Brevet FR3022880A1 — publié le 20160101

Eolienne flottante La présente invention concerne une éolienne flottante à orientation passive sur ancrage mono-point. Elle trouve donc notamment une application à la production d'énergie électrique à partir de l'énergie éolienne produite en mer ou sur une étendue d'eau. Les éoliennes flottantes sont généralement conçues en partant du concept d'éolienne commun à terre, c'est-à-dire qu'elles comportent un mât vertical sur lequel sont montés une nacelle et un rotor, cette nacelle pouvant être mise en rotation autour de l'axe du mât pour accommoder les changements de direction du vent. Dans cette optique, le flotteur d'une éolienne flottante présente donc des caractéristiques et des performances sensiblement constantes dans toutes les directions. C'est le cas par exemple de l'éolienne flottante décrite dans le document FR 2 967 470. Une telle éolienne est qualifiée d'éolienne à orientation active. Elle comprend en effet un mécanisme, et des moyens de contrôle de ce mécanisme, pour orienter la nacelle et le rotor en fonction de la direction du vent. Pour éviter les inconvénients liés au coût et à la maintenance du mécanisme d'orientation actif, un autre type d'éolienne flottante, à flotteur orientable, existe. Ces éoliennes sont dites à orientation passive dans la mesure où ce sont les seules forces aérodynamiques et hydrodynamiques qui permettent l'orientation du rotor sous le vent. On connaît des éoliennes flottantes à orientation passive, pour lesquelles l'orientation sous le vent est obtenue par un ancrage mono-point sur le flotteur, mais dont la structure est dérivée de celle d'une éolienne classique. Aussi, la masse de la structure reste importante et donc coûteuse. On connaît aussi l'éolienne flottante à flotteur orientable décrite dans le document WO 03/004869. Cette éolienne à orientation passive utilise un tendon d'ancrage pour la stabilité du flotteur, l'orientation se faisant autour de l'axe passant par la nacelle. On connaît également l'éolienne flottante à flotteur orientable décrite dans le document WO 2009/048830. Cette éolienne à orientation passive comprend un flotteur constitué de la base du mât lui-même, avec un ancrage mono-point par tendon unique articulé pour permettre la rotation, le mât étant penché et stabilisé par deux bras horizontaux flottants en surface. Les inconvénients de ces éoliennes à orientation passive sont donc notamment la masse importante de la structure et l'absence d'un dimensionnement suffisamment intégré flotteur plus mât, et/ou la nécessité d'utiliser un tendon articulé pour l'ancrage et la stabilité du flotteur. Un des buts de l'invention est donc de résoudre les problèmes précités. Ainsi, l'invention a notamment pour objectif de proposer une éolienne flottante à orientation passive de masse réduite. Ainsi, l'invention a pour objet, selon un premier aspect, une éolienne flottante comprenant un rotor monté sur une nacelle fixée à la première extrémité du mât qui est supporté en sa deuxième extrémité par une structure flottante comprenant trois éléments flottants. Le mât est relié par sa deuxième extrémité directement à un premier des trois éléments flottants. Le mât est également relié indirectement aux deux autres éléments flottants par l'intermédiaire de deux bras de liaison. L'éolienne comprend un point d'ancrage unique au niveau du premier élément flottant. En utilisation, la structure flottante s'oriente passivement de façon à ce que le premier élément flottant soit orienté au vent et les deux autres éléments flottants soient orientés sous le vent. Suivant certains modes de réalisation, le dispositif comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : la nacelle est fixée rigidement à la première extrémité du mât ; le mât est relié par sa deuxième extrémité en un point de l'élément flottant au vent destiné à être immergé ; les deux bras de liaison relient chacun un même point du mât à un point de l'un des deux éléments flottants sous le vent destiné à être immergé ; - les éléments flottants sont des colonnes flottantes présentant chacune une partie inférieure destinée à être immergée et une partie supérieure destinée à rester au-dessus de l'eau ; le point de liaison entre la deuxième extrémité du mât et la colonne flottante au vent est situé dans la partie inférieure, de préférence à la base, de cette colonne flottante au vent ; - chaque point de liaison entre un élément de liaison et une des deux colonnes sous le vent est situé dans la partie inférieure, de préférence à la base, de cette colonne sous le vent ; le mât forme un angle non nul avec l'axe vertical passant par le point d'ancrage, de sorte qu'en utilisation l'éolienne s'oriente passivement de façon à ce que le mât soit penché sous le vent et le rotor soit orienté sous le vent ; les éléments flottants sont reliés deux à deux par des éléments de liaison destinés à être immergés ; la liaison entre un élément de liaison et un élément flottant est réalisée en partie inférieure, de préférence à la base, de l'élément flottant ; les trois éléments flottants forment un triangle isocèle au sommet constitué par le premier élément flottant, éventuellement équilatéral, de sorte qu'en utilisation la structure flottante s'oriente de façon à ce que l'axe de symétrie passant par le premier élément flottant soit parallèle à la direction du vent. Ainsi, l'éolienne de l'invention s'oriente uniquement grâce à la conjugaison des forces aérodynamiques sur les superstructures et le rotor, et des forces hydrodynamiques sur le flotteur, autour de l'axe vertical au niveau de l'ancrage mono-point, avec un rotor qui se retrouve automatiquement sous le vent. La structure flottante semi-submersible est légère et stable, et s'oriente toute entière autour de cet axe, et non autour de l'axe passant par la nacelle. Une telle éolienne présente notamment l'avantage, de par sa masse réduite et son dimensionnement intégré flotteur plus mât, de pouvoir être construite dans des ports à tirant d'eau limité, avec une installation en mer relativement simple sans préparation du sol. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et non limitative, en référence aux figures annexées suivantes : - figure 1 : représentation schématique d'un exemple d'éolienne flottante selon l'invention ; - figure 2 : représentation schématique de l'éolienne de la figure 1 en vue de dessus avec mise en évidence de l'alignement par rapport à la direction du vent ; - figure 3: représentation schématique l'éolienne de la figure 1 en vue de dessus, en cours d'orientation passive sous l'effet conjugué des forces aérodynamiques et hydrodynamiques. L'exemple d'éolienne flottante selon l'invention représentée aux figures 1 à 3, comprend de manière classique une nacelle 2 sur laquelle est monté un rotor 1. Le mât 3 est supporté en son extrémité opposée 3b par une structure flottante semi-submersible 4, dont les éléments principaux sont trois éléments flottants 5, 6 et 7. La nacelle 2 est fixée en une extrémité 3a d'un mât 3. Préférentiellement, la nacelle 2 est fixée rigidement à l'extrémité 3a du mât 3. Elle n'est donc pas orientable en lacet par rapport à la structure flottante 4. Le mât 3 peut être haubané, par exemple par l'intermédiaire du hauban 14, ce qui permet de l'alléger. Ainsi, le mat 3, support de la nacelle 2, s'étend directement depuis l'un des éléments flottants 5, 6, 7, à savoir l'élément flottant 5 destiné à être orienté au vent comme on le verra plus loin. Les trois éléments flottants 5, 6, 7 sont reliées deux à deux par des éléments de liaison 11, 12, 13, de sorte que la structure flottante 4 présente une forme d'ensemble triangulaire. Ces éléments de liaison 11, 12, 13 peuvent être de type ponton ou bracon par exemple. L'ancrage de la structure flottante 4 se fait par l'intermédiaire d'un point d'ancrage unique 10, situé sous l'élément flottant 5 destiné à se trouver au vent en utilisation. Cet ancrage mono-point peut par exemple être réalisé à l'aide d'un touret. Deux bras de liaison 8 et 9, par exemple de type bracon, relient le mât 3 aux deux autres éléments flottants 6, 7 destiné à se trouver sous le vent en utilisation. Ces bras de liaison 8, 9 se rejoignent en un même point du mât 3 pouvant être situé plus ou moins haut. Mais pour limiter la masse, ce point est situé aussi bas que possible sur le mât 3. Ainsi, en utilisation, la partie inférieure des éléments flottants 5, 6, 7 est immergée alors que la partie supérieure de ces éléments flottants 5, 6, 7 émerge au-dessus de la surface de l'eau 15. Dans l'exemple représentés dans les figures, les trois éléments flottants 5, 6, 7 prennent la forme de trois colonnes ou cylindres 5, 6, 7 orientés de façon légèrement penchée vers l'extérieur de la structure flottante 4. En utilisation, la partie inférieure de ces colonnes flottantes 5, 6 et 7 est immergée, alors que leur partie supérieure reste au-dessus de la surface de l'eau 15. L'orientation de l'éolienne est réalisée de manière passive, sous l'effet conjugué des forces aérodynamiques sur l'ensemble de la structure, dont le rotor 1, et des forces hydrodynamiques sur la structure flottante 4, de sorte qu'en utilisation, l'élément flottant 5 se retrouve orienté au vent et les deux autres éléments flottants 6 et 7 se retrouvent orientés sous le vent. La liaison entre l'extrémité 3b du mât 3 et l'élément flottant au vent 5 est de préférence réalisée en un point 5a de l'élément flottant 5 situé dans sa partie inférieure, à proximité de sa base. Ainsi, en utilisation, ce point 5a de l'élément flottant au vent 5 se trouve immergé, de sorte que l'extrémité 3b du mât 3 est aussi immergée. Comme on peut le voir dans l'exemple représenté à la figure 1, le mât 3 forme un angle non nul avec l'axe vertical passant par le point d'ancrage 10, sous l'élément flottant au vent 5. Ainsi, en utilisation, l'éolienne s'oriente de façon passive de sorte que le mât 3 se retrouve penché orienté sous le vent. Le rotor 1 est alors situé sous le vent de la nacelle 2 et du mat 3. Par ailleurs, la liaison entre les deux bras de liaison 8 et 9 et les deux éléments flottants sous le vent respectifs 6 et 7, est de préférence réalisée en des points respectifs 6a et 7a de ces élément flottant sous le vent 6, 7 qui sont situés dans leur partie inférieure, à proximité de leur base. Ainsi, en utilisation, ces points 6a et 7a des éléments flottants sous le vent respectifs 6 et 7 se trouvent immergés, de sorte que les extrémités correspondantes des bras de liaison 8 et 9 sont aussi immergées. Egalement, en utilisation, les éléments de liaisons 11, 12, 13, qui réalisent les liaisons deux à deux des éléments flottants 5, 6, 7, sont immergés. Ces liaisons se trouvent de préférence en partie inférieure des éléments flottants 5, 6, 7, par exemple à proximité des points de liaison 5a, 6a, 7a présentés plus haut. Ainsi, en utilisation, l'éolienne flottante s'oriente de façon passive sous la résultante des efforts aérodynamiques sur le rotor 1 et l'ensemble de la structure, et des efforts hydrodynamiques sur la structure flottante 4 en raison du courant et de la houle. Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, les trois éléments flottants 5, 6, 7 sont reliés de sorte à former un triangle présentant un axe de symétrie passant par le sommet constitué par l'élément flottant au vent 5, sous lequel est situé l'unique point d'ancrage 10. Ce triangle est représenté équilatéral sur les figures, mais peut-être simplement isocèle, ce qui permet de raccourcir certains éléments et/ou bras de liaison, et donc de gagner en masse. Le vent arrive ainsi dans une direction (V) selon l'axe de symétrie du triangle. L'orientation passive de la structure flottante 4 est le résultat d'un équilibre de forces aérodynamiques et hydrodynamiques. L'alignement de la structure flottante 4 avec la direction du vent (V), tel que représenté à la figure 2, s'obtient donc sous l'effet des forces aérodynamiques et hydrodynamiques déjà mentionnées plus haut. L'effort du vent (V) sur le rotor 1 et les autres structures émergées créent un moment (M) autour de l'axe vertical, c'est-à-dire un moment de lacet, au point d'ancrage mono-point 10, qui tend à orienter la structure flottante 4 dans le sens du vent. L'ancrage mono-point 10 forme une liaison pivot 16 d'axe vertical. L'ancrage mono-point 10 participe donc à l'orientation de l'éolienne flottante, mais ne participe en rien à la stabilité de l'éolienne flottante. En effet, la stabilité de l'éolienne flottante est obtenue par la structure flottante 4 telle que décrite, sans qu'il soit nécessaire de l'ancrer par l'intermédiaire d'un quelconque point d'ancrage. Pour que l'orientation de cette structure flottante 4 se fasse dans le sens (V) du vent pour une large gamme de conditions environnementales (notamment : vitesse et direction de vent, hauteurs et direction de vague, vitesse et direction de courant), les forces aérodynamiques doivent être prédominantes. Une large part est due au rotor 1 qui est positionné le plus sous le vent possible, dans le respect de la stabilité hydrodynamique de l'ensemble, pour offrir le plus grand bras de levier possible entre le centre du rotor 1 et l'axe passant par le point d'ancrage 10, dans le plan horizontal, autour de cet axe. Pour renforcer cet aspect, les éléments de l'ensemble de la structure, tels que le mât 3 et les bras de liaison 8, 9, peuvent être profilées, par exemple par l'ajout de capotage sous le vent. Des appendices supplémentaires peuvent être ajoutés sur les éléments flottants sous le vent 6, 7 pour renforcer l'orientation de l'ensemble de la structure flottante 4 dans le sens (V) du vent. Il peut s'agir par exemple d'éléments en forme de voiles rigides dirigées dans l'axe de la structure flottante 4, produisant un couple de rappel aérodynamique en lacet pour une traînée minimale. Un autre moyen d'améliorer l'orientation de l'ensemble est d'utiliser le contrôle individuel du pas des pâles du rotor 1 de manière à produire un moment autour de l'axe de lacet dans le sens désiré, pour contrer les efforts hydrodynamiques s'ils tendent à éloigner l'éolienne flottante de l'axe du vent. La présente description est donnée à titre d'exemple et n'est pas limitative de l'invention. En particulier, la forme cylindrique des éléments flottants 5, 6, 7 n'est pas limitative, d'autres formes pouvant tout aussi bien assurer la même fonction.30 REVENDICATIONS1.- Eolienne flottante comprenant un rotor (1) monté sur une nacelle (2) fixée en une première extrémité (3a) d'un mât (3), ledit mât (3) étant supporté en sa deuxième extrémité (3b) par une structure flottante (4) comprenant trois éléments flottants (5, 6, 7), caractérisée en ce que le mât (3) est relié d'une part par sa deuxième extrémité (3b) directement à un premier (5) des trois éléments flottants (5, 6, 7), et d'autre part indirectement aux deux autres éléments flottants (6, 7) par l'intermédiaire de deux bras de liaison (8, 9), et en ce que l'éolienne comprend un point d'ancrage unique (10) au niveau du premier élément flottant (5), de sorte qu'en utilisation, la structure flottante (4) s'oriente passivement de façon à ce que le premier élément flottant (5) soit orienté au vent et les deux autres éléments flottants (6, 7) soient orientés sous le vent. 2.- Eolienne flottante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la nacelle est fixée rigidement à la première extrémité (3a) du mât (3). 3.- Eolienne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le mât (3) est relié par sa deuxième extrémité (3b) en un point (5a) de l'élément flottant au vent (5) destiné à être immergé. 4.- Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux bras de liaison (8, 9) relient chacun un même point du mât (3) à un point (6a, 7a) de l'un des deux éléments flottants sous le vent (6, 7) destiné à être immergé. 5.- Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments flottants (5, 6, 7) sont des colonnes flottantes (5, 6, 7) présentant chacune une partie inférieure destinée à être immergée et une partie supérieure destinée à rester au-dessus de l'eau. 6.- Eolienne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le point de liaison (5a) entre la deuxième extrémité (3b) du mât (3) et la colonne flottante au vent (5) est situé dans la partie inférieure, de préférence à la base, de cette colonne flottante au vent (5). 7.- Eolienne selon la revendication 4 et l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que chaque point de liaison (6a, 7a) entre un élément de liaison (8,9) et une des deux colonnes sous le vent (6, 7) est situé dans la partie inférieure, de préférence à la base, de cette colonne sous le vent (6, 7). 8.- Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le mât (3) forme un angle non nul avec l'axe vertical passant par le point d'ancrage (10), de sorte qu'en utilisation l'éolienne s'oriente passivement de façon à ce que le mât (3) soit penché sous le vent et le rotor (1) soit orienté sous le vent. 9.- Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les éléments flottants (5, 6, 7) sont reliés deux à deux par des éléments de liaison (11, 12, 13) destinés à être immergés. 10.- Eolienne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la liaison entre un élément de liaison (11, 12, 13) et un élément flottant (5, 6, 7) est réalisée en partie inférieure, de préférence à la base, de l'élément flottant (5, 6, 7). 11.- Eolienne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les trois éléments flottants (5, 6, 7) forment un triangle isocèle au sommet constitué par le premier élément flottant (5), éventuellement équilatéral, de sorte qu'en utilisation la structure flottante (4) s'oriente de façon à ce que l'axe de symétrie passant par le premier élément flottant (5) soit parallèle à la direction du vent (V).