CORRIENTES MARINAS

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la misma establece, una plataforma flotante para soporte de generadores de energía de diferentes tipos que adopta una configuración general aproximada de disco con perímetro circular o poligonal, que está diseñada de tal manera que extrae las energías del viento, las corrientes y las olas de mar de forma sustancialmente más rentable y sostenible que las existentes hasta ahora, y sin que vuelque o sufra daños la plataforma flotante y su equipo .

Caracteriza a la presente invención la especial y estudiada configuración y diseño, particularmente sus dimensiones de manera que hacen de la plataforma el resultado óptimo en cuanto a sus dimensiones y costes, así como a sus propiedades hidrodinámicas, gracias a las cuales se mejora sustancialmente su estabilidad.

Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los medios para poder soportar y montar generadores de energía eólicos, de las olas y de las corrientes marinas sobre la superficie del mar.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las diferentes maneras de soportar y estabilizar los aerogeneradores marinos aparecen en la figura 1 , donde se muestran:

- (1 ), (2) Plataformas convencionales fijas;

- (3) Plataformas de torre autoelevable; - (4), (5) Plataformas flotantes tensionadas;

- (6) Plataformas Spar;

- (7), (8) Plataformas semi-sumergibles;

- (9) Plataformas en barcos perforadores;

- (10) Plataformas sustentadas en el zócalo y unidas a instalaciones de extracción en el fondo marino.

En la figura 2 se muestran diferentes sistemas de sujeción tipos “spar”, semisumergibles tensionadas (11), mientras que en la figura 3 se muestran una plataforma tipo Barge (12) (grupo al que pertenece la presente invención).

Sobre ellas el conocido técnico norteamericano Jason Jockman afirma:

- Las tipo “spar” tienen grandes ángulos estáticos de inclinación que requieren proyectos mecánicos especiales,

- Las tipo “Barge” soportan mayores movimientos de la góndola al combinarse viento y olas, por lo que es necesario un proyecto adecuado de las turbinas, que será algo más caro, y suavizar los movimientos con soluciones alternativas. Sin embargo, al reducirse el oleaje, las cargas bajan mucho,

- Debe tenerse en cuenta el riesgo de “slamming” (golpeteo)

- Las Spar tendrán menores movimientos, pero sin embargo aparecen fuerzas no lineales que requieren herramientas más avanzadas,

- Estos sistemas flotantes pueden ver optimizada su fabricación al tratarse de producciones en serie,

- Deben concebirse controles en la respuesta del binomio turbina/plataforma al movimiento aleatorio de las olas, como por ejemplo una variación inteligente del paso de las palas de la turbina que reduzcan el balance proa-popa,

Sin embargo, dichas plataformas son complejas en su ejecución y montaje y muy costosas, limitando mucho su ámbito de aplicación y disponibilidad futura. En el estado de la técnica se conoce la patente ES2650275 B1, que divulga una plataforma de disco flotante multipropósito para soporte de generadores eólicos marinos y otros generadores de las energías marinas que dice ser una plataforma que flota y soporta los generadores eólicos o generadores de olas y/o de las corrientes marinas o de las mareas, donde la plataforma tiene una relación de la altura de la plataforma al diámetro de la misma inferior al 5%, señalando que tiene un peso muy inferior al de otras plataformas.

Si bien dicha plataforma cumple con la finalidad buscada, presenta sin embargo varios aspectos manifiestamente mejorables. En efecto, por un lado, con dicho ratio de altura de la plataforma respecto del diámetro, se hace necesario que tenga un radio relativamente grande, lo que redunda en unas mayores dimensiones, mayor cantidad de material y por tanto mayor impacto medioambiental y, en consecuencia, unos costes de fabricación, ensayo y transporte sustancialmente elevados. Además, en su diseño no se han tenido en cuenta factores adicionales, entre otros, el periodo de las olas que pueden hacer entrar en resonancia a la plataforma y por lo tanto incluso volcarla.

Un sólido alterado de su posición de descanso tiende a vibrar a ciertas frecuencias denominadas naturales cuando es excitado. Para cada frecuencia natural, el sólido adquiere una determinada forma, denominada forma modal. El análisis de frecuencia calcula las frecuencias naturales y las formas modales asociadas. Cuando la frecuencia de la fuente emisora de ondas coincide con la frecuencia natural del resonador (objeto que oscila) se llega a una condición conocida como resonancia. La resonancia se define como la tendencia de un sistema físico a oscilar con una amplitud mucho mayor en algunas frecuencias. Si la plataforma amplifica su oscilación con inclinaciones cercanas a los 45, 60 o más grados, tales movimientos pueden incluso hacer volcar la plataforma.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención superar los inconvenientes apuntados en la plataforma de disco flotante divulgada en ES2650275 B1, fundamentalmente relativos a su excesivo tamaño, y por lo tanto costos y complejidades asociadas, así como la posibilidad de poder entrar en resonancia con el movimiento de las olas del mar y llegar a volcar, desarrollando una plataforma que supere los anteriores inconvenientes y que tenga en cuenta todos los factores posibles que entran en juego en su estabilidad sobre la superficie del mar. Esta plataforma tiene las características que a continuación se describen, las cuales quedan recogidas en su esencialidad en la reivindicación primera.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención una plataforma flotante para soporte de generadores de las energías marinas de cualquier tipo y naturaleza, bien sean eólicos, bien generadores que aprovechan el movimiento de las mareas o el movimiento ondulatorio de las olas.

Tendrá forma de disco y su perímetro podrá ser circular o poligonal de múltiples caras, dependiendo esta elección exclusivamente de la facilidad para ser construida.

Estará posicionada mediante fondeo y al ser totalmente regular presentará una superficie idéntica al oleaje, venga de donde venga. Sin embargo, la góndola (donde va alojado el generador de energía eólica) será giratoria para absorber la energía del viento, independientemente de la dirección de la que éste provenga.

Los generadores de la energía de las olas y de las corrientes, consistirán en dispositivos especialmente diseñados para ello, bien sea con hélices de eje vertical (olas) u horizontal (corrientes), así como otros ingenios que colocados en la periferia de la plataforma y a la altura de la flotación, permitan realizar la absorción de la energía prevista. Para el diseño de la plataforma objeto de la invención se han tenido en cuenta los siguientes factores que a continuación describimos y la interrelación entre los mismos.

- Radio (m),

- Puntal (altura del disco) (m),

- Amurada (estructura superior no estanca a modo de rompeolas). Altura en metros,

- Quilla (estructura inferior no estanca a modo de faldón que encierra agua del mar). Altura en metros,

- Distancia superficie mar a amurada (m),

- Calado (parte de la altura del disco que está sumergida) (m),

- Peso palas, núcleo y góndola (Tm),

- Peso torre (Tm),

- Peso amurada y quilla (Tm),

- Peso disco (Tm) s/cálculo,

- Volumen disco sin quilla (m3),

- Lastre fijo (Tm),

- P = Desplazamiento (Tm) (suma de todos los pesos)

- Inercia disco (p * R ⁴ )/4 (m4),

- (Ig), Inercia del conjunto como sumas de todas las inercias respecto al centro de gravedad,

- Peso total plataforma (Tm) (suma del peso del disco más el lastre fijo).

- Angulo de la ola expresado en radianes, que es igual al are tag de la altura de la ola dividida entre la mitad de la longitud de onda

- Ángulo de inclinación, (inclinación máxima) en grados y en radianes.

Para el estudio de estabilidad se ha tenido en cuenta la acción del viento sobre las palas del generador, el oleaje sobre el conjunto y la interrelación de las inercias, los centros de gravedad, la inercia de la flotación, la altura metacéntrica, el centro de carena, etc. ... todo ello dado en las expresiones siguientes: Par escorante de empuje = (distancia del centro de gravedad de generador - distancia del centro de gravedad del conjunto) x empuje en el eje del generador (Tm x m),

Par adrizante = Desplazamiento (P) x (distancia del metacentro - distancia del centro de gravedad del conjunto) x (Tm x m), que se expresa como P x (r-a).

T = es el periodo expresado en segundos.

Está relacionado con la masa (Ig) y la estabilidad (Px(r-a)) por la expresión:

T = k * 2 * p * [Ig / (P*(r-a)*g)] ^1/2

Siendo K = coeficiente establecido por diferentes ensayos hidrodinámicos que recoge la inercia adicional debida a la masa de agua asociada al flotador de que se trate, buque o plataforma cuando oscila en el agua.

Dado que el periodo de las olas varía entre 8 y 20 seg., se ha considerado que, como mínimo, el periodo de estas plataformas debe ser superior a 15 seg. porque resulta ser del orden del 50% más que el periodo menor del oleaje y es la proporción que se considera mínima para evitar fenómenos de resonancia.

Toda la formulación anterior y los parámetros que se tienen en cuenta sirven para poder diseñar una plataforma flotante que tiene una forma general aproximada a un disco, que cumple con los condicionantes buscados de tamaño lo más reducido posible, y por lo tanto costos y complejidades asociadas, tiene una inclinación por el viento admisible para los equipos instalados, no hace “slamming” (golpeteo en el fondo) por estar “adherida” en todo momento a la superficie del mar, evita la posibilidad de poder entrar en resonancia con el movimiento de las olas del mar y de ese modo no daña a los equipos instalados y nunca llega a volcar.

Para lograr resolver satisfactoriamente los condicionantes indicados, se han llevado a cabo cálculos de estabilidad y un ensayo a escala definida por la igualdad del número de Froude (que relaciona las fuerzas de inercia con las de gravedad y se representa por el cociente entre la velocidad y la raíz cuadrada del producto gravedad por longitud) en modelo y prototipo (según cuadro que se indica a continuación) en un Canal de Ensayos hidrodinámicos con la referencia OTI 2460, dotado de sistema de fondeo adecuado y donde fue empleado un sistema de seguimiento óptico (Krypton), con sensor de ola incidente, sensor de ola relativa, acelerómetros, células de carga y cámaras para filmar los 18 oleajes regulares e irregulares distintos a que fue sometida la plataforma.

Relación de dimensiones entre modelo y prototipo.

Teniendo en cuenta los cálculos realizados y posteriores verificaciones en ensayos hidrodinámicos, la plataforma flotante presenta una relación entre la altura o puntal de la plataforma y el diámetro de la misma, sin tener en cuenta las amuradas y las quillas, de un ratio que va desde 0,06 hasta 0,35.

Con objeto de poder corroborar todos los cálculos anteriores se procedió a realizar un prototipo y someterlo a un ensayo hidrodinámico. El primer ensayo es un ensayo llamado de “extinción” o comprobación de cálculos y a continuación se fueron produciendo los 18 tipos diferentes de oleajes desde los 15 de servicio hasta los 3 extremos o de supervivencia, superándolos todos ellos. Los oleajes de supervivencia fueron, nada menos, los oleajes máximos que tienen lugar en el Atlántico Norte. Los ensayos referidos han demostrado el adecuado dimensionamiento del flotador, de su distribución de peso y empuje, de sus inercias, flotabilidad o reacción a los movimientos ondulatorios, su sistema de fondeo, sus aceleraciones verticales y horizontales, velocidades, periodo, etc.

Este ensayo es muy significativo porque se sitúa en el extremo más exigente, pero existen muchos otros estados intermedios donde las proporciones pueden ser variadas para cumplir requisitos y por ello hemos de acotar una franja y no un punto sólo.

Las dimensiones de la plataforma que se ensayó eran de 20 m de radio y 7,62 m de puntal, con una amurada de 2,87 m y una quilla de 2,87 m. El calado de 4,14 m. La distancia desde la flotación hasta la parte alta de la amurada: 6,35 m.

Este ensayo de supervivencia se hace sin estar generando energía, por lo que el ángulo de inclinación por el viento es cero.

El haber salvado la supervivencia con esas dimensiones nos dice que con la máxima altura de ola incidente medida que fue de 7,33 m., la altura de 6,35 m. ha sido suficiente.

Con ese dato se redimensionó la plataforma para un empuje del viento de 6 MW (922 kN), resultando:

Radio = 20,5 m.

Puntal = 8,36 m., más amurada y quilla de 3 m. cada una inclinadas 20° y 45° respectivamente respecto a la vertical.

Peso de la estructura: 831 Tm Lastre: 3.500 Tm

Peso de la torre y góndola: 837 Tm Peso total con lastre: 5.168 Tm Calado: 3,82 m Periodo natural: 22,23 seg.

Los cálculos de estabilidad resultan que, al aprovechar la máxima energía del viento, la inclinación resulta ser de 6 ^o . Inclinación que se produce desde el Centro de Gravedad del conjunto.

Al haber sido la altura de ola incidente con oleaje de servicio (no de supervivencia) de 6,29 m. la altura libre desde la flotación hasta la parte alta de la amurada debe ser:

6,35 - (7,33-6,29) = 5,31 m.

Componiendo esta distancia con la inclinación de 6 ^o , para el nuevo radio de 20,5 m. resulta un puntal de 8,36 m más amurada y quilla de 3 m. cada una.

Las ratios posibles serían:

- Sin amuradas ni quillas: 8,36/41 = 0.203.

Nota. - Llevaría amuradas y quillas, pero la ratio se deduce del puntal dividido por el diámetro o eslora, no por el puntal más amurada y quilla.

- Si subimos la cubierta a la altura de la amurada y la ponemos vertical: 11,36/41 = 0.277

- Si se sube la cubierta y se baja la cubierta inferior o fondo hasta la quilla, poniéndola vertical: 14,36/41 = 0,350

Inversamente podría reducirse el puntal y aumentar la altura de quillas y amuradas, con lo que la ratio podría reducirse lo que se considere oportuno, aunque fuera irrealizable.

Así con el 0,06, el puntal sería 41 x 0,06 = 2,46 m. y la amurada de: (14,36- 2,46) 1 2 = 5,95 m. y la quilla también de 5,95 m. de manera que la suma de puntal + amurada + quilla = 14,36 m. Estas dimensiones podrían dar una resistencia estructural insuficiente por los impactos de las olas y los movimientos dentro del mar por la excesiva altura en voladizo, aunque también podría seleccionarse esta solución para pequeños oleajes, con quillas y amuradas de menor altura..

No obstante, un dimensionamiento similar podría ser factible si se reduce la potencia del generador pasando de 6 MW a 1 MW, por ejemplo.

Por todo ello, teniendo en cuenta que las proporciones son muy variables dependiendo, de:

- el oleaje donde se vaya a situar la plataforma,

- los regímenes de vientos más o menos intensos, y

- la energía a absorber en el generador,

Se considera que las relaciones o ratio entre el puntal o altura de la plataforma y el diámetro de la misma, comprendidas entre el 0,06 y el 0,35 son las que satisfacen los requisitos de estabilidad que tiene en cuenta todas las variables físicas que pueden incidir en su estabilidad (viento, fuerza del oleaje, periodo de las olas, periodo de la propia plataforma, inclinación del conjunto etc.).

Finalmente indicar que esta plataforma podrá ser considerada 4.0 o inteligente, ya que cuenta con algunos de los medios a continuación descrito o combinaciones entre ellos:

- las palas de la hélice podrán variar su paso en función de la intensidad del viento;

- unos medios automáticos de lastre y deslastre con agua de mar para posicionar la plataforma inclinada en la dirección que venga el viento en cada momento;

- Unos medios de protección catódica por corrientes impresas para evitar la oxidación del casco y mantener la protección durante toda la vida útil de la plataforma; - Unos medios de control de la tensión de las cadenas de fondeo para detectar a distancia posibles fallos o desajustes;

- Una estación meteorológica

Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.

A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra “comprende” y sus vahantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.

EXPLICACION DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.

En la figura 1, podemos observar las diferentes formas de fijar aerogeneradores sobre el mar

En la figura 2, podemos observar anclajes tipos “spar” sem ¡sumergibles

En la figura 3 se muestran plataformas tipo “barge”. En la figura 4 se muestra una vista lateral de la plataforma flotante donde se referencian diferentes aspectos constructivos.

En la figura 5 se muestran aspectos constructivos adicionales donde se observa el interior de una plataforma flotante.

En la figura 6 se muestra una representación de un módulo de un disco flotante.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.

En la figura 4 podemos observar una vista la lateral de la plataforma flotante, en la que se pueden apreciar la altura o puntal de la plataforma (13), el diámetro (14), el calado (17) distancia entre la superficie del agua y el fondo de la plataforma, así como la distancia libre (18), entendiendo por tal la distancia entre la superficie del mar y borde superior de la plataforma. También se pueden observar unos elementos adicionales complementarios optativos, que consisten en unas amuradas o perfiles inclinados (15) que rodean perimetralmente la plataforma e impiden la entrada de agua en la superficie, así como las quillas (16) o faldones inclinados que proporcionan estabilidad.

En la figura 5 se muestra la estructura de la plataforma flotante que, como puede verse, comprende unas serie de carlingas (22) en disposición radial con respecto a un eje central (19), donde las carlingas (22) están conectadas mediante una serie de varengas (23) para dotar a la plataforma de una mayor rigidez estructural y, adicionalmente, una serie de refuerzos perimetrales transversales (24), dispuestos en el último tramo de cada sección circular, donde todos los elementos anteriores están alojados en el espacio interior definido por una carcasa exterior o forro exterior (20), para compensar la presión del mar exterior.

La torre cuenta con una serie de nervios de manera que dicho elemento queda posicionada de manera que quedan en correspondencia con las carlingas.

En la figura 5 y en el detalle de la figura 6, se pueden apreciar una serie de refuerzos angulares o llantas (25) con bulbo, que se disponen por el interior de las chapas exteriores. Dichas llantas (25) en el forro exterior van colocadas verticalmente a modo de las cuadernas de los buques, mientras que en las cubiertas y fondos las llantas (25) van colocadas radialmente en el espacio intermedio definido por las carlingas (22). Su objeto es reducir el vano y bajar los espesores de la chapa.

La plataforma podrá estar construida en Acero, Acero Naval A o poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV).

A modo de ejemplo y para la Plataforma poligonal de doce lados descrita anteriormente de 20,5 m. de radio y 8,36 m. de altura, se procedería de la forma siguiente:

- Material: acero Naval A compuesto por chapas, perfiles y llantas con bulbo,

- Estructura radial totalmente estanca, con amuradas y quillas (opcional), Las amuradas dispondrían de drenajes o falucheras antirretorno automáticos (como los existentes en buques) para evitar que el agua de lluvia o los rociones queden en su interior.

- Se fabricarían doce módulos ¡guales si bien uno de los módulos tendría dos carlingas (estructura vertical en el sentido del radio) en lugar de una sola como el resto, varengas o refuerzos transversales y refuerzos longitudinales en el extremo del módulo, más llantas con bulbo en los fondos, cubierta y costados a modo de cuadernas. Todo ello envuelto por el forro exterior.

Estos módulos se construirían en taller, soldados con procedimientos y detalles constructivos homologados por una Sociedad de Clasificación y con una esmerada preparación de superficies para aplicar la pintura antioxidante y antiincrustante (ésta última en la parte sumergida externa -obra viva-).

Los doce módulos se ensamblarían en la grada de un astillero por su superficie y proximidad al mar, situándolos mediante grúas y cama de construcción en continuidad, respetando el plano de construcción.

Finalmente se harían las pruebas de estanqueidad y sería botado al mar.

A continuación, ya a flote, se instalarían la Torre con la góndola, acoplando sus refuerzos verticales con las carlingas de la amurada, si la lleva, o sobre la cubierta, justo en la zona donde se sitúan las carlingas, para dar la adecuada continuidad estructural al conjunto.

Por último, el conjunto sería remolcado a su emplazamiento definitivo en alta mar.

Este procedimiento, por la exclusividad del proyecto, ahorra muy importantes costes de instalación.

Por el contrario, las plataformas apoyadas y ancladas en el fondo, al no flotar, implican un muy elevado coste de producción al requerir la utilización de un considerable tonelaje de material, siendo además la logística para su traslado y colocación muy compleja, puesto que necesitan ser transportadas en costosos barcos especialmente construidos para realizar esos delicados movimientos. Por otro lado, las flotantes tipo SPAR, al tener mucha altura y calado, hay que transportarlas tumbadas y ponerlas verticales en su emplazamiento final mediante embarcaciones de apoyo también complicadas y costosas. La flotante, objeto de esta invención, al flotar y tener poco calado, puede desplazarse remolcada simplemente sin necesidad de realizar ninguna maniobra especial en su emplazamiento. Se puede considerar que es una plataforma “plug & play” ya que una vez dispuesta sobre el mar está lista para ser usada. Esta propiedad de colocar y funcionar es muy importante para la logística de esta invención respecto a las existentes.

Finalmente, señalar que la estructura puede ser diseñada también recta con carlingas paralelas, modificando la conexión con la torre respecto de la aquí indicada.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica, como ya fue indicado, con otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.