Brevet FR3004764A1 — publié le 20141024

La présente invention concerne une structure pour éolienne flottante. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel support flottant qui comporte des moyens en forme de bras de support, dont la partie supérieure est associée à la nacelle de l'éolienne et dont la partie inférieure est associée à des moyens en forme de flotteur et 5 éventuellement à des moyens formant lest, la masse ajoutée et l'amortissement. On connaît déjà dans l'état de la technique une grande variété de supports flottants de ce type utilisant un mat unique par nacelle d'éolienne. Cependant on conçoit que de tels moyens en forme de mat de support unique concentrent les contraintes mécaniques en pied de mat et en tête de mat. Ces contraintes étant 10 cycliques à cause des mouvements du flotteur et des variations du vent notamment, on conçoit que le dimensionnement de la structure, en fatigue mécanique notamment, en est affecté. On conçoit également que de tels moyens en forme de mat unique sont très proches de la pale ou des pales du rotor lors de leur passage en position verticale avec l'extrémité de la pale pointant vers le sol. Lorsque la ou les pales passent à proximité du mat, on conçoit que la 15 charge aérodynamique sur la ou les pales est brutalement modifiée à cause de perturbations aérodynamiques qui sont d'autant plus grandes que le diamètre du mat est grand et que la distance entre la ou les pales et le mat est petite. On comprend aisément que la variation de ladite charge aérodynamique génère des efforts cycliques, des contraintes mécaniques et une fatigue associée. 20 Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet une structure pour éolienne flottante qui comporte des moyens en forme de plusieurs bras de support de la nacelle, dont la partie supérieure est associée à la nacelle et dont la partie inférieure est associée à des moyens en forme de flotteurs et éventuellement des moyens formant le lest, la masse ajoutée et l'amortissement. La 25 structure comporte un bras de support de la nacelle au moins en amont de la nacelle par rapport à la direction du vent. La structure comporte un bras de support de la nacelle au moins en aval de la nacelle par rapport à la direction du vent. Ainsi, la structure permet à un rotor d'éolienne à axe horizontal composé de une ou plusieurs pales de tourner librement autour de l'axe du rotor. On comprend aisément que le rotor ne peut plus pivoter selon l'axe vertical 30 entièrement. On comprend aisément que la distance minimale entre chacun des bras et la ou les pales lors de leur passage à proximité des bras est augmentée significativement par rapport à un mat unique vertical, et ce d'autant plus que l'inclinaison des bras de support par rapport à la verticale est grande. On comprend aisément que cette distance minimale entre une portion de pale et un bras de support est d'autant plus importante que l'on s'éloigne de l'axe de rotation du rotor, ce qui est favorable aux portions de pale les plus éloignées de l'axe de rotation du rotor qui sont la source majeure de captage de l'énergie du vent et donc la source majeure de production d'énergie. L'invention se caractérise par le fait que l'axe du rotor portant la ou les pales est un axe 5 creux, ce afin que la nacelle et la partie supérieure des bras de support puissent être reliées ensemble dans ledit axe creux. Le diamètre intérieur dudit axe creux pourra éventuellement être grand par rapport au diamètre extérieur du rotor et de la ou des pales. Le rapport entre ces deux diamètres pourra être compris entre deux et cinquante pour cent. Ainsi, la longueur libre de la ou des pales sera réduite pour un même diamètre externe, sans réduction significative du 10 couple aérodynamique puisque les portions de pales proches du rotor ne génèrent pas ou très peu de couple. L'invention se caractérise par le fait que les bras de support sont éventuellement carénés ou profilés de manière à réduire les perturbations aérodynamiques sur les pales du rotor et à limiter le fardage. 15 L'invention se caractérise par le fait que les bras de support de la nacelle peuvent éventuellement être reliés entre eux par des bras de maintien éventuellement horizontaux placés dans la partie inférieure de la structure porteuse, les bras de support de la nacelle étant reliés entre eux d'une part dans leur partie supérieure au niveau de la nacelle et d'autre part dans leur partie inférieure au dessus ou au-dessous de la surface de l'eau par des bras de 20 maintien. L'invention se caractérise par le fait que l'orientation de l'éolienne par rapport à l'axe du vent est réalisée par un ou plusieurs moyens. Le premier moyen consiste en une auto- orientation de l'éolienne par rapport à son ou ses points d'amarrages. Pour cela, le ou les points amarrage des lignes d'ancrages sont placés en amont de la position du centre de 25 poussée vélique par rapport au vent. Ainsi, l'éolienne s'auto-oriente face au vent de la même manière qu'un navire au mouillage. Le second moyen est éventuellement réalisé grâce une nacelle orientable qui pivote au sommet des bras de support de la nacelle selon un axe vertical et/ou un axe horizontal perpendiculaire à l'axe de rotation des pales. Bien que limité par la présence des bras de support, le mouvement de rotation de la nacelle selon l'axe vertical 30 permet d'ajuster l'orientation de l'éolienne pour par exemple dévier le sillage aérodynamique ou contrecarrer l'effet d'une houle dont l'orientation serait différente de l'orientation du vent. L'invention peut éventuellement utiliser une nacelle pendulaire, caractérisée par le fait que la nacelle de l'éolienne est reliée à la structure porteuse par une liaison pivot d'axe horizontal et perpendiculaire à l'axe du rotor. L'invention peut éventuellement utiliser un rotor conique ou à conicité variable, caractérisé par le fait que la ou les pales du rotor balaye une surface conique plutôt qu'un disque. L'invention se caractérise par le fait que le ou les points d'amarrages de la ou des lignes d'ancrages sont éventuellement situés sur la partie externe un touret composé de deux pièces concentriques au moins, les deux pièces formant cinématiquement un pivot d'axe de rotation vertical, une pièce interne du touret étant solidaire de la structure flottante de l'éolienne et étant évidée en son centre le long de l'axe vertical de rotation entre lesdites deux pièces. L'invention se caractérise par le fait que l'ombilic, comprenant les câbles électriques de transmission de puissance et les câbles de transmission de données et de commande, passe par la partie évidée du touret solidaire de la structure de l'éolienne Ainsi, l'ombilic n'est pas en contact avec les lignes ancrages quelque soit l'orientation de l'éolienne par rapport au fond de la mer. Les principaux avantages de cette invention sont : - l'augmentation de la distance pale-bras et donc la réduction des efforts cycliques et de la fatigue mécanique sur la ou les pales. - la réduction des perturbations aérodynamiques générées par l'habituel mat de support de la nacelle et par conséquent la réduction des efforts cycliques et de la fatigue mécanique sur la ou les pales, ladite réduction étant due d'une part aux diamètres faibles des bras de support par rapport au diamètre plus grand d'un mat unique et d'autre part à la forme aérodynamique des bras de support, forme rendue possible par le fait que l'ensemble de la structure de l'éolienne s'oriente face au vent, ce qui n'est pas le cas d'une éolienne dont seule la nacelle s'oriente face au vent, le mat fixe devant être conçu pour toutes les orientations possibles du vent. - la réduction des concentrations de contraintes dans la structure de l'éolienne flottante, rendue possible d'une part par la multiplication des bras de supports de la nacelle et leur positionnement et d'autre part par le grand espace disponible à l'intérieur de l'axe creux du rotor qui peut être utiliser pour répartir et diffuser les efforts à la jonction supérieure des bras de supports et de la nacelle. - la réduction de la longueur de la ou des pales pour un même diamètre totale extérieur de 30 l'ensemble rotor-pale(s), ce qui se traduit par une longueur libre des pales plus faibles et donc des contraintes mécaniques en pied de pale plus faibles. L'invention sera mieux comprise avec l'exemple qui va suivre et donné uniquement à titre d'exemple. Le dessin annexé illustre l'invention. La figure 1 représente de manière schématique en trois dimensions le dispositif de l'invention. Les deux pales, référence générale (1) pour l'une d'elle sur la figure, sont reliées au rotor, référence (2) sur la figure. Ledit rotor, contenant notamment le rotor de la génératrice électrique et les composants nécessaires aux réglages des pales, est en liaison pivot avec la 5 nacelle, référence (3) sur la figure. Pour des raisons de lisibilité, le bras de support de nacelle amont au vent, référence (4) sur la figure, est directement relié à la nacelle pleine en son centre, référence (3) sur la figure. Dans la pratique, ladite nacelle, éventuellement évidée en son centre, est par exemple reliée aux trois bras, référence (4) pour le bras de support de nacelle amont au vent sur la figure, par des treillis tubulaires métalliques non représentés sur 10 la figure. Pour réaliser le montage de la structure, la nacelle et les pales sont d'abord assemblées au sol, puis l'ensemble est hissé au niveau de la partie supérieure des bras de support de la nacelle afin de pouvoir fixer la nacelle aux bras de support. On comprend aisément que les pales, lors de leur rotation autour de l'axe horizontal parallèle au vent, passe dans l'espace géométrique tétraédrique délimité par les trois bras. Lesdits bras de support de 15 nacelle sont reliés dans l'exemple à des bras de maintien horizontaux et aplatis, un des bras de maintien étant référencé (5) sur la figure. L'ensemble des bras est relié à trois flotteurs cylindriques verticaux, un des flotteurs étant référencé (6) sur la figure. La pièce externe du touret, référence (7) sur la figure, est en liaison pivot avec la structure de l'éolienne. Sur ladite pièce externe sont amarrés dans l'exemple trois lignes d'ancrages de type caténaire, l'une 20 d'entre elle étant référencée (8) sur la figure. L'ombilic, référence (9) sur la figure, passe le long de l'axe vertical de rotation de la pièce externe du touret, référence (7) sur la figure. La pièce interne du touret, référence (10) sur la figure, est solidaire de la structure de l'éolienne et est évidée en son centre selon l'axe vertical afin de laisser un espace pour le passage de l'ombilic. 25 Le dispositif est particulièrement adapté pour les structures d'éoliennes flottantes à axe horizontal quelque soit le type de flotteur. Ce dispositif est particulièrement adapté pour des flotteurs de type barge flottante, SPAR, semi-submersible, ou plate-forme flottante dotée d'une piscine amortissante. 30 REVENDICATIONS1) Structure pour éoliennes flottantes comportant un support flottant doté de moyens en forme de bras de support (4), dont la partie supérieure est associée à la nacelle de l'éolienne (3) et dont la partie inférieure est associée à des moyens en forme de flotteur (6), à des moyens formant lest, la masse ajoutée et l'amortissement (5), à des moyens formant un ancrage au fond marin (8) et à des moyens en forme d'ombilic permettant l'acheminement de la production d'énergie et les télécommunications (9), caractérisée par le fait que le mat unique habituel est remplacé par plusieurs bras de support, un bras de support au moins étant 10 situé en amont des pales du rotor par rapport à la direction du vent (4) et un bras de support au moins étant situé en aval des pales du rotor par rapport à la direction du vent. 2) Structure pour éoliennes flottantes selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le ou les points d'amarrage aux lignes d'ancrages (8) sont situés en amont du centre de poussée vélique par rapport à la direction du vent. 15 3) Structure pour éoliennes flottantes selon la revendication .1 caractérisée par le fait que les bras de support (4) sont carénés ou profilés de manière à limiter les perturbations aérodynamiques sur la ou les pales (1) de l'éolienne. 4) Structure pour éoliennes flottantes selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le rotor (2) portant la ou les pales (1) est muni d'un axe creux de manière à ce que la 20 nacelle (3) et les bras (4) puissent être reliés et de manière à réduire la longueur libre des pales, le rapport entre le diamètre interne dudit axe creux et le diamètre externe total de l'ensemble rotor-pale étant compris entre 2 et 50 %. 5) Structure pour éoliennes flottantes selon la revendication 1 caractérisée par le fait que l'éolienne flottante pivote autour d'un axe vertical pour s'orienter face au vent et que 25 l'ombilic (9) passe le long de cet axe, dans un évidement créé à cet effet le long dudit axe vertical. 6) Structure pour éoliennes flottantes selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le ou les points d'amarrage aux lignes d'ancrages (8) sont placés sur une pièce (7) liée par une liaison pivot à la structure porteuse de l'éolienne. 30