El impacto de la estabilidad en el diseño de turbinas marinas

Es común que los diseñadores de turbinas en alta mar se centren en la estructura de soporte, pero el movimiento adicional permitido por las plataformas flotantes también afectará significativamente los diseños de las turbinas. Todos los conceptos flotantes experimentarán dinámicas más activas, lo que resultará en mayores movimientos de la torre y en el acoplamiento entre la estructura de soporte y el rotor. Por esta razón, es importante incluir el impacto del movimiento de la plataforma con respecto a la clasificación de estabilidad en el diseño general del sistema. A continuación cuatro de los principales problemas que uno podría considerar en la compensación inicial.

• Peso de la turbina: el peso del ensamblaje de la góndola/rotor (EGR) afectará directamente el tamaño y el costo del tanque de flotación requerido para soportar el peso total del sistema. Por lo tanto, cualquier reducción en el peso de la parte superior de la torre dará como resultado reducciones adicionales en el peso total del sistema. Este es un fuerte incentivo para reducir el peso en altura. Esto se puede hacer de muchas maneras, e incluso se rechazaron algunos métodos para sistemas terrestres debido a emisiones acústicas o estéticas. Para todos los diseños, una mayor velocidad de la punta del rotor dará como resultado reducciones de peso de la EGR. Esto se realiza por varias ventajas físicas. Las velocidades de rotación más altas permiten una forma de la pala más pequeña y un menor peso de la misma para la misma producción de energía. Las velocidades más altas significan un par de entrada más bajo y relaciones de transmisión más bajas, y por lo tanto ejes y cajas de engranajes más pequeños. Las tendencias actuales en diseños de trenes de transmisión costa afuera son hacia generadores de transmisión directa que pueden hacerse más pequeños para velocidades de rotación más altas. Se espera que los generadores de transmisión directa sean más confiables que los sistemas accionados por engranajes modulares, pero los generadores de rotor bobinados actuales son más pesados. Los diseños de generadores de imán permanente prometen ofrecer más reducciones de peso y una mayor eficiencia para futuros diseños. El componente más pesado sobre el agua es, por mucho, la torre. Las cargas de empuje más bajas y los materiales ligeros alternativos también pueden ayudar a reducir el peso de la torre. Las reducciones de peso también se pueden realizar en la propia plataforma donde, por ejemplo, los agregados livianos pueden proporcionar opciones concretas un 40% por debajo de las mezclas estándar.

• Movimiento superior de la torre: el grado de movimiento de la plataforma tendrá un impacto proporcional en los requisitos de diseño de EGR y, por lo tanto, en el costo del sistema. El diseño de la turbina deberá ser más robusto para acomodar ángulos de rotación altos, mayores desplazamientos de la góndola, movimiento de elevación y aceleraciones angulares resultantes de los movimientos de cabeceo y balanceo. Un diseño de barcaza puede experimentar movimientos rotacionales más grandes a partir de la carga de la onda, lo que inducirá cargas dinámicas en el rotor, la torre y las palas. Los diseños de rotor flexible podrían acomodar estas dinámicas más fácilmente que los diseños actuales de rotor estriado. Los rotores de sotavento pueden acomodar grandes desviaciones más fácilmente que los rotores en dirección contraria al viento, que tienen tolerancias de torre más pequeñas. Mientras que las plataformas que permiten un mayor movimiento de la góndola pueden beneficiarse más de estas innovaciones de turbina, en general, todos los sistemas de turbina flotante podrían obtener una mayor reducción del costo potencial de los diseños flexibles en comparación con los sistemas de fondo fijo.

• Complejidad de los controles: los controles juegan un rol cada vez más importante en la estabilidad general de los sistemas de turbinas eólicas. Los controles ya se utilizan en las turbinas en tierra para amortiguar las resonancias estructurales indeseables y reducir la respuesta dinámica a la turbulencia en el viento. En las plataformas flotantes, es concebible que los controles se utilicen para limitar la respuesta de todo el sistema de turbina/plataforma a la carga de onda estocástica. Por ejemplo, los movimientos de cabeceo (dirección hacia adelante/atrás) pueden ser fácilmente limitados por una estrategia inteligente de control de paso colectivo. Ya se han usado técnicas similares para amortiguar los movimientos de la torre en las turbinas en tierra. Un mayor desafío será amortiguar los movimientos de balanceo, que son traducciones del rotor en el plano de rotación (lado a lado), pero los investigadores también están trabajando en métodos de control para limitar estas respuestas. Algunas opciones de plataforma pueden introducir dinámicas que son más difíciles de controlar que otras. Por lo tanto, es importante considerar los beneficios y desafíos que plantea este problema.

• Ángulo máximo de alivio: El ángulo de alivio (ángulo de desplazamiento de la torre durante la carga extrema) puede alterar la distribución de la lubricación en las cajas de engranajes, alterar la carga de los cojinetes y crear fuerzas de componentes y cargas dinámicas anormales. Algunas turbinas eólicas en tierra han sido diseñadas para operar con ángulos de inclinación del árbol extremadamente elevados para aliviar la carga pasiva, pero algunas plataformas marinas podrían requerir especificaciones de ángulo de alivio que actúen dinámicamente y sean mucho más altas que cualquier aplicación terrestre hasta la fecha. Las preguntas son si estos sistemas pueden diseñarse para incluir de manera económica estos requisitos adicionales y qué dinámicas adicionales se introducen. Las boyas Spar, por ejemplo, pueden experimentar altos ángulos de alivio estáticos que requieren consideraciones especiales de diseño mecánico cuando se toman decisiones de configuración.