Brevet FR3021027A1 — publié le 20151120

La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des dispositifs d'éolienne flottante offshore. En conditions opérationnelles, en particulier avec un vent à une vitesse moyenne qui entraîne une poussée aérodynamique maximale du rotor, il est observé un angle d'inclinaison moyenne du dispositif d'éolienne flottante offshore dans le sens de cette poussée non négligeable. Il est observé notamment que l'inclinaison moyenne du mat de l'éolienne est maximale autour d'une poussée due à une vitesse moyenne de vent de l'ordre de 11-12 m/s, et dépend de l'inclinaison initiale du flotteur due à la masse et à la position du centre de gravité de la nacelle et du rotor, et de la raideur hydrostatique en tangage du flotteur. Cette valeur de vitesse moyenne de vent pour laquelle la poussée maximale et donc l'inclinaison moyenne maximale due au vent intervient, varie en fonction de la taille du rotor. Lorsque la vitesse de vent augmente encore et que la puissance maximale de l'éolienne est atteinte, la régulation de l'éolienne (par modification de l'angle de calage des pales ou autre) devient nécessaire pour que la poussée aérodynamique diminue. Il convient de choisir une inclinaison moyenne du mat de l'éolienne sous poussée maximale entre par exemple 3° 25 et 15° par rapport à la verticale avec des variations de quelques degrés autour de cette valeur moyenne qui dépendent des conditions de la mer pour éviter le renversement du dispositif d'éolienne flottante offshore. En effet, il est observé que des conditions 30 particulières peuvent conduire à des variations d'inclinaison plus importantes autour de la valeur d'inclinaison moyenne du dispositif d'éolienne flottante offshore, par exemple, lors d'une rafale extrême soudaine ou lors de conditions extrêmes de tempêtes, de houles, ou d'une avarie de la structure. Par ailleurs, le haut des colonnes qui est une zone 5 recevant du personnel doit rester hors de l'eau le plus longtemps possible. Il existe donc le besoin d'assurer la stabilité du dispositif d'éolienne flottante offshore quelque soit les conditions extérieures rencontrées. 10 Une possibilité est d'augmenter fortement la hauteur des colonnes mais cela augmente fortement le coût du dispositif d'éolienne flottante offshore et rend plus difficile l'accès pour le personnel à la partie supérieure des colonnes. 15 Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un dispositif qui résout ce problème sans les inconvénients précédemment évoqués. A cette fin, le dispositif d'éolienne flottante offshore comprend une structure de flottaison de type 20 semi-submersible supportant une éolienne, la structure de flottaison comportant des colonnes ayant des axes dressés, chaque colonne comprenant un tronçon immergé et un tronçon émergé au dessus d'une ligne de flottaison. Chaque tronçon émergé présente une partie inférieure 25 au niveau de la ligne de flottaison de section transversale constante et au dessus une partie supérieure de stabilité en cas d'inclinaison, de section transversale variable de façon continue et élargie par rapport à celle de la partie inférieure, augmentant 30 suivant l'axe dressé de la colonne vers un sommet du tronçon émergé pour augmenter la flottabilité et le redressement de la structure de flottaison en cas d'inclinaison, et notamment en cas de tangage. La partie supérieure peut présenter une variation continue linéaire de section transversale. La partie supérieure peut présenter une variation continue courbe de section transversale. La section transversale de la partie supérieure est en forme de disque. La partie supérieure est évasée vers l'extérieur et la section transversale de la partie supérieure comporte, vers l'intérieur d'une zone constituée par les axes dressés des colonnes, une moitié de disque, et, vers l'extérieur de cette zone, une partie de forme ovale avec un seul axe de symétrie. La partie supérieure peut présenter une forme de proue de bateau. Les tronçons immergés et les parties inférieures sont de section transversale circulaire. Les tronçons immergés et les parties inférieures sont 20 de section transversale carrée, et les parties supérieures sont de section transversale carrée. La structure de flottaison comporte des éléments de liaison pour relier rigidement l'éolienne aux colonnes. La structure de flottaison comporte 3 à 5 colonnes. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue de face légèrement en 30 perspective du dispositif d'éolienne flottante offshore ; - la figure 2 représente une vue de dessus du dispositif d'éolienne flottante offshore ; - la figure 3 représente une vue de côté du dispositif d'éolienne flottante offshore ; - la figure 4 illustre une vue de détail d'une partie supérieure de stabilité d'une structure de flottaison du 5 dispositif d'éolienne flottante offshore ; - les figures 5 et 6 illustrent une position de tangage du dispositif d'éolienne flottante offshore ; - la figure 6b illustre une autre position de tangage du dispositif d'éolienne flottante offshore ; 10 - la figure 7 illustre en vue de dessus la partie supérieure de stabilité ; - les figures 8 et 9 illustrent deux variantes de réalisation de la partie supérieure de stabilité. La présente invention concerne un dispositif 15 d'éolienne flottante offshore 1 comprenant une structure de flottaison 2 de type semi-submersible supportant une éolienne 2a. La structure de flottaison 2 comporte des colonnes 3 ayant des axes dressés, chaque colonne comprenant un 20 tronçon immergé 4 et un tronçon émergé 5 au dessus d'une ligne de flottaison 6. Le tronçon émergé 5 et le tronçon immergé 4 sont définis lorsque le dispositif d'éolienne flottante offshore 1 est en conditions de repos. 25 Dans les conditions normales de fonctionnement, le dispositif d'éolienne flottante est prévu pour fonctionner avec des vitesses de rotation du rotor qui dépendent de la vitesse moyenne du vent pour produire l'énergie maximum. Cela induit une poussée aérodynamique 30 sur le rotor qui augmente jusqu'à la vitesse nominale du rotor pour atteindre la puissance cible de la turbine puis diminue lorsque le système de régulation de la turbine s'active. Par exemple, dans des conditions normales de fonctionnement, le dispositif d'éolienne flottante peut 5 comporter un mat 9 incliné entre -10° et +10° par rapport à la verticale. Dans ce cas, la partie supérieure 5b de stabilité est hors de l'eau, à distance de la ligne de flottaison 6. Il est possible de modifier l'angle de calage des 10 pâles pour diminuer la poussée aérodynamique et éviter une inclinaison trop importante de l'éolienne 2 dans les conditions normales de fonctionnement, comme il est connu de l'état de l'art. Le terme 'axe dressé' désigne un axe vertical ou 15 présentant un angle inférieur à 90 ° par rapport à la verticale, et se confond avec la direction des colonnes 3. Une nacelle 7 équipée de pâles 8 est fixée au mât 9 relié par des éléments de liaison rigide aux colonnes 3. 20 Les éléments de liaison peuvent comporter par exemple des poutres inférieures 10a ou pontons horizontaux immergés, des poutres supérieures 10b, des entretoises primaires et/ou secondaires 11. La structure de flottaison 2 comporte ici trois 25 colonnes 3 qui sont régulièrement réparties autour d'un axe central A par lequel passe le mât 9. Mais elle pourrait comporter plus de colonnes 3. Par exemple, elle pourrait comporter cinq colonnes 3. Tout type d'éolienne est envisageable pour cette 30 invention. L'éolienne 2a peut être à axe de rotation horizontal ou à axe vertical. Elle peut être orientée face au vent ou de façon opposée au vent. Conformément à l'invention, chaque tronçon émergé 5 présente une partie inférieure 5a au niveau de la ligne de flottaison 6 de section transversale constante et au dessus une partie supérieure 5b de stabilité en cas de tangage extrême. Cette partie supérieure 5b de stabilité présente une section transversale variable de façon continue et élargie par rapport à celle de la partie inférieure 5a, augmentant suivant l'axe dressé de la colonne 3 vers un sommet Sc du tronçon supérieur pour augmenter la flottabilité et le redressement de la structure de flottaison 2 en cas de tangage. Comme illustré sur les figures 5 à 6b, en cas de forte houle ou de fort vent, le dispositif d'éolienne flottante peut être amené à tanguer, c'est-à-dire, à se déplacer par rapport à la verticale pour occuper une position inclinée d'un angle compris par exemple entre 100 et 20°. Dans ce cas, la partie supérieure 5b de stabilité est au moins en partie immergée dans l'eau, voire passe au moins en partie sous la ligne de flottaison 6. Ainsi, en cas de contact avec l'eau, cette partie supérieure 5b de stabilité tend à augmenter la flottabilité de la structure de flottaison 2 dans la position de tangage inclinée, et à favoriser le redressement et le rapprochement des colonnes 3 de la structure de flottaison 2 vers la verticale pour retrouver les positions normales d'utilisation de l'éolienne 2a. Dans la position de tangage illustrée sur les figures 5 et 6, avec un angle al de +15°, lorsqu'une seule partie supérieure 5b de stabilité est immergée, il a été calculé, pour des diamètres de colonnes de 8 mètres, que l'aire de la surface de flottaison (l'aire de la surface des 3 colonnes en contact avec la ligne de flottaison) est de 224 mètres carrés, et que des rayons de giration suivant l'axe X, l'axe Y, et l'axe Z sont respectivement : 28, 40, 44 mètres. Le rayon de giration du système par rapport à un axe donné (par exemple pour le roulis, le tangage, ou le lacet) est calculé à partir du moment d'inertie par rapport à cet axe et de la masse totale. Cette grandeur est un paramètre caractéristique du comportement à la mer d'une structure flottante. Par comparaison, lorsque les colonnes 3 sont droites, il a été calculé que l'aire de la surface de flottaison (en contact avec la ligne de flottaison) est de 156 mètres carrés, et que les rayons de giration suivant l'axe X, l'axe Y, et l'axe Z sont de respectivement : 32, 33, 41 mètres. Dans la position de tangage illustrée sur la figure 6b, avec un angle a2 de -15°, lorsque deux parties supérieure de stabilité sont en partie seulement immergées, il a été calculé que l'aire de la surface de flottaison (l'aire de la surface des trois colonnes en contact avec la ligne de flottaison) est de 173 mètres carrés, et que les rayons de giration suivant l'axe X, l'axe Y, et l'axe Z respectivement sont de: 32, 32, 40 mètres. Avantageusement, grâce à l'invention, la hauteur des 30 parties supérieures de stabilité est calculée de façon à ce que le haut des colonnes reste hors de l'eau le plus possible car il doit s'agir d'une zone B intérieure accueillant du personnel et des points d'accrochage même en cas de forte vague. Cette zone B intérieure est délimitée par les axes dressés des colonnes 3 et correspond à la surface 5 intérieure perpendiculaire à ces axes dressés et délimitée par les axes dressés. Dans un premier mode de réalisation, la partie supérieure 5b présente une variation continue courbe 12 de section transversale, comme représenté sur les figures 10 5 à 7. Plus précisément, en référence aux figures 1 à 6, la partie supérieure 5b est évasée vers l'extérieur. En d'autres termes, la section transversale de la partie supérieure 5b comporte, vers l'intérieur de la 15 zone B, une moitié de disque 13, et, vers l'extérieur de cette zone B, une partie de forme ovale 14 avec un seul axe de symétrie 14a. En d'autres termes, la partie supérieure 5b présente une forme de proue de bateau ou une forme évasée 20 tronconique courbe (forme tronconique par segments de hauteur suivant l'axe dressé). Les tronçons immergés et les parties inférieures sont ici de section transversale circulaire. Ils sont en l'occurrence de même diamètre. 25 Ils pourraient être de toute autre forme et dimensions géométriques. Dans un deuxième mode de réalisation, la section transversale de la partie supérieure 5b est en forme de disque 15. 30 Dans un troisième mode de réalisation, la partie supérieure 5b présente une variation continue linéaire de section transversale, comme représenté sur la figure 8. Les tronçons immergés et les parties inférieures sont ici de section transversale carrée, et les parties supérieures sont de section transversale carrée 16. Ils pourraient être de toute autre forme et dimensions 5 géométriques. REVENDICATIONS1. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) comprenant une structure de flottaison (2) de type semi- submersible supportant une éolienne (2a), la structure de flottaison (2) comportant des colonnes (3) ayant des axes dressés, chaque colonne comprenant un tronçon immergé (4) et un tronçon émergé (5) au dessus d'une ligne de flottaison (6), caractérisé en ce que chaque tronçon émergé (5) présente une partie inférieure (5a) au niveau de la ligne de flottaison (6) de section transversale constante et au dessus une partie supérieure (5b) de stabilité en cas d'inclinaison, de section transversale variable de façon continue et élargie par rapport à celle de la partie inférieure (5a), augmentant suivant l'axe dressé de la colonne (3) vers un sommet (5c) du tronçon émergé (5) pour augmenter la flottabilité et le redressement de la structure de flottaison (2) en cas d'inclinaison. 2. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie supérieure (5b) présente une variation continue linéaire de section transversale. 3. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie supérieure (5b) présente une variation continue courbe (12) de section transversale. 30 4. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lasection transversale de la partie supérieure (5b) est en forme de disque (13). 5. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie supérieure (5b) est évasée vers l'extérieur et en ce que la section transversale de la partie supérieure (5b) comporte, vers l'intérieur d'une zone (z) constituée par les axes dressés des colonnes (3) , une moitié de disque (13), et, vers l'extérieur de cette zone (z), une partie de forme ovale (14) avec un seul axe de symétrie. 6. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie 15 supérieure (5b) présente une forme de proue de bateau. 7. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tronçons immergés (4) et les parties inférieures sont de 20 section transversale circulaire. 8. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les tronçons immergés (4) et les parties inférieures (5a) 25 sont de section transversale carrée, et les parties supérieures (5b) sont de section transversale carrée (16). 9. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la 30 structure de flottaison (2) comporte des éléments de liaison pour relier rigidement l'éolienne (2a) aux colonnes (3). 10. Dispositif d'éolienne flottante offshore (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la structure de flottaison (2) comporte 3 à 5 colonnes (3). 10 15 20 25 30