Brevet FR3098555A1 — publié le 20210115

Description Titre de l'invention : Eolienne flottante offshore [0001] La présente invention concerne une éolienne flottante offshore. [0002] D'une façon générale, les éoliennes comportent une nacelle, positionnée à une extrémité d'au moins un mât, qui est lui-même relié à une autre extrémité, à des moyens formant support. [0003] Un exemple de réalisation d'une telle éolienne est décrit dans le document EP 3 273 051. [0004] Dans le cas d'une éolienne offshore flottante, ces moyens formant support com- prennent par exemple des moyens formant flotteur. [0005] La rotation de cette éolienne engendre des excitations cycliques dues par exemple aux dissymétries de chargement, au passage devant le mât des pales de l'éolienne, aux ordres donnés par les moyens de contrôle/commande de celle-ci, etc..., dont la fréquence, si elle est trop proche des fréquences propres structurelles du système, peut déclencher et entretenir une résonance et donc une dégradation accélérée de cette structure. [0006] Ce problème nuit à l'optimisation mécanique de la structure et donc à la rentabilité économique des projets. [0007] Le positionnement des fréquences propres d'une telle structure est une performance importante de cette dernière, mais qui entre en concurrence ou qui est lié avec ses autres performances par exemple de tenue mécanique et. de dimensionnement acceptable. [0008] Il est donc généralement très difficile voire impossible, pour des dimensions générales de structures contraintes, de positionner les fréquences propres de manière optimale. [0009] On a alors recours à des moyens de compensation. [0010] Un tel problème est également connu dans le domaine des éoliennes terrestres, dans lequel des solutions techniques d'absorption des vibrations, sont utilisées plutôt pour augmenter l'amortissement ou diminuer l'excitation, que pour modifier ces fréquences propres. [0011] Dans le contexte de l'éolien et notamment de l'éolien offshore, les conditions aux limites de la fondation, c'est-à-dire des moyens formant support, modifient les fréquences des modes couplés du système, à savoir de la turbine/nacelle, du mât et des moyens de support, et l'excitation hydrodynamique s'ajoute à l'excitation aérodynamique. [0012] Dans le cas d'une éolienne terrestre, l'excitation est principalement aérodynamique et comme l'éolienne est dans la direction du vent, les vibrations ducs au passage des 2 pales devant le mât, sont amorties par l'effet aérodynamique du disque rotor. [0013] Elles sont toutefois présentes. [0014] Dans l'éolien offshore, les excitations hydrodynamiques ne sont pas forcément alignées avec les excitations aérodynamiques et peuvent même avoir simultanément différentes orientations. [0015] L'effet aérodynamique du disque rotor joue son rôle d'amortissement mais uniquement dans la direction du vent ou dans une direction perpendiculaire à ce même disque rotor. [0016] La raideur de la fondation, c'est-à-dire y compris du sol pour les éoliennes fixes, et la raideur hydrostatique, y compris de l'ancrage pour les éoliennes flottantes, influencent significativement les fréquences propres couplées et les problèmes de résonance apparaissent d'autant plus que l'amortissement est faible. [0017] Le ditnensionnernent mécanique est alors fortement impacté rendant difficile l'optimisation technique ou économique. [0018] Différentes techniques d'amortissement des vibrations engendrées par un rotor d'éolienne de plusieurs natures possibles, sont connues et bien décrites dans l'état de la technique. [0019] Elles peuvent être actives, c'est-à-dire qui requièrent de l'énergie apportée, ou passive, c'est-à-dire qui sont mises en oeuvre par le système, sans apport d'énergie extérieure. [0020] On note ainsi : [0021] - des systèmes d'amortisseurs avec masse mobile. Ceux-ci sont réglés à une fréquence particulière en opposition de phase avec la fréquence de résonance de la structure et dans une direction particulière ; [0022] - des systèmes de pendules. Le principe est le même sauf que la masse suspendue, à savoir le pendule, n'a pas qu'une seule direction de mouvement ; [0023] - les réservoirs d'eau « ouverts », dont la mise en mouvement permet de contrôler et de dissiper l'énergie lors de l'excitation aérodynamique ; [0024] - des réservoirs d'eau de type à « colonne en U », qui sont remplis partiellement et permettent également de dissiper l'énergie des vibrations ; [0025] - le réglage des systèmes de contrôle/coi-lm-lande de l'éolienne, par calage des pales et/ou contrôle du couple de la génératrice, qui pilote la vitesse de rotation du rotor de celle-ci. [0026] Ce réglage permet également de lutter contre les modes fondamentaux de la tour. [0027] 11 est ainsi possible de réaliser des « sauts » de vitesses, pour éviter les vitesses de rotation de rotor susceptibles de déclencher la résonance de la tour et sa dégradation accélérée. [0028] Cela n'est possible que si les bandes de fréquences à éviter, c'est-à-dire le posi- 3 tionnement des modes de résonance, ne sont pas trop proches de la vitesse nominale du rotor. [0029] C'est généralement le cas pour les dimensions actuelles en éolien terrestre et même dans l'éolien offshore fixe. [0030] Dans l'éolien flottant, ce n'est pas le cas. [0031] La mise en oeuvre de cette stratégie entraînerait un « saut » trop grand et une perte de productible importante. [0032] Il est également possible de limiter l'action des systèmes de contrôle/commande dans certaines bandes de fréquences par filtrage des ordres. [0033] Enfin, il est également possible d'ajouter des entrées supplémentaires dans le système de contrôle/commande, par exemple des mesures d'accélération de la nacelle, pour que le calage des pales les compense. [0034] Mais ces différents dispositifs présentent un certain nombre d'inconvénients et ne permettent pas de résoudre entièrement le problème. [0035] Elles ont en général un impact sur le productible ou ajoutent des contraintes sur le système de contrôle/commande. [0036] Elles entrent enfin en concurrence avec d'autres objectifs qui lui sont assignés, comme la tenue mécanique, etc... [0037] Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. [0038] A cet effet l'invention a pour objet une éolienne flottante offshore du type comportant une nacelle positionnée à une extrémité d'au moins un mât relié à une autre extrémité, à des moyens formant support flottant, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens en forme de joint flexible de découplage d'une partie de cette éolienne par rapport au reste de celle-ci et de modification des fréquences de résonance de l'ensemble couplé des éléments constitutifs de celle-ci, prévus entre deux tronçons de mât à une hauteur comprise entre 10 et 90% de la hauteur totale de celui-ci entre les moyens formant support et la nacelle. [0039] Suivant d'autres caractéristiques de l'éolienne selon l'invention, prises seules ou en combinaison : [0040] - les moyens en forme de joint sont prévus à une hauteur de préférence comprise entre 15 et 40% de la hauteur totale du mât ; [0041] - les moyens en forme de joint sont prévus à une hauteur d'environ 25% de la hauteur totale du mât ; [0042] - les moyens en forme de joint comportent au moins un élément formant tampon en matériau d'amortissement interposé entre les deux tronçons de mât ; [0043] - les moyens en forme de joint comportent au moins une couronne de tampons en matériau d'amortissement ; [0044] - les tampons en matériau d'amortissement sont prévus entre des plaques d'appui en regard de deux tronçons de mât de celle-ci ; [0045] - les plaques d'appui sont inclinées et évasées vers l'extérieur de celle-ci ; [0046] - les plaques d'appui sont inclinées et évasées vers le haut et l'extérieur de celle-ci ; [0047] - les plaques d'appui sont inclinées et évasées vers le bas et l'extérieur de celle-ci ; [0048] - les tampons en matériau d'amortissement sont en polymère. [0049] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : [0050] - [fig.1] la figure 1 représente une vue de côté schématique d'une éolienne flottante offshore, et [0051] - [fig.2] la figure 2 représente une vue en perspective d'un exemple de moyens en forme de joint, entrant dans la constitution d'un exemple de réalisation d'une éolienne selon l'invention. [0052] On a en effet illustré sur ces figures, et en particulier sur la figure 1, une éolienne flottante offshore. [0053] Cette éolienne est désignée par la référence générale 1. [0054] De façon générale, une telle éolienne comporte une nacelle désignée par la référence générale 2, placée à une extrémité d'un mât désigné par la référence générale 3. [0055] L'autre extrémité de ce mât est reliée à des moyens formant support, désignés par la référence générale 4. [0056] Comme cela a été indiqué précédemment, dans le cas où cette éolienne est une éolienne offshore flottante, ces moyens formant support sont constitués par des moyens formant flotteur. [0057] Pour résoudre les différents problèmes évoqués précédemment à propos de la fréquence de résonance de l'ensemble de l'éolienne, l'éolienne selon l'invention comporte des moyens en forme de joint flexible de découplage d'une partie de cette éolienne par rapport au reste de celle-ci et de modification des fréquences de résonance de l'ensemble couplé des éléments constitutifs de celle-ci. [0058] Un exemple de réalisation de tels moyens en forme de joint flexible de découplage est illustré sur les figures 1 et 2. [0059] Dans l'exemple décrit en regard de ces figures, ces moyens en forme de joint sont prévus entre deux tronçons de mât à une hauteur comprise entre 10 et 90% de la hauteur totale de celui-ci entre les moyens formant support et la nacelle. [0060] De préférence les moyens en forme de joint sont prévus entre deux tronçons de mât à une hauteur comprise entre 15 et 40% de la hauteur totale de celui-ci. [0061] De façon encore plus précise ces moyens en forme de joint sont prévus entre deux tronçons de mât à une hauteur d'environ 25% de la hauteur totale du mât. [0062] Ceci permet d'optimiser le découplage mentionné précédemment pour une éolienne offshore flottante, ce qui n'est pas le cas du document EP précité. [0063] En fait et comme cela est illustré notamment sur la figure 2, ces moyens en forme de joint 5 comportent au moins un élément formant tampon en matériau d'amortissement, interposé entre la partie de l'éolienne et le reste de celle-ci, ces portions d'éolienne devant être découplées. [0064] Bien entendu différents modes de réalisation de ces moyens en forme de joint peuvent être envisagés. [0065] Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, les moyens en forme de joint comportent au moins une couronne de tampons, par exemple individuels, réalisés en matériau d'amortissement, et régulièrement répartis entre les deux portions de l'éolienne à découpler. [0066] L'un des tampons est par exemple désigné par la référence générale 6 sur la figure 2. [0067] Ces tampons en matériau d'amortissement tels que celui désigné par la référence générale 6 sur cette figure 2, sont alors prévus entre des plaques d'appui en regard des deux pièces à découpler de l'éolienne. [0068] Ces plaques d'appui sont désignées par les références générales 7 et 8 sur cette figure 2. [0069] Chaque tampon peut alors être associé à une paire de plaques d'appui corres- pondante. [0070] Ces plaques d'appui peuvent par exemple être inclinées et évasées vers le haut et l'extérieur de cette éolienne. [0071] Bien entendu d'autres modes de réalisation de ces différents organes peuvent être envisagés. [0072] Ainsi par exemple les plaques d'appui peuvent par exemple être inclinées et évasées vers le bas et l'extérieur de cette éolienne. [0073] Différentes formes comme par exemple conique, sphérique, etc. peuvent également être envisagées. [0074] Le point commun entre ces deux formes est alors qu'elles ont un centre dit de rotulage vers lequel pointent les tampons. [0075] Les tampons peuvent par exemple être réalisés en matériau d'amortissement tel qu'en polymère ou autre. [0076] Bien entendu de très nombreux autres modes de réalisation de ces moyens en forme de joint peuvent être envisagés. [0077] Dans l'exemple illustré, on propose alors d'utiliser une couronne de tampons in- dividuels en polymère, qui fait alors office de liaison à rotule par exemple entre le mût de l'éolienne et la fondation flottante. [0078] Le centre de ces moyens à rotule peut être décalé sur l'axe du mât et la raideur de cette liaison peut être contrôlée afin de vérifier les performances attendues de déplacement et d'angulation maximale. [0079] Bien entendu, d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Eolienne flottante offshore du type comportant une nacelle (2) po- sitionnée à une extrémité d'au moins un mât (3) relié à une autre extrémité, à des moyens formant support flottant (4), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (5) en forme de joint flexible de découplage d'une partie de cette éolienne par rapport au reste de celle-ci et de modification des fréquences de résonance de l'ensemble couplé des éléments constitutifs de celle-ci, prévus entre deux tronçons de mât à une hauteur comprise entre 10 et 90% de la hauteur totale de celui-ci entre les moyens formant support et la nacelle. [Revendication 2] Eolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens en forme de joint sont prévus à une hauteur de préférence comprise entre 15 et 40% de la hauteur totale du mât. [Revendication 3] Eolienne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens en forme de joint sont prévus à une hauteur d'environ 25% de la hauteur totale du mât. [Revendication 4] Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que les moyens (5) en forme de joint comportent au moins un élément formant tampon en matériau d'amortissement interposé entre les deux tronçons de mât. [Revendication 5] Eolienne selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que les moyens en forme de joint comportent au moins une couronne de tampons (6) en matériau d'amortissement. [Revendication 6] Eolienne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les tampons en matériau d'amortissement sont prévus entre des plaques d'appui (7, 8) en regard de deux tronçons de mât de celle-ci. [Revendication 7] Eolienne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les plaques d'appui (7, 8) sont inclinées et évasées vers l'extérieur de celle-ci. [Revendication 8] Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les plaques d'appui (7, 8) sont inclinées et évasées vers le haut et l'extérieur de celle-ci. [Revendication 9] Eolienne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les plaques d'appui (7, 8) sont inclinées et évasées vers le bas et l'extérieur de celle-ci. [Revendication 10] Eolienne selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que les tampons en matériau d'amortissement (6) sont en polymère.