estructuralmente por al menos uno de los siguientes: mamparos, vigas anulares y superficies planas cilíndricas reforzadas mediante anillos. En algunas realizaciones, el eje interior de cada una de las tres columnas estabilizadoras está soportado estructuralmente por vigas anulares. Y en algunas realizaciones, la carcasa exterior de columna de cada una de las tres columnas estabilizadoras está soportada estructuralmente por al menos uno de los siguientes: mamparos, vigas anulares y superficies planas cilíndricas reforzadas mediante anillos, y el eje interior de cada una de las tres columnas estabilizadores está soportado estructuralmente por las vigas anulares.
En una realización, cada placa de retención de agua se extiende i) radialmente desde al menos una parte de la circunferencia del extremo de quilla de la columna estabilizadora, y ii) radialmente en la dirección de dos de los elementos de celosía conectados a la columna estabilizadora. En una realización, como resultado de las extensiones radiales, cada placa de retención de agua crea aproximadamente una forma de ojo de cerradura en el plano de la placa.
Una plataforma de turbina eólica flotante semisumergible que incluye tres columnas estabilizadoras alargadas, donde cada una de las tres columnas estabilizadoras tiene un extremo superior, un extremo de quilla, y también se proporcionan compartimentos anulares entre una carcasa exterior y un eje interior encerrado por la carcasa exterior de columna. Cada una de las tres columnas estabilizadoras tiene una placa de retención de agua en su extremo de quilla. La placa de retención de agua está en voladizo en un plano perpendicular a un eje longitudinal de la columna estabilizadora.
La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible incluye tres elementos de celosía, donde cada elemento de celosía incluye dos elementos tubulares principales horizontales y dos elementos tubulares diagonales. Cada uno de los elementos tubulares principales horizontales tiene un primer extremo para conectarse al eje interior de una de las tres columnas estabilizadoras y un segundo extremo para conectarse al eje interior de otra de las tres columnas estabilizadoras. Las tres columnas estabilizadoras interconectadas y los tres elementos de celosía forman una sección transversal triangular en un plano perpendicular a los ejes longitudinales de las tres columnas estabilizadoras, donde los tres lados de la sección transversal triangular son los tres elementos de celosía y los tres vértices de la sección transversal triangular son las tres columnas estabilizadoras. Para cada elemento de celosía, cada uno de los dos elementos tubulares diagonales también tiene un primer extremo y un segundo extremo, donde el primer extremo de cada elemento tubular diagonal está conectado al eje interior de una columna estabilizadora y el segundo extremo de cada elemento tubular diagonal está conectado a uno de los elementos tubulares horizontales en el mismo elemento de celosía. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible incluye, además, una torre de turbina eólica alargada dispuesta sobre el extremo superior de una de las tres columnas estabilizadoras, de manera que el eje longitudinal de la torre es sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la columna estabilizadora.
En algunas realizaciones, los compartimentos anulares están separados por al menos uno de los siguientes: mamparos y superficies planas cilíndricas reforzadas mediante anillos. En una realización, la carcasa exterior de columna de cada una de las tres columnas estabilizadoras está soportada estructuralmente por al menos uno de los siguientes: mamparos, superficies planas cilíndricas reforzadas mediante anillos y vigas anulares.
En algunas realizaciones, uno de los tres elementos de celosía tiene una longitud distinta de los otros dos elementos de celosía, formando una sección transversal triangular que es un triángulo isósceles. La torre de turbina eólica está dispuesta sobre el extremo superior de la columna estabilizadora conectada a los otros dos elementos de celosía de la misma longitud.
En una realización, los tres elementos de celosía tienen la misma longitud y la sección transversal triangular formada es un triángulo equilátero.
En algunas realizaciones, los compartimentos anulares proporcionan un volumen que puede presurizarse mediante al menos uno de los siguientes: un líquido y un gas.
En una realización, una de las tres columnas estabilizadoras tiene un diámetro mayor que las otras dos columnas estabilizadoras y la torre de turbina eólica está dispuesta sobre el extremo superior de la columna estabilizadora que tiene el diámetro mayor.
La descripción anterior se proporciona para permitir a cualquier persona experta en la técnica practicar los diversos aspectos descritos en este documento. Diversas modificaciones a estos aspectos resultarán evidentes para los expertos en la técnica y los principios genéricos definidos en este documento pueden ser aplicados a otros aspectos. Por lo tanto, no se pretende que las reivindicaciones se limiten a los aspectos mostrados en este documento, pero se les debe otorgar el alcance completo consistente con las reivindicaciones lingüísticas, donde la referencia a un elemento en singular no pretende referirse a «uno y solo uno» a menos que se especifique así, sino más bien a «uno o más».
Una frase como “aspecto” no implica que dicho aspecto sea esencial para la tecnología en cuestión o que dicho aspecto se aplique a todas las configuraciones de la tecnología en cuestión. Una descripción relacionada con un aspecto puede aplicarse a todas las configuraciones o a una o más configuraciones. Una frase tal como un aspecto puede referirse a uno o más aspectos y viceversa. Una frase tal como una “configuración” no implica que dicha configuración sea esencial para la tecnología de la invención o que dicha configuración se aplique a todas las configuraciones de la tecnología de la invención. Una descripción relacionada con una configuración puede aplicarse a todas las configuraciones o a una o más configuraciones. Una frase tal como una configuración puede referirse a una o más configuraciones y viceversa.
En esta solicitud, la palabra «ejemplar» se utiliza en el sentido de «que sirve de ejemplo o ilustración». Cualquier aspecto o diseño que se describa como «ejemplar» en esta solicitud no debe interpretarse como preferido o ventajoso frente a otros aspectos o diseños.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una plataforma de turbina eólica flotante semisumergible que comprende:
al menos tres columnas estabilizadoras alargadas (215a), teniendo cada una de dichas columnas estabilizadoras (215a) un extremo superior, un extremo de quilla y una carcasa exterior (415) que contiene un eje interior (315), teniendo cada una de las columnas estabilizadoras (215a) una placa de retención de agua (220a) en su extremo de quilla, estando cada placa de retención de agua (220a) en voladizo en un plano perpendicular a un eje longitudinal de la columna estabilizadora (215a);
al menos tres elementos de celosía, cada uno de los cuales incluye dos elementos tubulares principales laterales (210a) y dos elementos tubulares diagonales (210b), teniendo cada uno de los elementos tubulares principales laterales (210a) un primer extremo conectado perpendicularmente al eje interior (315) de una de las columnas estabilizadoras (215a) y un segundo extremo conectado perpendicularmente al eje interior (315) de una columna estabilizadora distinta (215a), de manera que las columnas estabilizadoras interconectadas (215a) y los elementos de celosía formen una sección transversal poligonal convexa en un plano perpendicular a los ejes longitudinales de las columnas estabilizadoras (215a), donde los lados de la sección transversal poligonal convexa son los elementos de celosía y los vértices de la sección transversal poligonal convexa son las columnas estabilizadoras (215a), y para cada elemento de celosía, los dos elementos tubulares diagonales (210b) tienen, cada uno, un primer extremo y un segundo extremo donde el primer extremo de cada elemento tubular diagonal (210b) está conectado al eje interior (315) de una columna estabilizadora (215a) y el segundo extremo de cada elemento tubular diagonal (210b) está conectado a uno de los elementos tubulares principales laterales (210a) en el mismo elemento de celosía; y
una torre alargada de turbina eólica (620) dispuesta sobre el extremo superior de una de las columnas estabilizadoras (215a), de manera que el eje longitudinal de la torre sea sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la columna estabilizadora (215a).
2. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde están dispuestas muescas en forma de cuña en un lado de cada una de las carcasas exteriores de columna (415) para proporcionar un espacio para que dos elementos de celosía correspondientes se conecten al eje interior.
3. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde los elementos de celosía también están conectados a las carcasas exteriores de columna (415) de las columnas estabilizadoras (215a), pasan a través de y están conectados a las carcasas exteriores de columna (415), así como conectados a los ejes interiores (315).
4. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, que incluye tres columnas estabilizadoras alargadas y tres elementos de celosía, donde uno de los tres elementos de celosía tiene una longitud diferente de los otros dos elementos de celosía, y donde la sección transversal poligonal convexa es un triángulo isósceles.
5. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 4, donde la torre de la turbina eólica (620) está dispuesta sobre el extremo superior de la columna estabilizadora (215a) conectada a los otros dos elementos de celosía de la misma longitud.
6. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, que incluye tres columnas estabilizadoras alargadas y tres elementos de celosía, donde los tres elementos de celosía tienen la misma longitud, y donde la sección transversal poligonal convexa es un triángulo equilátero.
7. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde se forma un compartimento anular (450) entre cada una de las carcasas exteriores de columna (415) y los ejes interiores correspondientes (315), proporcionando los compartimentos anulares (450) un volumen que puede presurizarse mediante al menos uno de los siguientes: un líquido y un gas.
8. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde una de las columnas estabilizadoras (215a) es de mayor diámetro que las otras columnas estabilizadoras (215a), estando la torre de la turbina eólica (620) dispuesta sobre el extremo superior de la columna estabilizadora (215a) de mayor diámetro.
9. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde está dispuesto un tanque de lastre dentro de cada una de las columnas estabilizadoras (215a), utilizándose los tanques de lastre para contener lastre que puede transferirse entre las columnas estabilizadoras (215a) mediante un sistema de control de lastre.
10. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde la carcasa exterior de columna (415) de cada una de las columnas estabilizadoras (215a) está soportada estructuralmente por al menos uno de los siguientes: mamparos (440), vigas anulares (410) y superficies planas cilindricas reforzadas mediante anillos (430a).
11. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde el eje interior (315) de cada una de las columnas estabilizadores (215a) está soportado estructuralmente por vigas anulares (410).
12. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde la carcasa exterior de columna (415) de cada una de las columnas estabilizadoras (215a) está soportada estructuralmente por al menos uno de los siguientes: mamparos (440), vigas anulares (410) y superficies planas cilíndricas reforzadas mediante anillos (430a), y donde el eje interior (315) de cada una de las columnas estabilizadoras (215a) está soportado estructuralmente por vigas anulares (410).
13. La plataforma eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde cada placa de retención de agua (220a) se extiende i) radialmente desde al menos una porción de la circunferencia del extremo de quilla de la columna estabilizadora, y ii) radialmente en la dirección de dos de los elementos de celosía conectados a la columna estabilizadora (215a), formando cada placa de retención de agua (220a) una forma de ojo de cerradura.
14. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 1, donde cada una de las columnas estabilizadoras (215a) tiene un compartimento anular (450) entre la carcasa exterior (415) y el eje interior (315).
15. La plataforma de turbina eólica flotante semisumergible de la reivindicación 14, donde los compartimentos anulares (450) proporcionan un volumen que puede presurizarse mediante al menos uno de los siguientes: un líquido y un gas.
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