Brevet FR2984968A1 — publié le 20130628

Le domaine de la présente invention est celui des éoliennes, en particulier les installations offshore et notamment sur supports flottants. L'objet de l'invention concerne la stabilisation active de la nacelle suivant deux angles, d'azimut et d'inclinaison par rapport à la verticale. L'objectif est de maintenir le plan de rotation des pales sensiblement toujours 10 perpendiculaire à la direction du vent, et cela pour tous les changements de direction du vent et pour tous les mouvements du support du mat et de la nacelle. On sait que pour maximiser la puissance prélevée au vent, il faut optimiser le positionnement des pales face au vent. La puissance prise au vent est proportionnelle à la section de rotation des pales, cette section est maximum si elle est perpendiculaire à l'axe 15 réel de direction du vent. De plus, avec des pales bien positionnées face au vent, la tenue mécanique des composants, pales et rotor, sera améliorée. L'orientation contrôlée de la nacelle (du plan des pales) dépend de deux angles, l'angle azimut contenu dans le plan horizontal et l'angle d'inclinaison contenu dans le plan vertical de la nacelle. L'angle d'azimut du vent variant de 0 à 360 degrés est généralement 20 mesuré avec une girouette calée par rapport à une référence d'azimut. L'angle d'inclinaison de la direction du vent, variant autour de 90 degrés par rapport au plan horizontal, est généralement mesuré avec un inclinomètre. En offshore, une éolienne sur support flottant n'est pas stable contrairement aux éoliennes sur supports fixes. Les mouvements du support flottant en tangage et en roulis 25 sont transmis au mat auquel s'ajoute l'inclinaison du mat par l'effet de la poussée du vent sur les pales en rotation, poussée proportionnelle à la puissance prise au vent. Les mouvements du mat sont apériodiques, ils sont transmis par le mat à la nacelle et au rotor, ils sont très préjudiciables à la tenue mécanique des éléments tournants, le rotor et les pales et donc à la fiabilité de l'éolienne. 30 Les éoliennes actuelles sur support flottant sont fixées rigides à son support. De ce fait les actions combinées de la poussée du vent sur le plan de rotation des pales et les mouvements du support flottant inclinent le mat. Cela est préjudiciable au bon fonctionnement de l'éolienne et produit des contraintes mécaniques importantes sur les pales et le rotor, particulièrement par fort vent. On connaît des systèmes mécaniques pour modifier l'inclinaison d'une nacelle d'éolienne, mais ils ne sont pas adaptés aux grandes éoliennes de forte puissance, 5 notamment les éoliennes offshore, fixes ou flottantes. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de contrôle de l'angle d'inclinaison et d'orientation en azimut du plan de rotation des pales d'une éolienne comportant une nacelle montée sur un mat. Le dispositif comporte en combinaison : - au 10 moins une couronne de rotation d'inclinaison dont le plan de roulement fait un angle a non nul avec l'axe principal du mat, et - au moins une couronne de rotation en azimut ayant un angle a=0. Le dispositif peut comporter une couronne de rotation en azimut entre la nacelle et l'extrémité supérieure du mat. 15 Il peut comporter une couronne de rotation en azimut en dessous de ladite couronne de rotation d'inclinaison. Le dispositif peut comporter deux couronnes de rotation d'inclinaison. Les deux couronnes peuvent avoir des angles de plan de roulement différents par rapport à l'axe du mat. 20 L'invention concerne également une éolienne comportant une nacelle montée sur un mat dont le plan de rotation des pales est contrôlé en azimut et en inclinaison, comportant le dispositif décrit ci-dessus. L'éolienne peut comporter le dispositif au sommet du mat, de façon à contrôler l'inclinaison et l'azimut de la nacelle. 25 Elle peut comporter le dispositif sensiblement à la base du mat, de façon à contrôler l'inclinaison et l'azimut du mat. L'éolienne peut comporter des éléments de profilage le long du mat. L'éolienne peut comporter un renvoi d'angle dans la nacelle de façon à disposer les moyens de récupération de l'énergie de rotation des pales dans le mat. 30 L'éolienne peut avoir un mat porté par un support flottant. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des modes de réalisations suivants, nullement limitatifs, et illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - les figures la et lb illustrent le principe des éoliennes flottantes, - les figures 2a et 2b montrent schématiquement le contrôle de l'inclinaison d'une nacelle d'éolienne, - les figures 3a et 3b décrivent le principe du dispositif selon deux réalisations, - les figures 4a et 4b illustrent le contrôle de l'inclinaison du mat d'une éolienne offshore flottante, - les figures 5a et 5b montrent le principe de variantes d'éoliennes. La figure 1 a montre une éolienne comportant des pales 1 d'une nacelle 2 portée par un mat 3. L'éolienne est dans cette version offshore flottant, c'est-à-dire portée par un support flottant 4, généralement ancré (ancrage non représenté). La figure lb montre l'influence du déplacement du support flottant sur l'orientation du plan de rotation des pales, par rapport au vent de direction 5. L'inclinaison des pales par rapport au vent fait perdre de l'efficacité à l'éolienne. Un dispositif selon la présente invention 6 est disposé sous la nacelle, à la jonction supérieure avec le mat. Sur la figure 2a, le dispositif de contrôle de l'inclinaison ne corrige pas l'angle formé entre le mat et la nacelle. Par contre sur la figure 2b, le support flottant, sous l'action d'un roulis, provoque une inclinaison du mat. Le dispositif selon l'invention 6 corrige l'angle de la nacelle avec le mat pour que celle-ci reste sensiblement face au vent. La figure 3a montre schématiquement la constitution d'un dispositif de contrôle de l'inclinaison et d'azimut. La référence 7 désigne l'axe principal du mat portant la nacelle 2. Le dispositif comporte ici trois couronnes de rotation. Les couronnes 8 et 9 ont leur plan de rotation qui fait un angle avec l'axe du mat 7. La couronne 8 fait un angle a, et la couronne 9 un angle R. Une couronne de rotation en azimut 10, située à la base du dispositif permet une rotation de l'ensemble autour de l'axe de mat 7. Ainsi, cette couronne permet le contrôle en azimut de tout l'ensemble qui se trouve au-dessus de cette couronne. Il est clair que d'autres couronnes de rotation en azimut peuvent être disposées au-dessus, et en particulier sous la nacelle. Une couronne de rotation en azimut est donc caractérisée en ce que son plan de rotation est orthogonal à l'axe du mat. Les éléments inférieurs et supérieurs respectivement référencés 11 et 12 sur la figure 3a, tournent l'un par rapport à l'autre grâce à la couronne de rotation en inclinaison 8. Sur la figure 3a, la position angulaire respective de ces deux éléments 11 et 12 ne procure pas d'inclinaison de la partie supérieure à la couronne de rotation d'inclinaison 8. 5 Si l'on fait tourner les éléments 11 et 12 de 180°, l'un par rapport à l'autre, l'axe 7 de la partie supérieure tourne autour de l'orthogonale 13 au plan de rotation de la couronne 8. Ainsi, la partie supérieure est inclinée d'un angle 2a, par rapport à l'axe de la partie inférieure à ladite couronne de rotation en inclinaison. On peut faire varier l'angle d'inclinaison continûment de 0 à 2a, en appliquant une rotation de 0 à 180° aux deux 10 éléments 11 et 12 de part et d'autre de la couronne de rotation en inclinaison 8. Il faut noter que, à chaque angle de rotation de la couronne 8, l'azimut de la partie supérieure change et varie de 0 (origine) à 180°. Ceci impose que le présent dispositif comporte obligatoirement au moins une couronne de rotation pour l'orientation en azimut. La figure 3a illustre un empilage de couronnes de rotation comprenant une 15 couronne de rotation en inclinaison 9 comprise entre ses éléments inférieurs et supérieurs respectivement 14 et 15. Sur la figure 3a, les éléments 14 et 13 sont représentés présentant une inclinaison de 43 de la nacelle 2, par rapport à l'axe principal 7 du mat. On peut ainsi avoir des cumuls d'angle d'inclinaison. La figure 3 b montre une réalisation du dispositif dans lequel il y a une couronne de 20 rotation en azimut 16, une couronne de rotation en inclinaison 17, et une deuxième couronne de rotation en inclinaison 18. Le choix des angles des plans de rotation par rapport à l'axe principal du tube du mat 19 permet des ajustements des inclinaisons en fonction des rotations des couronnes. Il n'est pas représenté les moyens de mise en rotation des couronnes et des éléments 25 des couronnes, car leur réalisation est à la portée d'un homme du métier. Les figures 4a et 4b décrivent une variante de l'invention dans laquelle le dispositif de contrôle de l'inclinaison et de l'azimut 20 se trouve à la base du mat 21 de l'éolienne. L'éolienne est supportée par des moyens de flottaison 22 sujets à des mouvements dus à la houle, les marées, le vent, ou/et les courants, comme cela est schématisé sur la figure 4b. 30 La mise en oeuvre du dispositif de contrôle de la position du plan des pales 23 a pour but de régler la position du mat 21, quelques soient les mouvements et déplacements du support flottant 22. Dans une variante, une couronne d'orientation en azimut 24 peut être placée directement sous la nacelle, comme cela est courant dans les éoliennes, qu'elles soient offshore ou terrestres. Les figures 5a et 5b décrivent des options avantageuses en combinaison avec le dispositif selon l'invention disposé comme dans les figures précédentes, à la base du mat. Dans cette variante, une couronne d'orientation en azimut 25 est placée dans une position intermédiaire dans la hauteur du mat. La partie supérieure 26 du mat comporte des moyens d'amélioration de l'aérodynamique 27 du mat vis-à-vis du vent. La figure 5b décrit également une variante du système de récupération de l'énergie fournie par les pales, qui comporte un renvoi d'angle 28 sur l'arbre de rotation 29 des pales. 10 Les moyens de transformation de l'énergie mécanique 30 sont placés dans le mat, en dessous de la couronne de rotation de l'azimut 25. Les couronnes de rotation, en inclinaison ou en azimut, peuvent être réalisées de la même façon que les moyens d'orientation des grues, des tours, etc... 15 Les moyens de mise en rotation des couronnes sont asservis à la position du plan des pales par des mesures conjointes : de la direction du vent, des oscillations de la nacelle, des déplacements du support flottant, etc... Toutes ces mesures sont acquises de préférence en dynamique de façon à alimenter des calculateurs permettant d'envoyer les consignes de commandes automatiques. 20 Les avantages d'orienter la nacelle en azimut et en inclinaison sont : - chaque pale reçoit le vent perpendiculairement suivant les deux axes, le vertical et l'horizontal, - diminution des contraintes appliquées aux pales particulièrement en extrémité de pales et au rotor, pas d'efforts cycliques, 25 - amélioration de l'efficacité de la partie tournante des pales qui sont bien orientées maintenues face au vent, - degrés de liberté supplémentaires de la nacelle pour faciliter le montage des pales, orientation du plan des pales par rapport à la nacelle, - application aux éoliennes installées à terre sur des versants inclinés ou proches du 30 sommet, la direction du vent suit approximativement le profil du terrain, profil montant ou descendant. Ainsi l'adaptation de l'inclinaison de la nacelle à la direction du vent montant ou descendant améliore l'efficacité de l'éolienne et diminue les contraintes mécaniques sur les pales et le rotor. Cependant, l'invention concerne plus particulièrement une éolienne sur support flottant pour lequel le mat n'est pas fixe. REVENDICATIONS1) Dispositif de contrôle de l'angle d'inclinaison et d'orientation en azimut du plan de rotation des pales (1) d'une éolienne comportant une nacelle (2) montée sur un mat (3), caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison : - au moins une couronne de rotation d'inclinaison (11-12 ; 14-15) dont le plan de roulement fait un angle a non nul avec l'axe principal du mat, et - au moins une couronne de rotation en azimut (10 ; 16 ; 24) ayant un angle 2) Dispositif selon la revendication 1, qui comporte une couronne de rotation en azimut entre la nacelle et l'extrémité supérieure du mat. 3) Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, qui comporte une couronne de 15 rotation en azimut en dessous de ladite couronne de rotation d'inclinaison. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comporte deux couronnes de rotation d'inclinaison (11-12). 20 5) Dispositif selon la revendication 4, dans lequel lesdites deux couronnes ont des angles de plan de roulement différents par rapport à l'axe du mat. 6) Éolienne comportant une nacelle montée sur un mat dont le plan de rotation des pales est contrôlé en azimut et en inclinaison, caractérisée en ce qu'elle comporte le 25 dispositif selon l'une des revendications 1 à 5. 7) Éolienne selon la revendication 6, comportant ledit dispositif au sommet du mat, de façon à contrôler l'inclinaison et l'azimut de la nacelle. 30 8) Éolienne selon la revendication 6, comportant ledit dispositif sensiblement à la base du mat, de façon à contrôler l'inclinaison et l'azimut du mat. 9) Éolienne selon la revendication 8, comportant des éléments (27) de profilage le long du mat. 10) Éolienne selon la revendication 9, comportant un renvoi d'angle (28) dans la 5 nacelle de façon à disposer les moyens de récupération de l'énergie (30) de rotation des pales dans le mat. 11) Éolienne selon l'une des revendications 6 à 10, dont le mat est porté par un support flottant (4 ; 22).