Brevet FR2938305A1 — publié le 20100514

-1- DESCRIPTION DE L'INVENTION Domaine technique de l'invention L'invention est relative à la construction de centrales électriques éoliennes, destinées à être exploitées en mer, là ou le vent est en moyenne plus fort et plus régulier, et là ou les contraintes de voisinage sont les 10 moins pénalisantes. Des solutions d'éoliennes en mer fixées sur des fondations au sol existent déjà et permettent une exploitation jusqu'à environ 50m de profondeur. 15 Compte tenu des caractéristiques géographiques des pays (dont la France) dont les côtes présentent rapidement des fonds de profondeur supérieurs à 50m, il est judicieux de pouvoir disposer d'éoliennes flottantes. 20 Etat de la technique antérieure Plusieurs types d'éoliennes flottantes sont actuellement à l'étude ou en développement : Type Barge flottante : 25 L'éolienne est fixée sur une plate-forme semblable à une embarcation à fond plat, d'où un volume de flottaison essentiellement en surface. L'ensemble est ancré au fond marin par des ancrages souples. 30 L'inconvénient de ce type d'architecture est une grande sensibilité aux vagues et à la houle, induisant des efforts dynamiques importants sur les nacelles éoliennes, incompatibles avec leurs fonctions. Type Flotteur semi-submersible : L'éolienne est installée sur un flotteur conçu pour minimiser la sensibilité à la houle. En effet, une grande partie du corps flottant est située sous l'eau. L'inconvénient de ce type d'architecture est de nécessiter une masse importante de matériaux pour 40 obtenir une bonne stabilité de l'ensemble, ce qui engendre un coût de production difficilement compatible avec sa fonction. Type TLP (Tension Leg Platform) ou SPAR : 45 L'éolienne est située sur une structure flottante maintenue au moyen d'un ou plusieurs câbles tendus et ancrés dans le fond marin. L'intérêt est de placer l'essentiel de la partie flottante � sous les vagues �, d'où une meilleure stabilité dans la houle. L'inconvénient porte sur le fait que le coût correspondant à la structure et aux ancrages est important et difficilement compatible avec sa fonction. L'invention de M. Torr Todman (UK) décrit une architecture birotor en � T �, alors que l'architecture décrite 55 sur ma demande de brevet est une architecture birotor en � V �. Les inventions de MM. Heronemus (US), Sieg (DK), et Buitendijk (NL) décrivent différentes structures d'éoliennes flottantes munies d'un flotteur et d'un lest, mais aucun de ces documents ne fait référence à l'association d'une structure munie d'un système de flottaison et d'un lest, avec un birotor en � V � (avec 60 deux rotors au vent) s'orientant face au vent autour de l'axe central à l'aide d'un système d'accouplement rotatif situé à la base du � V �. 35 50 -2- Le brevet déposé par MM. Alexandroff (FR) présente une architecture en � V �, mais avec un aérogénérateur � au vent � et l'autre � sous le vent �. Exposé de l'invention L'invention porte sur une architecture particulière d'éolienne flottante permettant d'améliorer les technologies connues à ce jour. Les perfectionnements concernent particulièrement l'architecture générale de l'ensemble, ainsi que la combinaison de dispositifs particuliers. Selon une caractéristique de l'invention, l'architecture générale est composée d'un aérogénérateur birotor 15 � en V � placé sur une structure flottante du type � Flottant tendu � munie d'un système de flottaison et d'un lest. La structure pivote sur elle-même autour d'un fût fixe situé au dessus de l'eau, afin d'orienter sa partie haute face au vent. L'intérêt du birotor est de mutualiser les éléments de structure et d'ancrage, particulièrement couteux, et par conséquent d'obtenir un coût de production plus avantageux par rapport à une solution mono rotor. 20 L'invention présente l'avantage remarquable suivant : • Une structure � flottant tendu � munie d'un système de flottaison et d'un lest présente l'avantage d'être plus économique qu'une structure multi-flotteurs (moins d'acier utilisé), mais elle présente 25 aussi l'inconvénient majeur d'être instable (grande sensibilité à la houle et aux vagues). • Le fait d'associer cette structure flottant tendu avec une structure birotor en � V �, s'orientant naturellement, afin de capter le maximum de vent, autour de l'axe central à l'aide d'un système d'accouplement rotatif proche de la surface de l'eau, permet à l'ensemble d'acquérir un meilleur 30 comportement dynamique et une meilleure réponse aux contraintes imposées simultanément par les variations de sens du vent et par les mouvements induits par les vagues et la houle, en diminuant l'interaction aérodynamique/hydrodynamique de l'ensemble. Le fait que le système d'accouplement rotatif soit proche de la surface de l'eau (à la base du � V �) assure une meilleure stabilité à l'ensemble, en atténuant les couples mécaniques induits par les contraintes dynamiques 35 imposées par les vagues et la houle sur les structures et sur le système d'accouplement rotatif. Cette invention présente donc l'avantage remarquable de construire à moindre coût un système éolien flottant s'orientant naturellement et en permanence dans le vent même en présence de houle et de vagues, produisant ainsi davantage de puissance électrique moyenne. Il est ainsi possible selon l'invention de 40 produire davantage de puissance électrique moyenne pour une superficie d'exploitation donnée, avec des structures à moindre coût. Un autre intérêt du birotor est de pouvoir � densifier � la production d'énergie, les rotors devant normalement être éloignés de 3 à 5 fois leur diamètre afin d'éviter les perturbations aérodynamiques 45 émises en aval d'un rotor. II est ainsi possible selon l'invention de produire davantage de puissance électrique pour une superficie d'exploitation donnée, et par conséquent d'obtenir de meilleures performances économiques. Chacun des rotors est placé face au vent, le couple de renversement induit par leur masse permet de contrer le couple généré par la poussée du vent sur les rotors, ce qui permet de réduire avantageusement la taille du lest. 50 Selon une autre caractéristique de l'invention, les rotors sont du type � moyeux oscillants �, caractérisés par une plus grande résistance et par une meilleure réponse aux contraintes dynamiques imposées par l'effet de la houle et des vagues sur les structures. 55 Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux rotors sont contrarotatifs, cette caractéristique étant avantageuse car elle permet d'annuler les efforts gyroscopiques induits sur les structures. Selon une autre caractéristique de l'invention, il suffit d'une légère dissymétrie de traînée d'un rotor par rapport à l'autre pour provoquer un angle de pivotement. Cette caractéristique est particulièrement 60 intéressante car elle autorise le pilotage de l'orientation de la partie haute de l'ensemble, pour la placer face au vent, uniquement en faisant varier différemment le pas des pales des deux rotors. Il est alors inutile d'implanter un lourd et couteux dispositif d'orientation mécanique avec moteur et engrenages. 10 -3- Selon une autre caractéristique de l'invention, il suffit d'une légère dissymétrie de traînée d'un rotor par rapport à l'autre pour provoquer un angle de pivotement. Cette caractéristique est particulièrement intéressante car elle autorise le pilotage de l'orientation de la partie haute de l'ensemble, pour la placer face au vent, uniquement en faisant varier le pas des pales d'un des deux rotors. II est alors inutile d'implanter un lourd et couteux dispositif d'orientation mécanique avec moteur et engrenages. Selon une autre caractéristique de l'invention, les rotors sont de type bipales. Cette caractéristique est particulièrement intéressante car elle facilite le transport à l'horizontal de l'aérogénérateur, sur terre et sur mer, par un encombrement moindre. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'aérogénérateur pourra être assemblé à terre sur un simple terre plein, puis transporté à terre à l'horizontal à l'aide de chariots jusqu'au quai de mise à l'eau. La mise à l'eau pourra être réalisée en la faisant rouler sur un terrain en pente douce vers la mer, ce qui présente l'avantage de ne pas nécessiter de grue, d'où un gain pratique et économique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'aérogénérateur pourra être remorqué sur l'eau à l'horizontal, portée de façon sûre, stable et peu couteuse par la poussée d'Archimède et par trois simples flotteurs, jusqu'au lieu d'exploitation. Un flotteur porte le lest, deux autres soutiennent chacun les deux nacelles à une bonne distance au dessus de l'eau, limitant ainsi les risques d'immersion des nacelles lors du transport. Cette solution présente l'avantage de ne pas nécessiter de barge et de grue pour le transport de l'éolienne. Selon une autre caractéristique de l'invention, un système de guides est prévu pour tendre les lignes d'ancrage depuis la surface (16) de la mer. Les câbles d'ancrage passent dans un guide (11) situé dans le mât central puis sont dirigés à la verticale vers la surface (16) en vue de les tendre à l'air libre par un dispositif de guide (12) et de treuil (13). La mise en place de l'aérogénérateur se fait aisément, sans utilisation de grue, en tendant les haubans à l'aide de treuils. On procède ainsi : On passe les lignes d'ancrage dans les guides (11) et (12), On tend les lignes d'ancrage à l'aide du système de treuil (13), On détend simultanément le câble supportant le flotteur (8) relatif au lest (4), On détache les flotteurs (8), (9) et (10) alors inutilisés. Cette solution permet avantageusement d'éviter l'utilisation d'une barge de transport et d'une grue. Selon une autre caractéristique de l'invention, si l'on souhaite rapatrier l'aérogénérateur à terre par exemple 40 pour raison de maintenance ou lorsqu'elle atteint sa fin de vie, on procède ainsi : On met en place les flotteurs (8), (9) et (10) utilisés précédemment pour le transport, On détend les lignes d'ancrage à l'aide des treuils (13), On tire avec un câble et un remorqueur le haut de l'aérogénérateur de façon à l'aider à s'incliner et 45 à le coucher vers les flotteurs de transport (9) et (10), On tend simultanément le câble supportant le flotteur (8) relatif au lest (4) afin qu'il le soutienne dès que l'aérogénérateur se penche, On désolidarise les lignes d'ancrage de la structure et on les attache à une bouée afin de les récupérer ultérieurement, 50 On remorque l'aérogénérateur à l'horizontal jusqu'au port, ou il sera prise en charge. Cette solution permet avantageusement d'éviter l'utilisation d'une barge de transport et d'une grue. Selon une autre caractéristique de l'invention, par exemple 9 haubans assurent le maintien de la structure, 55 groupés par exemple par groupes de 3 afin de pouvoir facilement procéder au remplacement d'un hauban, les deux autres du même groupe prenant le relais le temps de l'intervention, évitant ainsi la mise à l'arrêt de l'aérogénérateur défavorable en terme économique. 60 La figurel est une vue de face de l'aérogénérateur birotor � en V � placé sur une structure flottante du type � Flottant tendu � munie d'un système de flottaison et d'un lest.35 -4- La figure 2 représente le transport à terre de l'aérogénérateur par une grue, par exemple pour sa fabrication. La figure 3 représente le transport à terre de l'aérogénérateur sur des chariots roulant à terre, par exemple pour sa mise à l'eau. La figure 4 représente le transport sur l'eau de l'aérogénérateur à l'horizontal, porté par la poussée d'Archimède et par trois flotteurs, remorqué jusqu'au lieu d'exploitation. La figure 5 représente le système de poulie prévu pour tendre les lignes d'ancrage depuis la surface de la mer. La figure 6 représente la configuration générale de l'ensemble. 20 Application industrielle Les aérogénérateurs selon l'invention pourront constituer des centrales électriques éoliennes offshores de toutes puissances, de configurations linéaires ou concentrées du type � ferme éolienne �.15 REVENDICATIONS1. Aérogénérateur birotor en � V � caractérisé par le fait que les deux rotors (1) et (2) sont placés face au vent sur une structure flottante (3) du type � Flottant tendu � munie d'un système de 10 flottaison (15) et d'un lest (4). La structure pivote sur elle-même naturellement autour d'un fût fixe (17) à l'aide d'un système d accouplement rotatif situé au dessus de l'eau à la base du � V �, afin d'orienter en permanence sa partie haute face au vent afin de capter le maximum de vent, même en présence de perturbations induites par les mouvements de la houle et des vagues. Il est ainsi possible selon l'invention de produire davantage de puissance électrique moyenne pour une 15 superficie d'exploitation donnée et à un moindre coût. 2. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les rotors (1) et (2) sont du type � moyeux oscillants �. 3. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux rotors (1) et (2) sont contrarotatifs. 4. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux rotors (1) et (2) sont à pas variable et que l'on commande l'orientation de la partie haute de l'ensemble par rapport à la direction du vent en faisant varier séparément le pas des rotors. 30 5. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'un des rotors (1) est à pas fixe et l'autre (2) à pas variable et que l'on commande l'orientation de la partie haute de l'ensemble par rapport à la direction du vent en faisant varier le pas de l'un des deux rotors. 6. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que les rotors (1) et (2) sont de type bipales. 40 7. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut être transporté à terre à l'horizontal à l'aide de chariots (5), (6), (7) jusqu'au quai de mise à l'eau, puis mis à l'eau en le faisant rouler sur un terrain en pente douce vers la mer. 45 8. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut être remorqué sur l'eau à l'horizontal, les aérogénérateurs restant pendant le transport bien au sec à une bonne distance au dessus de l'eau et des vagues, chacun des deux bras constituant le � V � étant soutenu par un flotteur porté par la poussée d'Archimède, jusqu'au lieu d'exploitation. Un flotteur (8) soutient le lest, deux autres flotteurs (9) et (10) soutiennent respectivement les deux bras supportant les 50 rotors (1) et (2), les portant ainsi loin au dessus de l'eau. 9. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que un système de guides (11) et (12) et de treuils (13) est prévu pour tendre et/ou détendre les lignes d'ancrage au dessus de la 55 surface (16) de la mer. 10. Aérogénérateur birotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que par exemple 9 haubans (14) assurent le maintien de la structure, groupés par exemple par groupes de 3. 11. Aérogénérateur birotor selon les revendications précédentes isolé ou constituant une centrale éolienne offshore de toute puissance. 20 25 35 60