Plataforma de alta mar estabilizada por columnas con planchas de atrapamiento de agua y sistema de amarre asimétrico para soporte de turbinas eólicas de alta mar.

Una plataforma flotante (105) incluyendo:

a) al menos tres columnas estabilizantes (102,

103), teniendo cada columna un extremo superior y otro inferior, y un volumen interno para contener un fluido de lastre;

b) vigas principales (115) que interconectan las al menos tres columnas estabilizantes;

c) planchas de atrapamiento de agua (107), cada una de las planchas está montada rígidamente en el extremo inferior de una de las columnas estabilizantes; caracterizada por

d) un sistema de control de lastre (201) que mueve el fluido de lastre entre los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes (102, 103) para regular una alineación vertical de las al menos tres columnas estabilizantes.

e) una torre (111) que tiene un extremo superior y un extremo inferior que está montada en la parte superior de una de las columnas estabilizantes,

f) un rotor de turbina 101 acoplado a un generador eléctrico, el rotor de turbina y el generador eléctrico están montados próximos al extremo superior de la torre.

Plataforma de alta mar estabilizada por columnas con planchas de atrapamiento de agua y sistema de amarre asimétrico para soporte de turbinas eólicas de alta mar

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas Esta solicitud de patente reivindica prioridad por la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos número 61/125.241, titulada “Plataforma de alta mar estabilizada por columnas con planchas de atrapamiento de agua y sistema de amarre asimétrico para soporte de turbinas eólicas de alta mar”, presentada el 23 de Abril de 2008.

Antecedentes Una turbina eólica es una máquina rotativa que convierte la energía cinética del viento en energía mecánica que luego es convertida a electricidad. Se ha desarrollado turbinas eólicas para instalaciones basadas en tierra así como instalaciones en alta mar. Las turbinas eólicas basadas en tierra están fijadas al suelo y situadas en zonas ventosas. Hay turbinas eólicas de eje vertical que tienen el eje de rotor principal dispuesto verticalmente y turbinas eólicas de eje horizontal que tienen un eje de rotor horizontal que apunta al viento. Las turbinas eólicas de eje horizontal tienen por lo general una torre y un generador eléctrico acoplado a la parte superior de la torre. El generador puede estar acoplado directamente o mediante una caja de engranajes al conjunto de cubo y palas de turbina.

Las turbinas eólicas también se han usado para aplicaciones en alta mar. Los sistemas de alta mar de torre única se montan en el fondo del mar y están limitados a aguas poco profundas de hasta 30 metros. Si la torre de turbina se monta en una base más ancha, tal como una estructura reticular, este requisito de poca profundidad se puede ampliar a 50 m. En aguas más profundas, cabe esperar que solamente los sistemas flotantes sean económicamente viables. El inconveniente de los sistemas de aguas poco profundas es que el agua solamente suele ser poco profunda cerca de la costa. Así, las turbinas eólicas situadas cerca de la costa pueden bloquear la vista de la costa y crear obstrucciones a la navegación y peligros potenciales para barcos y aviones.

Se están desarrollando actualmente varios conceptos para plataformas de turbina eólica flotantes de alta mar. Por lo general, se dividen en tres categorías principales: Spars; plataformas de patas de tensión (TLPs) ; y sistemas semisumergibles/híbridos. Los ejemplos de plataformas de turbina eólica flotantes incluyen la Statoil Norsk-Hydro Hywind spar, (figura 1) , el prototipo reciente Blue H TLP (figura 2) , la híbrida SWAY spar/TLP (figura 3) , la semisumergible Force Technology WindSea (figura 4) y la semisumergible Trifloater (figura 5) . Con referencia a la figura 1, las Spars son estructuras alargadas lastradas con un lastre significativo en la parte inferior de la estructura y depósitos flotantes cerca de la línea de flotación. A efectos de estabilidad, el centro de gravedad debe estar más bajo que el centro de flotabilidad. Esto asegurará que la Spar flote vertical. La Spar está amarrada al fondo del mar con varias líneas que mantienen la Spar en posición. En términos generales, las estructuras tipo Spar tienen mejores prestaciones de arfada que las semisumergibles debido al calado profundo y la reducida respuesta a fuerzas de excitación de olas verticales de la Spar. Sin embargo, también tienen más movimientos de cabeceo y balanceo que los otros sistemas, dado que la zona plana de agua que contribuye a la estabilidad es reducida en este diseño.

Con referencia a la figura 2, las TLPs tienen cables tensados verticalmente o tubos de acero que conectan el flotador directamente al fondo del mar. No se precisa un centro de gravedad bajo para estabilidad, excepto durante la fase de instalación, cuando se puede añadir temporalmente módulos de flotabilidad para proporcionar suficiente estabilidad. Las TLPs tienen muy buenos movimientos de arfada y angulares, pero la complejidad y el costo de la instalación de amarre, el cambio de tensión de los cables debido a las variaciones de las mareas, y el acoplamiento de frecuencia estructural entre la torre y el sistema de amarre, son tres inconvenientes principales de los sistemas TLP.

Al comparar diferentes tipos de estructuras de turbinas eólicas de alta mar, los movimientos inducidos por las olas y el viento no son los únicos elementos de rendimiento a considerar. La economía desempeña un papel significativo. Por lo tanto, es importante estudiar con esmero los costos de fabricación, instalación, puesta en servicio/cierre y la facilidad de acceso para las metodologías de mantenimiento. Los conceptos semisumergibles con un calado poco profundo y una buena estabilidad en condiciones operativas y de tránsito son significativamente más baratos de remolcar, instalar y poner en servicio/cerrar que las Spars, debido a su calado, y las TLPs, debido a su baja estabilidad antes de la conexión de los cables.

US 2004/0141812 se refiere a un aparato flotante para soportar una plataforma de alta mar. El aparato incluye una pluralidad de columnas verticales montadas en una plancha de atrapamiento de agua horizontal sumergida en su extremo inferior, y, en su extremo superior, en una cubierta que soporta mínimas instalaciones en alta mar para la producción de hidrocarburos en alta mar.

WO 02/087959 se refiere a una unidad multiuso semisumergible (MPU) adaptada para la perforación y la terminación de pozos de petróleo y gas en alta mar a base de plataforma y el servicio de plataformas de producción

de petróleo y gas natural en alta mar, pozos submarinos y otras infraestructuras submarinas usando una torre multiuso a profundidades de hasta 10.000 pies.

Resumen de la invención La invención se define por las características técnicas de la reivindicación 1 y por los pasos de método de la reivindicación 14. Aquí se describen plataformas de turbina eólica flotantes de alta mar semisumergibles que incluyen al menos tres columnas. Además de al menos tres columnas, las plataformas de turbina eólica aquí descritas incluyen características adicionales que mejoran el rendimiento de la plataforma de turbina eólica. En una realización representada en la figura 6, la plataforma de turbina eólica flotante incluye un sistema de lastre activo que mueve el lastre de agua entre las columnas para mantener la torre verticalmente alineada. Además, un sensor de alineación puede estar acoplado a la plataforma para determinar la carga del viento. Además, la plataforma de turbina eólica según la presente descripción puede incluir una o más características adicionales, tal como un sistema de amarre asimétrico y un sistema de lastre activo que facilitan la producción de una estructura que no solamente puede resistir las cargas medioambientales, sino que también es de peso relativamente ligero en comparación con otros diseños de plataformas y que puede dar lugar a una mejor economía para la producción de energía.

Las columnas incluidas en las plataformas aquí descritas pueden estar acopladas una a otra con un sistema de tirantes tubulares que incluye vigas de arriostrado horizontales y verticales. Una plancha de atrapamiento de agua horizontal está montada en la porción inferior de algunas o de todas las columnas. La torre de turbina eólica está sometida a cargas eólicas considerables muy altas en la estructura, y la separación entre columnas logra estabilidad. En una realización, ilustrada en la figura 6, la torre de turbina está montada encima de una de las columnas, que está acoplada a las otras columnas por las vigas principales. Esta construcción mejora la eficiencia estructural de la plataforma de turbina eólica flotante y permite que la estructura sea de un peso relativamente ligero.

En otra realización, ilustrada en la figura 7, la torre de turbina está acoplada directamente encima de una columna de flotabilidad que soporta el peso de la torre y los componentes de turbina eólica. En esta realización, las otras columnas sirven para estabilizar la plataforma y mantener la torre en una alineación vertical. Además, se puede usar un sistema de flotabilidad activo para mover lastre entre las columnas. En la realización representada en la figura 7, dado que el peso de la torre no es soportado por la flotabilidad de las columnas exteriores, la plataforma no requiere mucho soporte estructural entre las columnas exteriores y la columna de la torre central. En contraposición, en algunos diseños anteriores donde la torre se coloca en el centro de la cubierta, la estructura es relativamente pesada y potencialmente menos económicamente factible porque, debido al peso de la torre y la turbina y el momento aerodinámico, la estructura debe soportar grandes cargas en medio de una estructura larga.

Una barquilla,... [Seguir leyendo]

1. Una plataforma flotante (105) incluyendo:

a) al menos tres columnas estabilizantes (102, 103) , teniendo cada columna un extremo superior y otro inferior, y un 5 volumen interno para contener un fluido de lastre;

b) vigas principales (115) que interconectan las al menos tres columnas estabilizantes;

c) planchas de atrapamiento de agua (107) , cada una de las planchas está montada rígidamente en el extremo 10 inferior de una de las columnas estabilizantes; caracterizada por

d) un sistema de control de lastre (201) que mueve el fluido de lastre entre los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes (102, 103) para regular una alineación vertical de las al menos tres columnas estabilizantes.

e) una torre (111) que tiene un extremo superior y un extremo inferior que está montada en la parte superior de una de las columnas estabilizantes,

f) un rotor de turbina 101 acoplado a un generador eléctrico, el rotor de turbina y el generador eléctrico están 20 montados próximos al extremo superior de la torre.

2. La plataforma flotante de la reivindicación 1 incluyendo además:

vigas de arriostrado horizontales (117) que están acopladas entre las vigas principales (115) que son adyacentes 25 una a otra.

3. La plataforma flotante de la reivindicación 2, donde tres de las vigas principales (115) forman lados de un triángulo equilátero y porciones de las vigas principales y las vigas de arriostrado horizontales (117) forman triángulos equiláteros.

4. La plataforma flotante de la reivindicación 1 incluyendo además:

vigas de arriostrado verticales (116) que están acopladas entre una de las vigas principales (115) y una de las columnas (102, 103) . 35

5. La plataforma flotante de la reivindicación 1, donde el sistema de control de lastre incluye:

i) un procesador (123) para enviar y recibir señales de control de lastre;

ii) un sensor de alineación vertical (127) en comunicación con el procesador para determinar el ángulo vertical de las al menos tres columnas estabilizantes con relación a una dirección de la fuerza gravitacional; y

iii) una bomba de lastre (221) en comunicación con el procesador para mover fluido de lastre entre los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes para regular el ángulo horizontal de la plataforma flotante. 45

6. La plataforma flotante de la reivindicación 5, donde el sistema de control de lastre incluye además:

iv) sensores de volumen de lastre (225) para determinar la cantidad de lastre contenida dentro de los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes. 50

7. La plataforma flotante de la reivindicación 1, donde la torre (111) está montada encima de una de las columnas y las otras columnas no están acopladas directamente a la torre.

8. La plataforma flotante de la reivindicación 7, incluyendo además:

líneas de amarre (131-141) que están acopladas asimétricamente a las al menos tres columnas estabilizantes (102, 103) y fijadas al fondo del mar con al menos la mitad de las líneas de amarre acopladas a la columna montada debajo de la torre.

9. La plataforma flotante de la reivindicación 8, donde los ángulos formados por las líneas de amarre adyacentes son aproximadamente iguales.

10. La plataforma flotante de la reivindicación 1, donde la torre (111) está montada sobre una columna de flotabilidad

(104) que soporta la mayor parte del peso de la torre y está situada entre las al menos tres columnas estabilizantes. 65

11. La plataforma flotante de la reivindicación 1, donde el sistema de control de lastre incluye:

i) un procesador (123) para enviar y recibir señales de control de lastre;

ii) un sensor de alineación vertical (127) en comunicación con el procesador para detectar la alineación vertical de la torre con relación a una dirección de la fuerza gravitacional;

iii) una bomba de lastre (221) en comunicación con el procesador para mover fluido de lastre entre los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes para regular una alineación vertical de la torre. 10

12. La plataforma flotante de la reivindicación 11, donde el sistema de control de lastre incluye además:

iv) sensores de volumen de lastre (225) para determinar la cantidad de fluido de lastre contenida dentro de los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes. 15

13. La plataforma flotante de la reivindicación 1, donde la torre (111) está montada en alineación vertical sobre una de las columnas (102) y las otras columnas (103) no están directamente debajo de la torre,

donde las vigas principales incluyen vigas principales superiores primera, segunda y tercera, y vigas principales 20 inferiores primera, segunda y tercera, y

donde la primera viga principal superior se extiende entre un extremo superior de una de las columnas (102) sobre la que la torre (111) está montada y un extremo superior de otra primera columna (103) ,

la primera viga principal inferior está debajo de la primera viga principal superior y se extiende entre un extremo inferior de una de las columnas (102) y un extremo inferior de otra primera columna (103) ,

la segunda viga principal superior se extiende entre el extremo superior de una de las columnas (102) y un extremo superior de otra segunda columna (103) ,

la segunda viga principal inferior está debajo de la segunda viga principal superior y se extiende entre el extremo inferior de una de la columna (103) y un extremo inferior de la otra segunda columna (103) ,

la tercera viga principal superior se extiende entre el extremo superior de la otra primera columna (103) y el extremo 35 superior de la otra segunda columna (103) , y

la tercera viga principal inferior está debajo de la tercera viga principal superior y se extiende entre el extremo inferior de la otra primera columna y el extremo inferior de la otra segunda columna.

14. Un método de operar una plataforma de turbina eólica flotante incluyendo:

a) proporcionar el aparato de plataforma de turbina eólica flotante (105) que tiene al menos tres columnas estabilizantes (102, 103) , teniendo cada columna un extremo superior y otro inferior, y un volumen interno para contener un lastre, una torre (111) montada encima de una de las columnas estabilizantes, un rotor de turbina (101) 45 montado en una porción superior de la torre, el rotor de turbina acoplado a un generador eléctrico (125) , vigas principales (115) que interconectan las al menos tres columnas estabilizantes, planchas de atrapamiento de agua (107) montadas en los extremos inferiores de las columnas estabilizantes y un sistema de control de lastre (201) que incluye un sensor de alineación vertical (127) y una o más bombas (221) para mover el lastre entre los volúmenes internos de las al menos tres columnas estabilizantes;

b) girar el rotor de turbina (101) ;

c) girar el generador para producir electricidad;

d) detectar un ángulo de inclinación de la plataforma de turbina eólica flotante (105) que esté fuera de un rango predeterminado aceptable;

e) accionar una o más bombas (221) para mover el lastre entre las columnas estabilizantes (102, 103) ;

f) detectar el ángulo de inclinación de la plataforma de turbina eólica flotante (105) que esté dentro del rango predeterminado aceptable;

g) parar la una o más bombas para detener el movimiento del lastre entre las columnas estabilizantes.