Brevet FR2985550A1 — publié le 20130712

La présente invention concerne une structure porteuse orientable à la base et susceptible de regrouper sur un seul plan vertical une ou plusieurs éoliennes en principe 1 - 2 - 3 ou 4. Le concept s'applique aux éoliennes flottantes (offshore) mais également aux éoliennes implantées sur des sites terrestres. Traditionnellement les éoliennes sont installées sur un mât tronconique fixé à la base sur un massif béton . En tête de mât l'éolienne est solidaire d'une nacelle qui contient tous les organes nécessaires à la production d'énergie électrique. La nacelle s'oriente autour d'un axe vertical afin que le plan de l'éolienne soit toujours perpendiculaire à la direction du vent. Le mât tronconique ne peut recevoir qu'une seule éolienne ce qui limite la puissance sur un site et conduit à la création de champs d'éoliennes nombreuses occupant une très grande surface. Cette solution traditionnelle se justifie pour des hauteurs de mât de 40 à 60 m et des puissances jusqu'à 1 ou 2 mégawatts. Concernant les éoliennes de nouvelle génération: avec des diamètre de 100 à 120 mètres des hauteurs de mât de 100 à 150 mètres des puissances mécaniques engendrées par une éolienne de 5 à 6 mégawatts. La fabrication des composants du mât très lourds et très volumineux nécessite la création d'outillages spécifiques importants. Le transport - la manutention - le levage sur site - demandent des moyens exceptionnels. La fondation pose à chaque installation des problèmes particuliers contraires à une standardisation. On comprend que le gigantisme des supports d'éolienne nouvelle génération entraîne des délais de fabrication et des coûts d'investissement très élevés. Le prix de l'électricité produite est beaucoup plus élevé que celui des usines classiques existantes ce qui va pénaliser le développement de l'éolien. Technique par ailleurs très prometteuse. L'invention apporte aux problèmes posés une solution industrielle globale, relativement légère, économique, réalisable avec les moyens ordinaires de l'industrie dans des délais minimum. La structure porteuse des éoliennes est une pyramide à base triangulaire horizontale rep 1 - 3 - 4 fig 2 - fig 3 - fig 4 - fig 5 dont une face verticale 1 - 11 - 3 peut accueillir une - deux - trois ou quatre éoliennes. Une barre oblique rep 4 - 11 verrouille la pyramide. La pyramide repose sur 3 flotteurs motorisés fig 14 page 11/12 rep 30 qui assurent la stabilité et la possibilité d'orientation de la structure (installation offshore) et également la possibilité d'un transport maritime autonome de l'installation complète. Dans le cas d'une installation terrestre la pyramide repose sur 3 boggies motorisés roulants sur une voie ferrée circulaire fig 16 page 12/12 rep 33 et 35 qui remplissent les mêmes fonctions que les flotteurs. Une sélection de trois diamètres de tubes ronds disponibles dans le monde entier est la base de l'approvisionnement matière. Le parachèvement fig 7 et 8 page 6/12 rep 21 - 22 - 23 et fig 11 page 9/12 est réalisable en série et avec précision grâce aux techniques de découpes laser. Deux sortes de goussets fig 11 page 9/12 rep 24 et 25 complètent la liste des composants de base. Le transport des composants de base sur les sites d'assemblage se réalise sans difficulté avec les moyens usuels (route, rail, fluvial, maritime). L'assemblage final de la structure se fait sur le site de montage et d'exploitation dans le cas d'installations terrestres. Dans le cas d'une installation offshore l'assemblage et le montage se fait dans un plan d'eau protégé avec accès à la mer, par exemple estuaire ou fjord. L'assemblage se fait à l'horizontale exclusivement par soudure avec des moyens de manutention courants fig 12 page 10/12 . Le levage lourd se réalise de manière autonome fig 12 A sans grue puissante par un système de basculement avec utilisation de treuils rep 29 et de mouflage rep 28 fig 12 page 10/12. Le transport des installations offshore sur le site d'exploitation sera effectué par les propres moyens de la structure et des flotteurs motorisés. Il est important de noter que le concept de l'invention ne nécessite aucun massif de fondation classique (terrassements, pieux, massifs béton) Le concept objet de l'invention offre à l'exploitant une très grande surface horizontale utilisable à une hauteur raisonnable fig 6 page 6/12 rep 1 - 2 - 3 - 4. Cette surface pourra être utilisée pour l'installation de tous les équipements nécessaires à la production et à la distribution d'énergie électrique. L'adoption d'un procédé mécanique de transfert de l'énergie engendrée par les éoliennes à la base de l'installation sera un avantage déterminant pour la structure porteuse objet de l'invention. Un système de transfert mécanique d'énergie est décrit dans le brevet N° déposé le D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: La fig 1 page 1/12 montre un schéma d'une pyramide à bas triangulaire avec une face verticale également triangulaire. La fig 2 page 2/12 schématise un support pyramidal pour une seule éolienne. La fig 3 page 3/12 schématise un support pyramidal pour deux éoliennes. La fig 4 page 4/12 schématise un support pyramidal pour trois éoliennes. La fig 5 page 5/12 schématise un support pyramidal pour quatre éoliennes. La fig 6 page 6/12 représente la face horizontale de base de la pyramide. La fig 7 et la fig 8 page 6/12 décrit un cadre carré standard et le système de triangulation croisé et tendu dans tous les plans. La fig 9 page 7/12 montre la configuration d'une face verticale de la pyramide supportant trois éoliennes. A noter l'articulation suivant l'axe rep 1/3 sur la face horizontale de base. La fig 10 page 8/12 est une vue de la poutre oblique rep 4 et 11 qui verrouille la pyramide. Une barre verticale rep 5 et 10 limite la longueur de flambage de la poutre oblique. La fig 11 page 9/12 montre le système d'assemblage d'un noeud standard des composants tubulaires de base avec leurs goussets rep 21 - 22 - 23 - 24 - 25 - La fig 12 A page10/12 représente la face de base horizontale rep 1 - 2 - 3 - 4 articulée selon l'axe 1/3 avec la face verticale rep 1- 11 - 3 en cours d'assemblage horizontal. La face de base 1 - 3 - 4 repose normalement sur ses 3 flotteurs. La face (verticale) repose sur un flotteur complémentaire rep 30 par l'intermédiaire d'un calage rep 31. La fig 12 B page 10/12 montre la poutre rep 4/11 en cours d'assemblage et de soudure sur la poutre 2/4, articulée en rep 20. La barre rep 4/11 pourra être basculée jusqu'à la position oblique définitive par un système de mouflage rep 28 associé à un bras de levier rep 26 et un flotteur lesté utilisé comme contrepoids et une articulation rep 20. La fig 12 C page 10/12 explicite le principe de basculement jusqu'à la verticale de la face verticale rep 1 - 11 - 3. L'opération se fait de manière autonome avec un treuil rep 29 et un mouflage rep 28. La fig 13 page 11/12 représente les 3 flotteurs rep 30 en position transport maritime. La fig 14 page 11/12 représente les 3 flotteurs en position exploitation susceptible d'orienter la pyramide par rapport au point fixe rep 9. La fig 15 page 11/12 représente un système de trois ancrages au fond de la mer permettant de stabiliser le point fixe rep 9. La fig 16 page 12/12 montre la base de la pyramide reposant sur 3 boggies motorisés rep 33 et tournant autour du point fixe rep 9 sur massif central rep 34. La fig 17 page 12/12 montre une face verticale supportant 3 éoliennes. On considère tout d'abord la fig 2 qui illustre schématiquement une pyramide à base triangulaire dont une face verticale supporte une seule éolienne. Les fig 3 - fig 4 - fig 5- montrent le même principe de pyramide supportant respectivement deux, trois, ou quatre éoliennes. Les fig 6 - 7 et 8 page 6/12 permettent de mieux comprendre la configuration de la base horizontale de la pyramide. La fig 9 page 7/12 également triangulaire dans un plan vertical montre à titre d'exemple le positionnement de 3 éoliennes. Il est important de noter que cette face verticale s'articule suivant l'axe 1 - 3 sur la face de base. Cette particularité a pour objet de permettre le levage autonome de la face verticale selon fig 12 C. La fig 10 page 8/12 représente en position finale oblique la poutre rep 4 - 11 qui verrouille la pyramide. La pyramide à base triangulaire est une structure parfaitement triangulée donc pratiquement indéformable. La base triangulaire horizontale délimite le polygone de sustentation rep 1 - 3 - 4 Pour les installations offshore, elle sera située à 10 ou 15 mètres fig 15 au dessus du niveau de la mer pour être à l'abri des vagues et des embruns. Pour les installations terrestres une hauteur de 10 mètres permettra une circulation de machines agricoles fig 17. La base de la pyramide est reliée à la surface de la mer (offshore) ou à une surface d'un sol plat (terrestre). La liaison se réalise par 3 barres verticales rep 1 - 6 rep 3 - 7 rep 4 - 8 encastrées au point 1 - 3 - 4 sur la base de la pyramide. Les point bas rep 6 - 7 - 8 sont équipés de rotules qui transmettent les descentes de charges aux flotteurs fig 13 - 4 - 15 rep 30 (offshore) aux boggies fig 16 rep 33 (terrestre). Ces rotules sont indispensables. En effet les flotteurs sont soumis aux mouvements de la mer qui peuvent être importants. Les boggies roulent sur une voie ferrée dont la planéité n'est pas parfaite. Flotteurs et boggies doivent également pouvoir s'orienter dans un plan horizontal. Flotteurs et boggies transmettent à la pyramide des réactions verticales aux centre des rotules. En aucun cas ils ne peuvent transmettre des moments de flexion qui compliqueraient les hypothèses de calcul de la pyramide. - La face verticale fig 2 rep 1 - 11 - 3 - s'inscrit dans un plan vertical. - La fig 2 montre le positionnement d'une seule éolienne. - La fig 3 montre le positionnement de 2 éoliennes. Les barres rep 1 - 11 et rep 3 - 11 sont prolongées par les barres rep 11 - 13 et rep 11 - 12 - La fig 4 montre le positionnement de 3 éoliennes. Les barres rep 1 - 11 et rep 3 - 11 - sont sensiblement allongées pour recevoir les 2 éoliennes inférieures. - La fig 5 montre une configuration avec 4 éoliennes. La taille de l'ouvrage conditionné par le diamètre des éoliennes devient exceptionnel. A noter que dans tous les cas les efforts transmis par les éoliennes sont concentrés au point rep 11 et transmis à la base au point rep 4. Le principe de la pyramide à base triangulaire est validé dans tous les cas. Les descentes de charge résultant du vent sur les éoliennes et sur la structure, du poids de la structure, du lestage et des équipements sont concentrées en trois points rotulés ce qui constitue une stabilité isostatique parfaite. Les éoliennes sont toutes situées dans le même plan vertical. Il est nécessaire, pour le bon fonctionnement des éoliennes que ce plan vertical soit perpendiculaire à la direction du vent. C'est donc à la structure pyramidale toute entière de s'orienter par rapport à la direction du vent. A cet effet, un axe de rotation rep 5 - 9 est prévu au centre de la face de base. Les distances rep 5 - 1 rep 5 - 3 rep 5 - 4 étant égales pour un fonctionnement optimum. Le point rep 9 pourra avantageusement être équipé d'une rotule et sera relié au fond de la mer par 3 ancrages sérieux et contrôlés fig 14 et 15 rep 32 (offshore) ou à un massif de fondation béton ou métallique fig 16 rep 3 X4 (terrestre) Le point fixe rep 9 constitue le centre d'orientation de la pyramide et il reprend toues les actions horizontales transmises par la pyramide et ses équipements. Les flotteurs motorisés ( offshore ) rep 30 fig 13 - 14 - 15 page 11/12 sont des éléments fondamentaux de l'invention. - Il assurent la stabilité, l'orientation, le transport de la pyramide. - Il sont reliés à la structure par trois rotules aux points rep 6 - 7 - 8 - La pyramide transmet des descentes de charges verticales (plusieurs centaines de tonnes) positives (dirigées du haut vers le bas) ou négatives (soulèvement). La capacité de flottaison et le poids des flotteurs avec un lest éventuel doit encaisser en toute sécurité les efforts transmis par la pyramide. Le flotteur proposé est du type catamaran qui présente une bonne stabilité naturelle. De toutes manières l'étude et la construction de ces flotteurs sont conduites suivant les règles et les normes de la construction navale. Les boggies motorisés (terrestres) rep 33 fig 16 page 12/12 sont lourdement chargés (plusieurs centaines de tonnes). Il assurent la stabilité et l'orientation de la structure. Ils ont une fonction analogue à celles des flotteurs. Ils roulent sur une voie ferrée circulaire dont la géométrie ne peut être parfaite. Ils disposent de plusieurs roues orientables par rapport au point fixe rep 9. Une partie des roues est motorisée. Selon l'invention les roues sont montées sur de vérins verticaux reliés hydrauliquement entre eux pour garantir une répartition égale des charges sur les roues. La conception et la fabrication des boggies doivent être conduits suivant les règles et les normes de la construction ferroviaire. La pyramide, objet de l'invention est une structure de très grande dimension. Pour sa réalisation on distingue plusieurs étapes. La première étape consiste à fabriquer des composants primaires utilisables aussi bien pour les installations offshore que terrestres. L'approvisionnement matière est particulièrement simple puisqu'il se résume à l'achat de trois diamètres de tubes ronds fabriqués en grandes quantités suivant les mêmes normes qualitatives et dimensionnelles partout dans le monde. Ces tubes sont destinés principalement au transport de fluide (pétrole, gaz, eau). Ils ont les qualités requises pour la construction d'ouvrages d'art et similaires. Le plus grand diamètre (d'environ 1 mètre) concerne les membrures rep 21 fig 7 page 6/12. Ces tubes sont livrés par les usines en longueurs courantes 12 à 13 mètres. Leurs extrémités sont découpées et chanfreinées en vue de leur assemblage bout à bout par soudure. Ils peuvent donc être acheminés en l'état sans prestations complémentaires sur le site d'assemblage pour obtenir des longueurs droites de 150 à 250 mètres nécessaires. A noter que ces tubes représentent plus de 80% du tonnage global. Les 2 autres diamètres sont également des tubes ronds de même origine. Un diamètre de 508 millimètres est destiné au montage des cadres carrés de 10 mètres de coté environ rep 22 fig 7. Un autre diamètre de 140 millimètres est destiné à la triangulation tendue et croisée dans les plans horizontaux et verticaux rep 23 fig 7 et fig 8. Ces 2 derniers composants sont identiques et interchangeables. Il s'agit donc d'une fabrication de grande série qui pourra avantageusement être réalisée sur des machines de découpe laser à commande numérique. Cette technique garantie une grande précision, la préparation des chanfreins de soudure, la rapidité d'exécution; des prix compétitifs. Les goussets 24 et 25 fig 11 page 9/12 sont des tôles découpées laser en série. En conclusion, on voit que la fabrication des composants de base s'appuyant sur des usines existantes ne pose aucun problèmes et ne nécessite aucun outillage spécifique . Ces composants de base peuvent être transportés sur les sites d'assemblage par tous la moyens courants ( route, fer, fluvial, maritime,hélicoptère). La deuxième étape consiste à assembler par soudure exclusivement les composants de base sur un site approprié. Concernant les installations terrestres, le chantier d'assemblage ne peut démarrer qu'après les réalisations suivantes: - Mise à disposition d'une surface plate circulable de 200 x 400 mètres environ - Installation de la voie ferrée circulaire rep 35 fig 16 page 12/12 - Construction du point fixe 9 et de la fondation rep 34. - Livraison et pose sur les rails des boggies motorisés rep 33. On pourra alors assembler à l'horizontale fig 12 A page 10/12 l'ensemble de la structure avec des moyens de manutention et de soudure ordinaires. Le basculement de la poutre oblique rep 11- 20 fig 12 B et de la structure verticale rep 1 - 11 - 3 fig 12 C pouvant être réalisé avec des moyens autonomes mouflage rep 28 et treuil rep 29 (récupérables) On voit que les opération de fabrication et de montage sont imbriquées. Une équipe légère composée de soudeurs et de monteurs compétents est la clef de la réussite. Concernant les installations offshore l'invention propose pour la fabrication et le montage le mode opératoire suivant : - Construction sur le site d'exploitation fig 14 et 15 page 11 - 12 du point fixe rep 9 et des ancrages rep 32 - Construction des 3 flotteurs motorisés fig 14 et fig 15 page 11/12 rep 30 - Approvisionnement des composants primaires fig 7 fig 8 fig 11 rep 21 - 22 - 23 - 24 - 25 - Fabrication dans une usine avec accès à la mer (chantier naval bien équipé) des poutres principales fig 6 page 6/12 poutre rep 1 - 3 poutre rep 2 - 4 poutre 1 - 4 poutre rep 3 - 4 équipées avec les descentes verticales rep 1 - 6 rep 3 - 7 rep 4 - 8 - et rep 5 - 9 et les dispositifs d'accostage. - Fabrication des poutres fig 9 page 7/12 rep 1 - 11 et rep 3 - 11 avec dispositifs d'accostage et articulations suivant l'axe 1 - 3 . - Fabrication des poutres fig 10 page 8/12 rep 4 - 11 - et rep 5 - 10 avec dispositif d'accostage et articulations rep 20 - Acheminement maritime sur un site marin protégé d'assemblage final (estuaire, fjord, zone portuaire) - Assemblage à l'horizontal de la face de base et de la face verticale selon fig 12 A . - Basculement de la poutre oblique rep 4 -11 et de la face verticale rep 1 - 11 - 3 avec les moyens autonomes rep 28 et 29. - Accostage et soudure des points rep 11 et 4 - La pyramide montée sur ses 3 flotteurs motorisés est suffisamment lestée pourra rejoindre par ses propres moyens le site d'exploitation. Remarque : La mise en place sur la pyramide des organes de production d'énergie peut se faire sur le site d'assemblage ou sur le site d'exploitation. La structure pyramidale à base triangulaire orientable selon l'invention est destinée au regroupement de plusieurs éoliennes sur un même support. Installations terrestres ou maritimes. REVENDICATIONSI- Pyramide à base triangulaire selon l'invention caractérisée en ce qu'elle est composée de 4 angles ( Rep 1-3-4-11 Fig 1) et de 6 barres ( Rep 1-3 Rep 34 Rep 4-1 Rep 1-11 Rep 3-11 Rep 11-4 ). Les angles ( Rep 1-3-4) et les barres ( Rep 1-3 Rep 3-4 et Rep 4-1 ) délimitent le polygone horizontal de sustentation. Les angles ( Rep 1-11-3 ) et les barres ( Rep 1-11 et Rep 11-3 ) définissent un plan vertical sur lequel pourra être fixé les axes de 1, 2, 3 ou 4 éoliennes. ( Fig 2-3-4-5 ). Les angles ( Rep 11 et 4) sont reliés par une barre oblique ( Rep 11-4) qui verrouille la pyramide. La pyramide devient alors une structure spatiale parfaitement triangulée et indéformable. À noter qu'il s'agit /0 d'une structure de très grande dimension en rapport avec les éoliennes de nouvelle génération ( jusqu'à 126 mètres de diamètre ). La pyramide à base triangulaire, objet de l'invention, s'applique indifféremment aux installations terrestre et offshore. 2- Pyramide à base triangulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce _ 5- que dans le cas d'installation maritime (offshore) la stabilité est assurée par 3 flotteurs ( Rep 30 Fig 14.15 ) reposant à la surface de la mer. Ces flotteurs sont reliés à la base de la pyramide par 3 barres verticales ( Rep 1-6 Rep 3-7 Rep 4- 8 ) équipées en 6.7.8 de rotule. Grâce aux rotules, la pyramide ne transmet que des descentes de charge verticale. De même les flotteurs qui suivent les 2 0 mouvements de la mer ne peuvent transmettre à la pyramide que des réactions verticales. Associé à un très grand polygone de sustentation le poids de la pyramide, celui des équipements et un lestage judicieusement disposé, assurent la stabilité de l'ouvrage. Aucun massif de fondation traditionnel n'est nécessaire. 3- Pyramide à base triangulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce 25' que dans le cas d'installation terrestre la stabilité est assurée par l'appui sur 3 boggies ( rep 33 Fig 16 et 17 ). Ces boggies sont reliés à la base de la pyramide par 3 barres verticales ( Rep 1-6 Rep 3-7 Rep 4-8 ) équipées aux niveaux 6-7-8 de rotules. Grâce à ces rotules la pyramide ne transmet aux boggies que des descentes de charges verticales. De même les boggies qui roulent sur une voie 30 ferrée dont la planéité n'est pas parfaite ne peuvent transmettre à la pyramide que des réactions verticales. Associé à un très grand polygone de sustentation le poids de la pyramide, celui des équipements et un lestage judicieusement disposé, assurent la stabilité de l'ouvrage. Aucun massif de fondation traditionnel n'est nécessaire. 35 4- Pyramide à base triangulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce- Pyramide à base triangulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que son orientation par rapport au vent dans le cas d'une installation offshore est assurée par 3 flotteurs motorisés ( Rep 30 fig 14 et 15 ) tournant autour d'un point fixe (Rep 9 ). Le point fixe 9 étant relié au fond de la mer par 3 ancrages Rep 32 ). C'est lui qui reprend les actions horizontales dues aux éléments extérieurs sur la pyramide ( vents, courants, vagues etc... ). Le positionnement géographique de la pyramide est assuré par le point fixe Rep 9. 5- Pyramide à base triangulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que son orientation par rapport au vent dans le cas d'une installation terrestre est /Q assurée par 3 boggies motorisés ( Rep 33 fig 16 et 17 ) roulant sur une voie ferrée circulaire ( Rep 35 ) et tournant autour d'un point fixe ( Rep 9) relié au sol par un massif de fondation. Le point fixe ( Rep 9 ) reprend les actions horizontales dues au vent sur la pyramide. 6- Pyramide à base triangulaire selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisée en ce que les composants primaires nécessaires à la construction ( Rep 21-22-23-24-25 Fig 7-8-11 ) sont tous d'un volume et d'un poids compatible avec les moyens de production industrielle classique ; leur fabrication ne nécessite aucun outillage spécifique. Leur transport est réalisable avec les méthodes usuelles ( Route, Fer, fluvial, maritime, héliportage ). L'assemblage des barres peut se réaliser avec des moyens de levage courant ; le levage lourd est prévu avec un système autonome ( Fig 11 et 12 ). 7- Pyramide à base triangulaire selon l'invention selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pyramide complètement montée, équipée et reposant sur ses flotteurs motorisés, devient 25' assimilable à un très grand trimaran et possède toutes les qualités requises pour une navigation en haute mer. Le transport maritime entre un site protégé d'assemblage et un site d'exploitation peut donc s'opérer par les moyens autonomes de l'installation Fig 13 8- Pyramide à base triangulaire selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisée en ce que la base triangulaire ( Fig 1) composée par les barres (1-3 3-4 4-1 2-4 Fig 1) offre à l'exploitant une très grande surface utilisable pour installer tous les équipements nécessaires à la production et à la distribution d'énergie électrique et notamment. Mécanisme multiplicateur de la vitesse de rotation, alternateur, salle de contrôle et de gestion, atelier de 1,5" maintenance, centrale thermique complémentaire, transformateur moyenne tension, logement du personnel, en résumé, la possibilité de construire une centrale de production d'énergie électrique autonome de puissance significative fonctionnant sans interruption, même en l'absence de vent.