ES2367616A1 - Boya de fondeo mono-punto giratoria y sumergible, para dispositivos sumergidos, con conexiones eléctricas y ópticas. - Google Patents
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Abstract
Boya de fondeo mono-punto giratoria y sumergible para dispositivos sumergidos, con conexiones eléctricas y ópticas.Se trata de una boya para el fondeo de dispositivos de aprovechamiento de energías renovables marinas que, permite su fijación al dispositivo y al fondo con geometrías reconfigurables, incluyendo el giro libre en horizontal del dispositivo. Esta boya permite la orientación óptima del dispositivo en zonas de corrientes variables.La boya consta de dos partes principales: una exterior a la que se enganchan los cables resistentes y electro-ópticos que unen la boya con el dispositivo, y un núcleo interior que se une al sistema de fondeo y del que sale el cable de exportación de energía, permitiéndose el giro de una parte con respecto a otra. El conjunto tiene una serie de aberturas de conexión en la parte inferior y una campana de aire interior que permite el uso de equipos interiores convencionales.
Description
Boya de fondeo mono-punto
giratoria y sumergible para dispositivos sumergidos, con conexiones
eléctricas y ópticas.
La invención se encuadra dentro del sector de la
"tecnología fuera-costa marina" (offshore
technology) y específicamente dentro las plantas de
aprovechamiento de energías renovables marinas.
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En la actualidad, existe un marcado interés en
el aprovechamiento de las energías renovables marinas. Entre ellas,
el aprovechamiento de las energías de las corrientes y las de las
olas están suscitando un gran interés existiendo múltiples diseños y
prototipos para ambos tipos de energías.
Parte de estos dispositivos, están basados en
sistemas flotantes (en la superficie o sumergidos), sujetos al fondo
marino por sistemas de fondeo, compuestos por cables o cadenas que
unen (de forma rígida o flexible) el dispositivo con los puntos de
enganche situados en el fondo.
En todos los sistemas marinos fondeados, uno de
los problemas a resolver es el del giro de los elementos, cuando las
corrientes marinas van girando y, de forma natural no deseada, se
puede producir un "retorcimiento" de los cables y un
enrollamiento de unos con otros.
Para solucionar este problema muchos sistemas de
fondeo se basan en sistemas "multi-punto" que
sólo permiten ligeros desplazamientos y giros del dispositivo.
Además, el uso de boyas pasivas con sistemas de
enganche y disparo de los cables de tipo sumergible, tiene costes de
capital e instalación elevados.
En los sistemas de explotación "offshore"
de hidrocarburos, es corriente el uso de sistemas de fondeo
mono-punto, normalmente con una boya flotando en la
superficie del mar, que permiten que el buque amarrado a ella se
oriente automáticamente, según la dirección de los vientos, olas y
corrientes marinas.
Estas boyas pueden girar, gracias a que en las
líneas de fondeo se disponen de elementos especiales, como los
grilletes giratorios, adaptándose su orientación a la posición del
buque. También existen diseños de boyas que trabajan sumergidas
(para reducir el impacto de las olas) y que disponen de sistemas de
conexión giratorios para la transmisión de fluidos por medio de
tuberías, pero no con sistemas de conexión eléctrica para altas
potencias, por el problema del riesgo de contacto de los conductores
en tensión con el agua.
Dentro del campo de las energías renovables
marinas, la transmisión de la energía se realiza normalmente por
medio de cables eléctricos, combinados con cables de fibra óptica
para la transmisión de señales, existiendo conectores rotatorios
para trabajar en el aire, pero no sumergibles de la potencia
necesaria para estas aplicaciones.
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El objeto de la presente invención es una boya
(B) para el fondeo mono-punto de dispositivos (D)
para el aprovechamiento de las energías renovables marinas (DAERM),
que permite, por un lado, la fijación entre la boya (B) y el
dispositivo (D) y por otro, el enganche entre la boya (B) y el fondo
marino con geometrías reconfigurables, incluyendo el giro libre en
horizontal y conexiones giratorias para los sistemas mecánicos y
electro-ópticos del dispositivo (D).
La boya (B) consta de dos partes principales
(figura 1): una parte exterior (1), a la que se enganchan los cables
resistentes (21, 23) y electro-ópticos (15) que la unen con el
dispositivo (D) de aprovechamiento de la energía, y un núcleo o
conjunto interior (2), que se une al sistema de fondeo y del que
sale el cable electro-óptico de exportación de energía (16),
permitiéndose el giro de una parte (1) con respecto a otra (2). La
parte exterior (1) puede ser cilíndrica, pero es preferible que
tenga forma currentiforme con objeto de reducir la resistencia ante
las corrientes marinas, evitando el efecto de la boya (B) sobre el
dispositivo que se encuentra aguas abajo.
Dentro de la parte exterior (1) (figura 2)
existe una amplia cámara (3), llena de aire, estanca salvo por unos
tubos (4, 5, 6) que la comunican con la parte inferior de la boya
(B), a través de los cuales pasan el cable resistente de enganche,
de fondeo de longitud controlable, y los cables electro-ópticos.
El conjunto de cámara (3) y tubos (4, 5, 6)
actúa como una campana hidrostática, manteniéndose el nivel de agua
hacia la mitad de la longitud de los tubos (4, 5, 6), por medio del
control del volumen de aire en la cámara (3), que debe estar a una
presión igual a la hidrostática del agua, que es función de la
profundidad a la que trabaja la boya (B).
En el espacio entre la cámara (3) y la
envolvente de la parte exterior (1), existen una serie de tanques de
lastre (7), que, cuando están llenos de agua, permiten que la boya
(B) se sumerja y que, cuando están llenos de aire proporcionan un
alto empuje ascensional.
Durante el proceso de inmersión de la boya (B),
desde la superficie hasta la profundidad de operación, el aire para
la cámara (3) y los tanques de lastre (7), es suministrado a partir
de una tubería exterior que se desconecta una vez que la boya (B)
está situada en su posición de trabajo. Durante la operación, la
pequeña cantidad de aire adicional necesaria para compensar las
pérdidas y los cambios de temperatura se obtiene de botellas de aire
comprimido (8) situadas en la cámara (3).
Para acceder al interior de la cámara (3),
cuando está en la superficie del agua, existe una escotilla estanca
(9). Cuando ésta (9) se abre, se pierde la estanqueidad de la
campana, por lo que la boya (B) debe estar sujeta por medio de
flotadores adicionales, amarrada a una embarcación o colgada de una
grúa, de tal forma que se impida que se pueda hundir.
Dentro de la cámara (3) se sitúa el núcleo
interior (2) de la boya (B) (figura 3). El núcleo interior (2) está
compuesto por una plataforma circular (10) unida a un tubo de salida
principal del núcleo (11) y a una estructura de soporte tipo jaula
(12). El tubo de salida principal del núcleo (11) es concéntrico con
el primer tubo de comunicación principal (4), acoplándose
mecánicamente ambos por medios de juntas rotatorias (13) que
transmiten los esfuerzos entre el núcleo interior (2) y la parte
exterior (1). La parte inferior del tubo de salida principal del
núcleo (11) tiene una zona reforzada (19) para poder enganchar otros
cables de fondeo.
En la parte superior de la estructura de soporte
tipo jaula (12) se sitúa un conector electro-óptico rotatorio (14)
para efectuar la conexión entre el cable electro-óptico de unión
boya-dispositivo (15) que va al dispositivo (D)
DAERM y el cable electro-óptico de exportación de energía (16),
hacia el fondo del mar.
El conjunto formado por el conector
electro-óptico rotatorio (14) y las juntas rotatorias (13), permite
que el núcleo interior (2) pueda girar libremente con respecto a la
parte exterior (1), no existiendo ningún límite en el número de
vueltas.
Sobre la plataforma circular (10) se sitúa el
sistema de enganche y recogida (17) del cable resistente de fondeo
de longitud variable (18) de la boya (B), cuyos detalles de
funcionamiento se describen más adelante.
En la figura 4 se muestra el modo de instalación
de los distintos cables del conjunto boya
(B)-dispositivo (D). El cable electro-óptico de
unión boya-dispositivo (15) sale hacia el
dispositivo (D) DAERM a través del tercer tubo para el paso del
cable electro-óptico (6). El cable electro-óptico de exportación de
energía (16) de conexión con el exterior y el cable resistente de
fondeo de longitud variable (18) salen a través del tubo de salida
principal del núcleo (11).
Desde la cámara (3) sale el cable resistente de
unión boya-dispositivo (21), de longitud variable,
hacia el dispositivo (D) DAERM, a través del segundo tubo de salida
auxiliar (5), sujetándose este cable con un sistema de enganche y
recogida (20), similar al situado en la plataforma circular.
Además de este cable resistente de unión
boya-dispositivo (21), existen otros cables
resistentes de fondeo (22), de longitud fija, de fondeo de la boya
(B) y un cable resistente de reserva de unión
boya-dispositivo (23). El conjunto de cables se
puede operar de la forma siguiente:
En operación normal (figura 5), la boya se
mantiene en una posición fija, gracias a los cables de fondeo (18,
22) que se mantienen tensos por el efecto del empuje hidrostático de
la boya (B). En la figura 4 aparecen como cables dobles, pero pueden
usarse otras combinaciones. Por ejemplo, pueden usarse cables
simples, eliminar los otros cables resistentes de fondeo (22) y
poner el cable resistente de fondeo de longitud variable (18) como
un cable vertical en tensión, o utilizar cables múltiples para
sistemas de fondeo en estrella.
Todos los cables de longitud fija de fondeo (22)
se unen a diversos cáncamos situados en la zona de refuerzo (19) del
tubo de salida principal del núcleo (11) y los cables resistentes de
fondeo de longitud variable se deben unir entre sí, transmitiendo su
fuerza al cable resistente de fondeo de longitud variable (18) que
pasa a través del tubo de salida principal del núcleo (11).
En este modo de operación, el dispositivo (D)
DAERM se mantiene sujeto a la boya (B) a través del cable resistente
de unión boya-dispositivo (21), quedando en banda
(sin tensión) el cable electro-óptico de unión
boya-dispositivo (15) y el cable resistente de
reserva de unión boya-dispositivo (23). Al ir
cambiando la dirección de la corriente el dispositivo (D), estos
tres cables (15, 21, 23) y toda la parte exterior (1) de la boya
(B), van girando con respecto al núcleo interior (2), adaptándose a
la dirección de la corriente de forma automática.
Cuando surge algún problema durante la operación
por el que convenga que el dispositivo (D) DAERM cambie su
orientación (por ejemplo en una turbina de eje horizontal que se
quiera parar, es recomendable poner el eje en posición vertical,
para que la corriente no produzca un par sobre el rotor), basta con
soltar el bloqueo del cable resistente de unión
boya-dispositivo (21), con lo que este cable (21)
pasa a estar en banda y el dispositivo (D) queda sujeto a la boya
(B) por el cable resistente de reserva de unión
boya-dispositivo (23), que al estar enganchado en
puntos distintos de la boya (B) y del dispositivo (D), provoca, por
efecto de la velocidad de la corriente, el giro del dispositivo (D)
DAERM, tal como puede apreciarse en la figura 6. Cuando ha pasado el
problema, se puede recoger el cable resistente de unión
boya-dispositivo (21), por medio del chigre (28),
hasta que se engancha de nuevo en la posición de bloqueo.
Si además de permitir el giro del dispositivo
DAERM, se cambia su flotabilidad (vaciando agua de los tanques de
lastre (7)), el dispositivo (D) saldrá a la superficie, tal como se
ve en la figura 7, pudiendo realizarse operaciones de mantenimiento
de primer nivel en el dispositivo (D).
Cuando se desee sacar la boya (B) a la
superficie para realizar operaciones de mantenimiento en ella, en
primer lugar, hay que inundar parte de sus tanques de lastre (7),
con objeto de reducir la fuerza ascensional de empuje. A
continuación, se suelta de forma controlada el cable resistente de
fondeo de longitud variable (18), hasta que la boya (B) llega a la
superficie (figura 8). Entonces se pueden vaciar del todo los
tanques de lastre (7), para que la boya (B) salga todo lo posible
del agua y una vez fijada a una embarcación de apoyo, puede abrirse
una escotilla estanca (9) y entrar en la cámara (3), para realizar
las labores de mantenimiento.
Para llevar la boya (B) desde la superficie a su
cota de operación, una vez cerrada la escotilla estanca (9), se deja
que entre agua en los tanques de lastre (7) hasta que haya un ligero
empuje ascensional. Entonces se acciona el chigre (28) del cable
resistente de fondeo de longitud variable (18), con lo que la boya
(B) va bajando de forma controlada. Al ir aumentando la profundidad,
el aire en los tanques de lastre (7) y de la cámara (3) se va
comprimiendo, por lo que es necesario aumentar su cantidad, lo que
se puede hacer por medio de un tubo flexible que conecte el sistema
de aire comprimido de la embarcación de apoyo con la campana y los
tanques de lastre (7).
Tanto la campana como los tanques de lastre (7)
tendrán aberturas en su parte inferior, con lo que en todo momento
la presiones interior y la exterior serán iguales, y de esta forma,
se puede disponer de una estructura envolvente ligera al no tener
que ser resistente a la presión.
Cuando el cable resistente de fondeo de longitud
variable (18) llega a la posición de enganche, se bloquea éste (18),
y se procede a llenar de aire todos los tanques de lastre (7), con
lo que la boya (B) consigue su empuje nominal y se desconecta el
cable de aire, quedando para ajustes y pérdidas el disponible en las
botellas de aire comprimido (8).
A continuación puede realizarse un proceso
similar con el dispositivo (D) DAERM, recogiendo el cable resistente
de unión boya-dispositivo (21) hasta que llega a su
posición de enganche. Como las fuerzas de los dispositivos (D) DAERM
son mucho menores en mantenimiento que en operación, los tramos de
extensión de los cables (18, 21) pueden ser de una sección mucho
menor, lo que facilita su recogida en los carreteles de los
chigres.
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En la figura 1 se muestra una vista en planta de
la boya (B), distinguiéndose la parte exterior (1) que puede girar
con respecto a la interior (2).
En la figura 2 se aprecia una vista lateral de
la boya (B).
En la figura 3 se muestra una vista ampliada del
núcleo interior.
En la figura 4 se muestra un resumen del
conjunto de cables y sus elementos de enganche.
En la figura 5 se ve el funcionamiento conjunto
del sistema boya (B) dispositivo (D) DAERM en operación. En la
figura 6 se muestra cuando se ha dejado en banda el cable resistente
de unión boya-dispositivo (21), girando el
dispositivo (D); y, en la figura 7 se muestra con el dispositivo (D)
en la superficie, tras haber vaciado sus tanques de lastre (7).
En la figura 8 se muestra la situación de
mantenimiento de boya (B) y dispositivo (D), tras haber dejado en
banda los cables, el resistente de fondeo de longitud variable (18)
y el resistente de unión boya-dispositivo (21).
En la figura 9 se desarrolla una posibilidad de
realización del sistema de enganche y recogida de los cables de
longitud ajustable.
Los elementos que se incluyen en las figuras
son:
- Boya (B)
- Dispositivo (D) para el aprovechamiento de las energías renovables marinas (DAERM).
- Parte exterior (1).
- Núcleo interior (2) [con posibilidad de giro con respecto al resto de elementos].
- Cámara (3) [estanca por efecto de campana].
- Primer tubo de comunicación principal (4).
- Segundo tubo de salida auxiliar (5).
- Tercer tubo para el paso del cable electro-óptico (6).
- Tanques de lastre (7).
- Botellas de aire comprimido (8).
- Escotilla estanca (9) [de acceso].
- Plataforma circular (10).
- Tubo de salida principal del núcleo (11).
- Estructura de soporte tipo jaula (12).
- Juntas rotatorias (13).
- Conector electro-óptico rotatorio (14).
- Cable electro-óptico de unión boya-dispositivo (15).
- Cable electro-óptico de exportación de energía (16).
- Sistema de enganche y recogida (17) [chigre y equipo de bloqueo del cable].
- Cable resistente de fondeo de longitud variable (18).
- Zona reforzada (19) [en la parte exterior del tubo].
- Sistema de enganche y recogida (20) [con sistema de bloqueo del cable].
- Cable resistente de unión boya-dispositivo (21).
- Otros cables resistentes de fondeo (22) [cables fijos].
- Cable resistente de reserva de unión boya-dispositivo (23).
- Cable resistente de enganche o fondeo (24).
- Cadena (25) [se visualiza un tramo].
- Cable de guiado (26).
- Equipo de bloqueo (27).
- Chigre (28) [de manejo del cable de guiado].
- Reforzado del tubo de salida (29).
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El sistema descrito está formado por distintos
elementos utilizados en los buques e instalaciones oceánicas, lo que
simplifica su aprovisionamiento y construcción y mejora la
fiabilidad del sistema. En concreto:
El núcleo interior (2) puede construirse con
acero, pudiendo utilizarse para el primer tubo de comunicación
principal (4) y para el tubo de salida principal del núcleo (11)
acero inoxidable, para simplificar el mantenimiento del mecanismo de
giro. Las juntas rotatorias (13) serán similares a las utilizadas en
los soportes (bocinas) de los ejes de hélices de buque. La junta
rotatoria (13) inferior estará diseñada para trabajar sumergida,
contando con un sistema que impida el contacto del aceite de los
cojinetes de fricción con el agua.
La cámara (3) y la estructura del núcleo
interior (2) pueden ser también de acero, con objeto de que se
puedan soportar las importantes fuerzas de reacción de los distintos
cables.
El carenado, o parte exterior (1) de la boya
(B), puede realizarse en acero, aluminio o materiales compuestos,
dado que no tienen que soportar presiones. La escotilla estanca (9)
será similar a las utilizadas en los buques. Las botellas de aire
comprimido (8) serán similares a las utilizadas para buceo.
El conector electro-óptico rotatorio (14) será
similar a los utilizados en la industria "offshore". Incluirá
conexiones para la transmisión de energía principal, para la tensión
de alimentación a equipos auxiliares y de fibras ópticas para la
transmisión de datos.
Dentro de la cámara (3) existirán las
correspondientes conexiones para tomas en derivación de la tensión
auxiliar y de transmisión de datos. El control de todo el sistema
será realizado de forma automática, existiendo la posibilidad de
disponer, a través los cables de fibra óptica, de conexiones ente el
dispositivo (D) DAERM, la boya (B) y la estación de control general
situada en la superficie del mar o en tierra.
Los cables resistentes pueden ser de acero o
materiales sintéticos de los tipos habituales en las instalaciones
"offshore". Dispondrán de los elementos de enganche usuales,
incluyendo grilletes giratorios.
Uno de los aspectos claves en el funcionamiento
de la boya (B), es el diseño y operación de los cables resistentes
de fondeo de longitud variable (18). En la figura 9 se presenta una
solución para su construcción. El cable o cables resistentes de
enganche o fondeo (24) principales se unen a un tramo de cadena (25)
(preferiblemente con contrete, para aumentar la resistencia) que
pasa por el segundo tubo de salida auxiliar (5) de la cámara (3)
hasta llegar al equipo de bloqueo (27), que puede ser similar a los
utilizados para trincar las cadenas de los buques.
En el extremo exterior del tubo debe existir una
zona especialmente reforzada del tubo de salida (29) para soportar
el esfuerzo lateral y el rozamiento producido por la cadena (25). El
final de la cadena (25) se une al cable de guiado (26), de menor
sección que el (24), dado que sólo debe soportar el esfuerzo de
sujeción de éste estando en banda. El cable de guiado (26) se larga
o recoge por medio de un chigre (28) similar a los utilizados en las
cubiertas de los buques para el manejo de cables auxiliares.
Claims (5)
1. Boya de fondeo mono-punto
para dispositivos sumergidos caracterizada por estar formada
por dos partes principales (1, 2), pudiendo girar una con respecto a
la otra, mediante un conector electro-óptico rotatorio (14) y juntas
rotatorias (13):
- \bullet
- una parte exterior (1) formada por una envolvente exterior de forma cilíndrica o currentiforme con enganches para cables resistentes y electro-ópticos que unen la boya (B) con el dispositivo (D) y en cuya parte interior se encuentran los tanques de lastre (7), y
- \bullet
- otra, un núcleo interior (2) situado en una cámara (3), y que se prolonga en dos tubos (4, 11) concéntricos, el primer tubo de comunicación principal (4) y el tubo de salida principal del núcleo (11), que atraviesan la parte baja exterior de la boya (B) y en el extremo del tubo de salida principal del núcleo (11) se fija el sistema de fondeo, saliendo a través del del tubo de salida principal del núcleo (11) el cable electro-óptico de exportación de energía (16) y el cable resistente de fondeo de longitud variable (18), que incluye un sistema de bloqueo y control de la longitud de las líneas de fondeo, existiendo una campana de aire interior que incorpora un sistema de control de la presión de aire que impide que el agua ascienda hasta la cámara (3).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Boya de fondeo mono-punto
para dispositivos sumergibles, según la reivindicación 1,
caracterizada porque dispone de un sistema
tele-controlado para cambiar de la posición de
trabajo (sumergida) a la de mantenimiento (flotando) y el giro (de
posición vertical a horizontal) y el desplazamiento vertical del
dispositivo (D) enganchado a la misma (B), que funciona modificando
la longitud de enganche y guiado de algunas de las líneas de fondeo
y los cables resistentes de unión boya-dispositivo
(21), para lo que cuenta con sistemas de enganche y liberación de
los cables resistentes, algunos de ellos unidos a otros más finos de
guiado, que se recogen en chigres de operación automática y
cambiando su fuerza de empuje ascensional, a través del control de
aire a presión en los tanques de lastre (7), que disponen de
aberturas en su parte inferior.
3. Boya de fondeo mono-punto
para dispositivos sumergibles, según la reivindicación 1 y 2,
caracterizada porque el giro de las partes de la boya (B) se
consigue con un conector electro-óptico rotatorio (14) situado en la
parte superior de la campana, y por unas juntas rotatorias (13)
colocadas a lo largo de los tubos (4, 11) concéntricos, el primer
tubo de comunicación principal (4) y el tubo de salida principal del
núcleo (11).
4. Boya de fondeo mono-punto
para dispositivos sumergibles, según la reivindicación 1 a 3
caracterizada porque la cámara (3) está formada por una
plataforma circular (10), unida al tubo de salida principal del
núcleo (11), concéntrico con el primer tubo de comunicación
principal (4), y en cuya parte superior hay una estructura tipo
jaula, y porque la cámara (3) dispone de aberturas en su parte
inferior.
5. Boya de fondeo mono-punto
para dispositivos sumergibles, según la reivindicación 1 a 4,
caracterizada porque durante el proceso de inmersión de la
boya (B) se usa aire comprimido para compensar pérdidas de presión y
cambios de temperatura en los tanques de lastre (7) y la cámara (3),
que puede estar situado en botellas de aire comprimido (8) dentro de
la cámara (3) o bien introducirlo mediante un tubo flexible desde
una embarcación de apoyo.
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| ES201000236A ES2367616B2 (es) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | Boya de fondeo mono-punto giratoria y sumergible, para dispositivos sumergidos, con conexiones eléctricas y ópticas. |
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