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ES2694449B2 - Estructura flotante para aerogenerador marino - Google Patents

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ES2694449B2
ES2694449B2 ES201730817A ES201730817A ES2694449B2 ES 2694449 B2 ES2694449 B2 ES 2694449B2 ES 201730817 A ES201730817 A ES 201730817A ES 201730817 A ES201730817 A ES 201730817A ES 2694449 B2 ES2694449 B2 ES 2694449B2
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Exponential Renewables SL
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Description

DESCRIPCIÓN
Estructura Flotante para Aerogenerador Marino
Campo de la técnica
La presente invención concierne al campo de la energía eólica marina. En particular, la invención se refiere a una estructura flotante de soporte para un aerogenerador marino de eje horizontal, y a los subsistemas que la caracterizan.
Antecedentes de la invención
El campo de la eólica flotante permanece en 2017 prácticamente inexplorado a nivel comercial, con sólo algunos conceptos habiendo superado una fase de pruebas con un prototipo a escala real. Sin embargo, muy diversos conceptos de estructuras flotantes han sido descritos y publicados en diversas patentes. Algunos particularmente relacionados con la presente se destacan a continuación.
En la patente US6294844 B1 se describe una estructura flotante que se orienta de forma pasiva contra el viento, y dispone de una boya dotada de un cojinete que hace las veces de pivote. La estructura se concibe como soporte de múltiples aerogeneradores pequeños e incluye una grúa móvil, con la intención de alcanzar cualquiera de los múltiples aerogeneradores montados en la estructura, aunque la realización de dicha grúa es extremadamente compleja en la práctica. Se describen elementos flotantes que pueden girar independiente de la estructura, de nuevo de ejecución compleja.
En la patente WO02073032 A1 se describe un sistema similar, de orientación pasiva dejando girar toda la estructura alrededor de un punto de anclaje dotado de un cojinete o rodamiento actuando de pivote. De nuevo está presentada como capaz de soportar múltiples aerogeneradores, cada uno con su torre. Se presentan varias posibles configuraciones, sin detallar cómo se gestiona la operación de anclaje de la estructura, la gestión del cable eléctrico, o la sustitución de algún componente principal, que requeriría la utilización de barcos grúa o llevarse la estructura completa a puerto.
En la patente DE3107252 A1 se describe otro sistema flotante que se alinea pasivamente alrededor de un punto de anclaje directo al fondo marino, quedando el giro pasivo desligado de un punto de pivote controlado (cojinete). Esto supone un grave problema para el propio sistema de anclaje y para el cable eléctrico, que quedarían dañados al estar la estructura dando vueltas sin control.
Otros antecedentes técnicos más obvios serían los aerogeneradores marinos de cimentación fija (AMCF), que son versiones marinizadas de los habituales aerogeneradores terrestres, y disponen de una torre casi invariablemente tubular, montada sobre una subestructura tipo monopila o "jacket” (por su denominación en inglés), y una góndola montada en lo más alto de la torre sobre un sistema de orientación activo que asegura que el eje del aerogenerador está correctamente alineado con el viento. Mientras que los AMCF disfrutan de velocidades medias de viento superiores a las disponibles en tierra, tienen unos costes de instalación y mantenimiento muy superiores a éstos debido, sobretodo, a la necesidad de usar grandes barcos grúa para cualquier operación de importancia.
Finalmente hay que destacar los conceptos de aerogenerador marino flotante (AMF) que ya existen en el mercado, y que casi invariablemente utilizan una subestructura flotante que es heredada de la tecnología de extracción de hidrocarburos en plataformas marinas. En concreto, cabe destacar las siguientes patentes:
En la patente US9139266 B2 se describe el concepto Windfloat, de la empresa Principle Power. Está basado en una estructura de tipo semi-sumergible (semisub), bien conocida en el entorno de extracciones petroleras marinas. Dicha estructura presenta el inconveniente de ser muy pesada, y tiene un sistema de anclaje relativamente complejo que se extiende radialmente y hacia abajo al fondo marino con 6 cables, la conexión de los cuales a la estructura se hace con tensión, lo cual hace que sea una operación lenta y difícil. En caso de fallo del aerogenerador éste puede desconectarse y llevarse a puerto a reparar, pero la desconexión de nuevo es complicada y en lugar de la estructura es necesario dejar algún elemento de flotación al que se dejen conectadas las 6 líneas de anclaje además del cable eléctrico, para poder reconectarse la estructura después.
En la patente CA2609745 C se describe el concepto Hywind de la empresa Norsk-Hydro, basada en una estructura tipo "spar buoy” (en inglés en la terminología habitual del sector, una boya alargada tipo baliza), también conocida en el entorno de extracciones petroleras marinas, que obtiene su estabilidad a partir de un gran contrapeso en su extremo inferior. Sus principales desventajas son un gran calado de más de 100 m, necesario para que el contrapeso sea efectivo, y que hace imposible instalar el aerogenerador en el puerto, teniendo que realizarse esta instalación ya en aguas abiertas usando grandes barcos grúa, que son necesarios de nuevo para sustituir cualquier componente o desinstalar el aerogenerador.
En la patente WO2015000909 A1 se describe una estructura flotante tipo TLP (por sus siglas en inglés, "Tension Leg Platform”) para soporte de un AMF. El TLP es otra tipología de plataforma flotante desarrollada para extracción petrolera marina, caracterizada por un sistema de anclaje con cables sustancialmente verticales que mantienen la mayor parte de los elementos de flotación totalmente sumergidos gracias a la tensión que se aplica a los cables. Su mayor problema es la compleja operación de instalación en mar abierto. Si se instala el aerogenerador en el puerto entonces la estructura es inestable durante el transporte y anclaje, y si se opta por instalar el aerogenerador una vez anclada la estructura entonces se requiere el uso de grandes barcos grúa. De nuevo, cualquier sustitución de componente principal requiere el uso de grandes barcos grúa o, si se opta por llevar toda la estructura a puerto, pasar por el proceso de desconexión de la plataforma, tan complejo como el de instalación.
La patente US 6294844 divulga una estructura de aerogenerador marino que dispone de tres medios de flotación y uno de dichos medios de flotación es una boya pivote constituida por una parte inferior 16 que está amarrada al fondo por unos cables de anclaje y está conectada a la parte superior 26, por un rodamiento 17 que permite el giro de la estructura respecto al eje vertical del pivote según sople la dirección del viento y en donde se ha previsto un cable de potencia 22 que se dispone coaxial al eje de giro.
Así pues, un problema común a todos los aerogeneradores flotantes descritos en la técnica anterior es que requieren el uso continuado de potentes embarcaciones y grandes barcos grúa en diversas fases de su vida útil, limitando su implantación en áreas más remotas del planeta donde este tipo de flota no está disponible, siendo estas zonas las que más se beneficiarían de tener acceso a este tipo de plataforma de producción de energía renovable.
Exposición de la invención
El objeto de la presente invención consiste en superar los inconvenientes mencionados anteriormente eliminando la necesidad de usar una flota de enormes barcos durante la instalación, operación, mantenimiento y desinstalación de los aerogeneradores marinos flotantes, y también en gran medida evitar el uso de grandes grúas terrestres que son necesarias para dar servicio en puerto a estas grandes plataformas.
Otro objeto de la presente invención consiste en simplificar las fases de fabricación, instalación, operación, mantenimiento, y desinstalación al final de la vida útil de la estructura.
Estos y otros objetivos se obtienen mediante una estructura de aerogenerador marino flotante (AMF) que comprende dos subsistemas clave, según las siguientes reivindicaciones, que son parte integral de la presente invención.
Según un aspecto de la invención, el primer subsistema comprende el conjunto que controla el giro de la estructura para que ésta se oriente de forma pasiva en la dirección del viento alrededor de un eje sustancialmente vertical. Puesto que es imposible predecir el número de vueltas completas que dará el AMF al orientarse en el transcurso de sus 20-25 años de operación, una conexión de la estructura al fondo directamente con cadenas o cables está destinada a fallar, con lo que es necesario disponer tanto de unos medios de control del giro como de un sistema que proteja el cable eléctrico de la torsión que se acumula a medida que la máquina cambia de orientación.
De forma ventajosa, en la presente invención, el AMF posee una parte anclada que no se orienta al viento y está anclada al fondo marino mediante unos medios de anclaje, típicamente cadenas, cables, o una combinación de ambos. Dichos medios de anclaje conectan el AMF a uno o varios puntos de anclaje submarinos, la elección de los cuales depende en gran medida del tipo de fondo marino, pudiendo ser, por ejemplo, taladros en fondo de roca, pilas de succión si el fondo es fangoso, anclas si es arenoso, o una base por gravedad ("gravity base” en inglés) que puede ser simplemente un bloque de hormigón. El resto del AMF, posee una parte orientable, unida a la parte anclada mediante unos medios de giro, que pueden ser un cojinete de fricción, un rodamiento, o similar, de forma que el giro del AMF queda bien definido y controlado, con una resistencia al giro muy baja entre la parte anclada y la orientable del AMF.
Según otro aspecto de la invención, el segundo subsistema comprende una grúa en la parte del AMF que se orienta siguiendo el viento de forma pasiva (a barlovento del eje de giro de la AMF). En un aerogenerador convencional el punto más alto de la torre está ocupado por un conjunto rotor/góndola. La góndola en sí casi siempre dispone de un pequeño polipasto que facilita la elevación de cargas menores (como un motor reductor), pero no tiene capacidad suficiente para cargar un componente principal como un generador o multiplicador. El mayor problema es que tal grúa necesita de una soportería muy robusta en la propia góndola, lo cual complica enormemente los bastidores secundarios de dicha góndola. Por mucho que se refuerce el bastidor, obviamente nunca será capaz de subir la propia góndola, que sería algo muy deseable para tal subsistema.
De forma ventajosa, en el AMF de la presente invención no hace falta montar la góndola encima de una torre con mecanismo activo de orientación sino que puede permitirse a toda la estructura orientarse siguiendo el viento de forma pasiva, lo cual permite montar la góndola en una posición que permite a este AMF disponer de una grúa propia capaz de subir toda la góndola.
Descripción de las Figuras
Otras características y ventajas de la invención resultarán más evidentes a partir de la lectura de la descripción detallada de las realizaciones preferidas, no exclusivas, de una estructura de aerogenerador marino flotante (AMF) según la invención, descritas como ejemplos no limitativos con la ayuda de las figuras adjuntas, en las que:
La Figura 1 es una vista isométrica de una posible realización del aerogenerador marino flotante (1).
La Figura 2 es una vista lateral del AMF (1), incluyendo el nivel de la superficie del mar (12) y también el fondo marino (13) donde se ancla la estructura. Se aprecia la posición del conjunto rotor/ góndola (5) justo debajo del ápice de la estructura de mástiles. Asimismo, se aprecia aquí los elementos que constituyen la parte anclada (3) y la parte orientable (4).
La Figura 3 es una sección de la boya pivote (6), incluyendo una ampliación del medio de giro (17), sistema de centradores (20, 21), sistema de elementos elásticos (22), y cable coaxial (23).
La Figura 4 muestra a modo ilustrativo una posible realización del mecanismo que alivia la torsión acumulada en el tramo de cable eléctrico (30), incluyendo los medios mecánicos de conexión/desconexión (26), el motor (27) que actúa sobre los medios de giro (28, 29).
La Figura 5 ilustra el sistema propuesto para izar cualquier componente (32) del conjunto rotor/góndola (5), incluyendo un motor de grúa (33) que actúa sobre dos cables (35) soportados por poleas (34) montadas directamente sobre la estructura de celosía de los mástiles (10). También muestra la posición del ápice (31), y una porción de cable (38) del medio de elevación (39) para personal.
La Figura 6 muestra la configuración preferente de los medios de elevación (39), que circulan por el interior del mástil (10) que conecta la boya pivote (6) y donde también se encuentra el punto de acceso (40) para helicópteros, siendo la propia boya pivote (6) el punto de acceso para barcos. También muestra más claramente el rotor (36) del aerogenerador de eje horizontal, y una de sus palas (37).
Descripción detallada de la invención
La instalación del AMF (1) se puede separar en dos periodos. En un primer periodo se instala una parte anclada (3) del AMF, incluyendo unos puntos de anclaje submarinos (13) y unos medios de anclaje (14). En este periodo puede también conectarse un cable eléctrico submarino (16). Todos estos elementos deberían permanecer inamovibles en el mar durante los 20-25 años de funcionamiento del AMF, con mínimas necesidades de mantenimiento. En un segundo periodo se instala una parte orientable (4) del AMF, que incluye la propia turbina (5), y que en la solución propuesta se lleva desde puerto hasta su posición de trabajo simplemente arrastrándolo con barcos auxiliares, sin necesidad de grúas. El momento clave de esta instalación es la conexión entre la parte orientable (4) y la parte anclada (3), que debe poderse ejecutar de forma segura y relativamente rápida.
Para solucionar esa conexión rápida, se propone aquí un subsistema de orientación ("yaw system” (en inglés en la terminología habitual del sector) que integra unos medios de giro (17) necesarios y las funciones de conexión/desconexión de la parte orientable de la estructura. Este subsistema dispone de los siguientes elementos característicos:
• Los medios de giro (17) propiamente dichos, que permiten el giro libre de la parte orientable de la estructura en un eje sustancialmente vertical. Estos medios de giro (17) , se pueden ejecutar de manera diversa, usando elementos típicos para ese uso en ingeniería mecánica (rodamientos, cojinetes de fricción, etc), pero habitualmente tendrán un anillo interior (19) conectado a la parte anclada (3), y un anillo exterior (18) conectado a la parte orientable (4) del AMF (1). Según la topología específica del sistema puede ser más favorable unir el anillo exterior (18) a la parte anclada (3), sin que esto suponga un cambio relevante.
• Un sistema de medios de centrado internos (20) y externos (21), idealmente un sistema de cono-contracono, que ayudan a posicionar la parte orientable (4) sobre la parte anclada (3) en el momento de instalar una sobre la otra. Este tipo de unión cónica, correctamente dimensionada, ayuda enormemente a al posicionamiento, puesto que antes del contacto la parte anclada (3) y la parte orientable (4) están flotando de forma independiente y por su tamaño es difícil (y peligroso) pretender controlar con precisión la aproximación de una a la otra en el mar. Hacer la conexión mediante la unión de un cono (en la parte anclada (3)) a un contracono (unido al anillo interior (19) de los medios de giro (17)) auto-centra la conexión. Es obviamente posible poner los medios de centrado internos (20) en la parte anclada (3); en una configuración alternativa. Aunque los medios de centrado internos (20) y externos (21) no tienen necesariamente que tener forma cónica, ésta es la geometría más favorable y más fácil de mecanizar y verificar metrológicamente, además de ser relativamente resistente a impactos entre ambos medios de centrado internos (20) y externos (21) que puedan producirse.
• Un sistema de elementos elásticos (22) dispuesto entre los medios de centrado externos 21 y el anillo interior 19 de los medios de giro 17 que hace de interfase mecánica a uno de los lados de los medios de giro (17), transmitiendo esfuerzos entre éstos y el resto de la estructura. Este sistema no sólo transmite esfuerzos mecánicos si no que tiene la función adicional de permitir un ángulo de giro limitado entre la parte anclada (3) y la parte orientable (4) de la estructura (en los dos ejes perpendiculares al de orientación (2) del AMF (1)), además de proteger a los medios de giro (17) de los inevitables impactos que sufrirán durante la instalación. Este tipo de impacto, de lo contrario, puede dañar los medios de giro (17), especialmente si éstos son un rodamiento, independientemente de su capacidad de carga, y pueden comprometer su capacidad de permitir el giro con baja fricción, pudiendo llegar a gripar. Puesto que un fallo en estos medios de giro puede comprometer todo el sistema de cables y anclajes submarinos. Ciertamente la función de permitir ángulos de giro limitados entre parte fija y orientable puede conseguirse con un rodamiento de rodillos esférico de doble hilera, pero este tipo de rodamiento tiene menor capacidad de carga que uno de rodillos cónicos del mismo peso, es más caro, y es particularmente sensible a impactos, por lo que la función protectora de los elementos elásticos (22) ofrece claras ventajas.
• Conexión eléctrica coaxial (23). La unión de los medios de centrado (20, 21) garantiza la posición relativa de la parte anclada (3) con la parte orientable (4) en todos sus grados de libertad, excepto el relativo al propio eje de orientación (2). Aunque es teóricamente posible añadir elementos adicionales para controlar la posición relativa de los medios de centrado (20, 21) sobre este eje (2), esto añade complejidad y riesgo a la operación. La mejor forma de solucionar esto es, en vez de intentar controlar esa posición relativa angular alrededor del eje de orientación (2), realizar la conexión eléctrica de forma coaxial, preferiblemente pasando un cable coaxial (23) por el interior de los medios de centrado (20, 21). Podría optarse por una conexión que no pase por el propio eje (2), pero ésta necesitaría por ejemplo una conexión con anillos electrificados que, en sí, serían coaxiales con los medios de centrado (20, 21).
Como ya se ha mencionado, otro aspecto importante del subsistema es que es necesario disponer de un modo de evitar la rotura por torsión del cable coaxial (23) que atraviesa de la parte anclada (3) a la orientable (4). Una opción es el uso de un conector eléctrico rotativo, pero estos típicamente tienen unas pérdidas eléctricas no inferiores al 5% de la potencia transmitida además de ser muy costosos (para la potencia que se ha de transmitir en esta aplicación) y difíciles de mantener o sustituir en caso de fallo. Se propone por tanto hacer algo similar a lo que se hace en los aerogeneradores terrestres; dejar un tramo de cable libre de manera que pueda acumular torsión sin superar su ángulo de torsión máximo para absorber al menos una vuelta completa del aerogenerador sobre su eje de pivote de orientación. Valores típicos de ángulo de torsión máximo aceptables para este tipo de cables son del orden de 100° por cada metro de cable, con lo que un tramo recto de unos 8 metros podría ya absorber dos vueltas completas de la parte orientable (4) sobre la anclada (3). Controlando este ángulo girado con sensores adecuados se puede periódicamente desconectar el cable eléctrico mecánicamente en uno de sus extremos y hacer girar el extremo libre con un mecanismo para relajar la torsión acumulada, tras lo cual se puede volver a conectar físicamente el extremo libre del cable. Esta maniobra (que se puede hacer de forma remota) será mucho más rápida que girar toda la góndola en un aerogenerador terrestre para compensar la torsión del cable en la torre. Es necesario previamente desconectar eléctricamente el sistema corriente abajo mediante un conector adecuado, pero este conector es deseable de todas formas para poder desconectar completamente el AMF de la red durante operaciones que requieran la presencia de personal en la zona del subsistema de orientación.
El segundo subsistema propuesto es una grúa capaz de elevar la propia góndola (32) o cualquiera de sus componentes, para lo cual el AMF (1) evita expresamente el uso de una torre vertical. La elevación necesaria del conjunto rotor/góndola (5) se consigue mediante una estructura de mástiles (10) oblicuos, cada uno conectado a un medio de flotación (6, 9) y convergiendo todos ellos en el punto más alto (el ápice (31)) de la estructura del AMF (1). Cada medio de flotación, además, está conectado al menos a uno de los medios de flotación contiguos mediante puentes (11) sustancialmente horizontales, pudiendo éstos estar total o parcialmente sumergido bajo la superficie del agua (12). La solución más lógica aquí es usar tres medios de flotación (6 ,9), con lo que la estructura acaba teniendo una forma de tetraedro. Estructuras de este tipo son conocidas en la técnica por su excelente ratio entre peso y resistencia. Existe por lo menos un diseño de aerogenerador flotante que hace uso de ella, conocido como Tetrafloat. La novedad propuesta aquí es en la posición y conexión del conjunto rotor/góndola (5) respecto al ápice (31) de la estructura, realizándose ésta directamente por debajo del ápice (31), en lugar de ponerse encima como se viene haciendo hasta ahora. Al hacer esto se pierden algunos metros de altura del eje y obliga a un cierto nivel de rediseño de la propia góndola (32), pero en general estos cambios resultan en importantes reducciones del peso de la góndola (32) al no ser necesario un bastidor central que transmita los esfuerzos desde los rodamientos principales hasta la torre o estructura de soporte, sino que es posible soportar la góndola (32) directamente por la zona del bastidor que rodea dichos rodamientos principales. Otra ventaja de posicionar la góndola (32) de este modo radica en que se abre la puerta a usar la estructura de mástiles (10) para montar una grúa en la parte orientable (4) del AMF (1). La solidez de la estructura de mástiles (10) hace que sea posible montar una grúa suficientemente potente para hacer descender en vertical incluso todo el conjunto rotor/góndola (5), o por supuesto alguno de sus componentes principales como la góndola (32), el multiplicador, o el generador, o incluso alguna de las palas (37), de forma segura y controlada desde el suelo (o desde una plataforma encima del agua) hasta su posición de trabajo por debajo del ápice (31), haciendo tope contra las caras inferiores de los mástiles (10) y/o el propio ápice (10) de la estructura. Al tener el AMF (1) una grúa de este tipo montada sobre su propia estructura de mástiles (10), no es necesario el uso de grandes barcos grúa, que sí son necesarios para cualquier aerogenerador marino de cimentación fija (AMCF). La grúa montada en la estructura de mástiles (10) es útil también en la fase de ensamblaje en puerto; únicamente hace falta una gran grúa (terrestre) externa para ensamblar los mástiles (10) entre sí. A partir de ese punto, sólo harán falta grúas secundarias para controlar lateralmente las cargas a subir; pero se evita el uso de grandes grúas y, una vez en el mar, de barcos grúa.
Ciertas operaciones pueden ser arriesgadas de ejecutar con oleaje en alta mar, pero desconectando la parte orientable (4) del AMF (1) de su parte anclada (3), lo cual es relativamente sencillo según se ha descrito en el subsistema de orientación, se puede arrastrar el conjunto a aguas tranquilas o a un puerto cercano y realizar allí la operación sin oleaje.
Los dos subsistemas descritos anteriormente se integran en un AMF (1) de estructura muy específica, que hace el mejor uso de las ventajas que tienen, aunque otras configuraciones son también posibles.
La estructura consta de dos medios de flotación principales (9), preferiblemente boyas cilíndricas, que proporcionan la mayor parte de la flotabilidad del AMF (1), y unos terceros medios de flotación, una boya pivote (6), dividida a su vez en un cuerpo inferior (7) que forma parte de la parte anclada (3) del AMF (1), y un cuerpo superior (8), que forma parte de la parte orientable del AMF (1). La flotabilidad que proporciona la boya pivote (6) es limitada y su función es proporcionar un tercer punto de apoyo para el AMF, haciéndolo estable. Los medios de flotación principales (9) están interconectados entre sí y con la boya pivote (6) mediante puentes horizontales (11). Tanto de cada uno de los medios de flotación principales (9) como del cuerpo superior (8) de la boya pivote (6) sube un mástil (10) hasta el ápice de la estructura, donde se conectan otros tres mástiles (10). Dos de estos mástiles (10) están en un mismo plano sustancialmente vertical, y paralelo al plano de giro del rotor (o con una ligera caída a barlovento). Nótese que el rotor está en configuración "downwind” (en inglés en la terminología del sector, significa a sotavento, es decir, el rotor queda a sotavento del resto de la estructura). Los mástiles (10) son preferiblemente estructuras de celosía para reducir pérdidas aerodinámicas. Los puentes horizontales (11) también son preferiblemente celosías, a fin de minimizar el "slamming” (significando esta última en inglés el impacto que se produce cuando una ola golpea una cara sustancialmente plana de una estructura marina), y que puede ser muy violento en determinadas circunstancias. Estos impactos son pequeños en una celosía de este tipo, constituida aquí por un tubo de acero de un radio relativamente pequeño, que no ofrece caras planas donde el fenómeno de "slamming” se pueda producir con severidad. La mencionada configuración "downwind” aleja lo máximo posible un conjunto rotor/góndola (5), que tiene la mayor resistencia aerodinámica, del eje de orientación (2), lo cual hace que el AMF (1) responda lo más rápidamente posible a un cambio en dirección del viento, mejorando la respuesta del sistema pasivo de orientación al maximizar el momento que orienta la estructura (proporcional a la distancia entre el centro de las fuerzas aerodinámicas -aproximadamente el centro del propio rotor - del eje de orientación (2)).
La boya pivote (6) como ya se ha dicho está dividida en el cuerpo superior (8) unido a la parte orientable (4), y el cuerpo inferior (7) que forma parte de la parte anclada (3) y que va conectado al fondo marino (13) mediante tres medios de anclaje (14) sustancialmente verticales formando un triángulo sustancialmente equilátero. Cada uno de los medios de anclaje (14) estará normalmente constituido por una combinación de cadena (en los extremos) y cable de acero (la de mayor longitud, conectando los tramos de cadena). Así, el cuerpo inferior (7) de la boya pivote (6) tienen las características de un TLP de muy reducidas dimensiones. Este mini-TLP tiene suficiente pretensión en los cables para limitar mucho su movimiento excepto en la traslación horizontal en el plano de la superficie del agua (12), lo cual sucederá hasta cierto punto para compensar el empuje de la turbina. El mini-TLP tiene la ventaja de que su punto de anclaje submarino (15) puede ser físicamente un único cuerpo donde se conectan los tres medios de anclaje (14), reduciéndose el tiempo de instalación significativamente respecto a otros posibles sistemas de anclaje que no cumplan las características habituales de un TLP. La presente invención no está limitada a su uso con un sistema de anclaje tipo TLP, pero éste tiene algunas características que hacen que pueda ser la mejor opción en un amplio rango de profundidades y tipos de fondo marino.
Puesto que la parte orientable (4) se verá sujeta por la acción del oleaje a pequeños giros en los dos ejes perpendiculares al eje de orientación (2), la utilidad del sistema de elementos elásticos (22) queda aquí de manifiesto. La separación entre los medios de flotación principales (9) entre sí y respecto de la boya pivote (6) debe ser considerable (del mismo orden que la altura del conjunto rotor/góndola sobre la superficie del agua (12)). A partir de unos 80 metros de separación se consigue reducir los ángulos de inclinación de la estructura por debajo de los 10° incluso en situaciones de intenso oleaje, lo cual ya puede ser absorbido por los elementos elásticos (22) si estos están bien diseñados. Un AMF como el aquí descrito, pero de menores dimensiones es posible en aguas tranquilas, pero no por ejemplo en aguas abiertas en el Atlántico Norte, donde se pueden dar olas de hasta 30 metros de altura. El material ideal para estos elementos elásticos (22) es el caucho natural precomprimido, por sus excelentes propiedades mecánicas, de durabilidad, y de inmunidad a la corrosión, bien conocidas en sector de ingeniería civil donde se usan para soportar puentes para tráfico rodado durante muchos años, sin requerir mantenimiento alguno.
Una configuración muy favorable para el subsistema de orientación es el que se muestra en la vista de detalle de la Figura 3. Los medios de giro (17) elegidos son un rodamiento (17) de dos hileras de rodillos cónicos, con la pista exterior (18) fija al cuerpo superior (8) de la boya pivote (6). También sería posible utilizar un cojinete de dos hileras de bolas de contacto angular, que tiene propiedades muy parecidas, como se usa comúnmente para el sistema de orientación y de cambio de paso ("pitch system”, en inglés en la terminología habitual del sector) de un aerogenerador terrestre. La pista interior (19) del rodamiento (17) está firmemente unida a dos planchas circulares (24) con una cara interior cónica, quedando ambas placas dispuestas de forma simétrica respecto al plano horizontal central del rodamiento (17), una arriba y la otra debajo de la pista interior (19) del rodamiento (17). Los elementos elásticos (22), en forma de teja, y distribuidos por la superficie interior cónica de las planchas circulares (24) quedan precomprimidos al cerrarse la unión atornillada que une la pista interior (19) contra las dos planchas circulares (24), quedando atrapado el contracono centrador (21) entre las caras interiores de los elementos elásticos (22), como se ve en la Figura 3. El conjunto del rodamiento (17), las planchas circulares (24), los elementos elásticos (22) y el contracono centrador (21) pueden ensamblarse de forma independiente, y se dejan montados debajo del cuerpo superior (8) de la boya pivote (6) antes de la instalación. Durante la instalación se eleva dicho cuerpo superior por encima del cuerpo inferior (7), ya premontado y pretensado junto al resto de la parte anclada (3) del AMF (1) en su configuración de mini-TLP. El cono centrador (20) es parte de este cuerpo inferior (7), con unas dimensiones bastante generosas. El ángulo del cono centrador (20) ha de ser suficientemente grande para evitar el enclavamiento de su contracono (21), y suficientemente grande para tener suficiente robustez estructural para soportar las cargas que transmite. Se propone un valor de 15° de apertura para dicho cono, aunque valores de entre 10° y 30° son posibles. Una vez posicionado el cuerpo superior (8) sobre el inferior (7) de forma aproximadamente concéntrica, se hace descender el cuerpo superior (8) y se deja al cono (20) y contracono (21) hacer contacto, absorbiéndose la energía del impacto en los elementos elásticos (22). La unión queda centrada automáticamente al cerrarse la unión de cono (20) y contracono (21) mientras se sigue haciendo descender el cuerpo superior (8). Una vez cerrada esta unión la parte orientable (4) queda ya unida a la parte anclada (3) de forma estable y se puede proceder a asegurar esta unión. Se propone el uso de un tornillo maestro (25), de grandes dimensiones (rosca especial M200 o superior) y hueco por dentro para permitir la conexión del cable coaxial (23). Este tornillo maestro (25) rosca directamente en un roscado interior mecanizado en la cara cilindrica interna de la punta del cono centrador (20), y al apretarse deja completamente fijado el cono centrador (20) contra el contracono (21). Debido a la gran área de contacto entre ambos y a la precarga que se dará al tornillo maestro (25), la transmisión de cargas variables se hace en gran medida directamente a través de los medios de centrado (20, 21) y no del tornillo maestro (25), lo cual es muy conveniente desde el punto de vista de fatiga.
En cuanto al modo de controlar el ascenso y descenso del cuerpo superior (8) de la boya pivote (6), durante el proceso de instalación, se propone hacerlo mediante una balsa diseñada especialmente para acoplarse a dicho cuerpo superior (y ayudar en el transporte de la estructura desde el puerto), capaz de proporcionar una flotabilidad variable mediante un sistema de tanques que se puedan llenar y vaciar, como un submarino, para controlar la altura. Alternativamente se pueden hacer subir/bajar al cuerpo inferior, que ya dispone de tanques, o una combinación de ambos.
El sistema para aliviar la torsión del cable tiene muchas posibles configuraciones, la Figura 4 muestra una posible implementación a modo meramente ilustrativo. Se monta un enchufe retráctil (26) en la zona más alta del cuerpo superior (8) de la boya pivote (6). En esa misma zona se monta un pequeño motor (27) acoplado a un tornillo de vis-sin-fin (28) que actúa sobre una rueda dentada (29) que gira sobre el mismo eje vertical de orientación (2) del AMF (1). Un tramo de cable eléctrico (30) está fijado a la parte inferior de esta rueda dentada, y baja casi verticalmente una distancia de al menos 8 metros (distancia suficiente para acomodar dos vueltas completas del AMF (1) orientándose al viento) atravesando la parte hueca del tornillo maestro (25) y conectándose al cable coaxial (23). Así, dadas dos vueltas completas (o más, si se opta por aumentar la longitud del tramo de cable (30)) de la parte orientable (4), se puede desconectar físicamente el enchufe retráctil (26), y actuar el motor (27) para hacer girar el cable (30) en sentido contrario a la torsión acumulada, tras lo cual se vuelve a cerrar el enchufe retráctil (26). Pese a la relativa complejidad de todo este sistema, se evitan las considerables pérdidas de energía asociadas a un conector rotativo, que sería la alternativa. Y considerando que la operación completa será mucho más rápida que la equivalente en un aerogenerador terrestre (que necesita girar la góndola completa, un proceso extramente lento), la perdida de energía por la forzosa parada de máquina es menor.
El sistema de grúa montada sobre la parte orientable (4) del AMF (1) tiene también diversas posibles realizaciones. El tren de potencia va unido a la estructura por debajo del ápice (31) de los mástiles (10), en lugar de encima de una torre, lo cual abre la puerta a que la propia estructura de mástiles (10) actúe como estructura de grúa. La construcción en estructura de celosía de los mástiles (10) tiene configuración y propiedades estructurales que recuerdan a las de una grúa de tipo Derrick, pero con la pluma fija respecto a la parte orientable (4). La Figura 5 se incluye a modo ilustrativo, mostrando una hipotética operación de izado de un componente (32), en este caso la góndola. Se ha eliminado de la imagen la última sección de uno de los mástiles (10) para facilitar la visualización. El motor de grúa (33) se muestra aquí montado en lo alto del mástil (10) que conecta con la boya pivote (6), pero podría perfectamente montarse abajo, como es habitual en las grúas Derrick. El uso de dos cables de izado (35) en vez de uno facilita el control de la carga. Se propone asimismo usar el mismo motor de grúa (33) para movilizar unos medios de elevación (39) - o sea un ascensor, con su propio cable (38) - que circularía por el mismo mástil (10) donde se monta el motor de grúa (33), lo cual dota de una doble función a este motor de grúa (33) de potencia considerable. La doble función se puede compatibilizar mediante una caja reductora con ejes desembragables independientes para las dos funciones, usando un mismo motor. Además de un medio de elevación principal (39), la estructura puede dotarse de medios de elevación secundarios en los mástiles sin punto de acceso (40), a efectos de inspección del propio mástil (soldaduras, pintura, etc) todos ellos conectados al motor de grúa (33), o con pequeños motores secundarios.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Estructura de aerogenerador marino flotante (AMF) (1) para turbinas de eje horizontal, soportada por al menos tres medios de flotación (6,9), en donde uno de dichos medios de flotación, es una boya pivote (6), y está dividida en dos cuerpos, un cuerpo inferior (7) anclado al fondo marino (13) y un cuerpo superior (8) fijo a una parte orientable (4) del AMF (1), estando dichos dos cuerpos unidos a través de un sistema de orientación pasiva que comprende:
• unos medios de giro (17) que permiten la orientación pasiva de la parte orientable (4) del AMF (1) siguiendo la dirección dominante del viento, pivotando alrededor de un eje de orientación (2) vertical, alrededor de la parte anclada (3), en donde dichos medios de giro comprenden un anillo interior (19) conectado a la parte anclada (3) y un anillo exterior(18) conectado a la parte orientable (4) ,quedando dicho eje de orientación (2) definido en el propio eje de giro del anillo exterior (18) respecto del anillo interior (19) de los medios de giro; y
• una conexión eléctrica coaxial (23) al eje de orientación (2), entre el cuerpo inferior (7) y el cuerpo superior (8) de la boya pivote (6),
caracterizado porque el sistema de orientación pasiva comprende, además:
• unos medios de centrado internos (20) y unos medios de centrado externos (21) coaxiales al eje de orientación (2); y
• un sistema de elementos elásticos (22) dispuesto entre los medios de centrado externos (21) y el anillo interior (19) de los medios de giro (17), actuando como interfase mecánica a uno de los lados de los medios de giro, y estando configurado este sistema de elementos elásticos para transmitir cargas mecánicas a los medios de giro, permitiendo un ángulo de giro limitado (en ejes perpendiculares al de orientación vertical) entre la parte anclada (3) y la parte orientable (4) además de proteger a los medios de rotación de los impactos que puedan ocurrir durante la instalación de la estructura en alta mar.
2. Estructura según la reivindicación 1, en la que el cuerpo inferior (7) está conectado a su punto de anclaje (15) en el fondo marino (13) a través de una pluralidad de medios de anclaje (14), de aproximadamente igual longitud y en posición sustancialmente vertical, quedando dichos medios de anclaje (14) permanentemente en tensión por la suficiente flotabilidad proporcionada por la boya pivote (6)
3. Estructura según la reivindicación 1, en la que un tramo del cable eléctrico (30) por el que se conduce la electricidad generada por el AMF (1), y que atraviesa la boya pivote (6), es un tramo libre, el cual atraviesa sin fijaciones mecánicas una caída vertical suficiente para que pueda acumular torsión sin superar su ángulo de torsión máximo, hasta conectarse al cable coaxial (23), permitiendo absorber al menos una vuelta completa del aerogenerador sobre su eje de pivote de orientación.
4. Estructura según la reivindicación 1, en la que dichos medios de centrado internos están formados por un cono (20), y los medios de centrado externos por un contracono (21).
5. Estructura según la reivindicación 4, en la que los medios de giro (17) son un rodamiento y el anillo interior (19) está firmemente conectado a dos planchas circulares (24), con una cara interior cónica, quedando ambas planchas (24) dispuestas de forma simétrica respecto a un plano horizontal central del rodamiento, y los elementos elásticos (22) adoptan una forma de teja y están distribuidos por la superficie interior cónica de las planchas circulares (24) quedando pre-comprimidos por una unión atornillada que conecta el anillo interior (19) contra las dos planchas circulares (24) quedando atrapado el contracono centrador (21) entre las caras interiores de los elementos elásticos (22).
6. Estructura según la reivindicación 1 o 5, en la que dichos elementos elásticos (22) son de caucho natural precomprimido.
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