Brevet FR3119871A1 — publié le 20220819

EOLIENNE MARINE AUTO-ORIENTABLE A DEUX ALTERNATEURS L’invention concerne une éolienne (1) marine auto-orientable comprenant une plateforme flottante, au moins un mât (21) sur lequel est fixée une nacelle (4) comprenant un moyeu (40) d’axe horizontal X et relié à des pales (3) , elle est caractérisée en ce que le moyeu (40) coopère avec un rotor (50) de deux alternateurs (5). Cette caractéristique permet une refonte complète de la structure de la nacelle avec la possibilité d’augmenter la puissance globale du rotor. On peut ainsi obtenir la même puissance avec des alternateurs de taille plus faible.. De cette façon, pour une puissance totale de l’éolienne de 6MW, chaque alternateur ne fera que 3MW chacun, le diamètre passera ainsi de 7m jusqu’à moins de 5 m. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4 EOLIENNE MARINE AUTO-ORIENTABLE A DEUX ALTERNATEURS DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des éoliennes offshore ou éoliennes marines et en particulier celles qui sont auto-orientables. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Les éoliennes marines sont installées en mer ou dans un milieu aquatique et doit résister aux conditions marines qui sont parfois difficiles. Si les premiers prototypes d’éoliennes offshore étaient des copies des éoliennes terrestres comprenant des pales reliées à un moyeu rotatif d’axe horizontal, elles sont maintenant adaptées à la mer. Avec les développements technologiques actuels, on cherche à augmenter la taille et la puissance. On arrive ainsi aujourd’hui à des envergures jusqu’à 126m et des puissances de 5MW (méga Watt). Il existe deux types d’éoliennes en mer : les éoliennes fixes qui sont généralement implantées à des profondeurs n’excédant pas 50 m, et les éoliennes flottantes qui sont implantées dans des profondeurs au-delà de 50 m. L’éolienne flottante est montée sur une plateforme flottante reliée au plancher marin par des câbles. De par sa construction, l’éolienne flottante est auto-orientable ou à orientation passive, c’est-à-dire qu’elle s’oriente seule en fonction du sens du vent. D’autre part, les éoliennes sont toujours montées dans une configuration avec le rotor en avant, face au vent, afin de minimiser l’effet d'ombre de la tour, celui-ci est assez important dans les structures traditionnelles. C'est pourquoi, des solutions offshores ayant une plate-forme flottante avec 3 ou 4 mâts au lieu d'une structure fixe mono tour ont été développées. L'ensemble de la structure s'oriente passivement avec le vent ce qui permet de supprimer le système d’orientation en tête de mât sur la nacelle. La tendance actuelle est d’augmenter encore l’envergure jusqu’à 160m et même jusqu’à 200m avec une puissance de 8MW jusqu’à 12-15MW. L’International Energy Agency prédit la nécessité de multiplier la production d'énergie éolienne par au moins 7 d’ici 2050. Pour réduire son coût, des parcs éoliens offshores avec des machines de 10-20 MW sont envisagés. Cependant dans ces gammes de puissance, le poids est une contrainte forte. Mais ces envergures et ces puissances impliquent une augmentation du poids de la structure, du coût de fabrication et du temps de montage ainsi que de la difficulté d’installation. D’autre part, la réalisation d’alternateurs d’aussi grande puissance entraine des complications à cause de la taille du rotor et du stator à réaliser. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant de réaliser une éolienne marine de forte puissance mais avec une nacelle de dimensions et de poids raisonnables, similaires aux éoliennes existantes. L’invention concerne une éolienne marine auto-orientable comprenant une plateforme flottante, au moins un mât sur lequel est fixée une nacelle comprenant un moyeu d’axe X horizontal et relié à des pales, elle est caractérisée en ce que le moyeu coopère avec un rotor de deux alternateurs. Cette caractéristique permet une refonte complète de la structure de la nacelle avec la possibilité d’augmenter la puissance globale de l’éolienne. Les alternateurs ont ainsi une taille plus facilement réalisable avec une raideur des structures qui permet de respecter les dimensions de l’entrefer. On peut ainsi obtenir la même puissance avec des alternateurs de taille plus faible. De cette façon, pour une puissance totale de l’éolienne de 6MW, chaque alternateur ne fera que 3MW chacun, le diamètre passera ainsi de 7m jusqu’à moins de 5 m. Avantageusement, les alternateurs sont disposés de part et d’autre du moyeu. En disposant les alternateurs de part et d’autre du moyeu, l’équilibre de la nacelle n’est pas perturbé. Avantageusement, l’éolienne comprend au moins trois mâts convergents. La nacelle avec ses pales est située entre les mâts et les alternateurs de chaque côté, l’ensemble est ainsi mieux équilibré. Avantageusement, les deux alternateurs sont symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l’axe du moyeu. Les alternateurs étant identiques par symétrie, l’équilibrage des charges de l’ensemble est respecté. Avantageusement, les alternateurs sont indépendants l’un de l’autre et chacun est relié à un convertisseur. L’éolienne est ainsi encore opérationnelle en mode dégradé, si un des deux alternateurs ou son convertisseur tombe en panne. Si le vent est faible, on peut aussi ne faire fonctionner qu’un seul alternateur, ainsi à faible charge de l’éolienne, la charge d’un alternateur sera doublée et le rendement sera d’autant meilleur, vis-à-vis d’un alternateur du double de puissance nominale. Avantageusement, au moins un alternateur comprend deux bobinages indépendants reliés chacun à un convertisseur. Cela permet d’adapter, la puissance de l’alternateur à la puissance du vent. Cette adaptation est encore plus fine puisque les deux alternateurs sont indépendants l’un de l’autre. Ainsi, si la chaîne électrique d’un bobinage statorique se met en défaut, les chaînes électriques des autres bobinages seront opérationnelles et permettront l’exploitation de l’éolienne jusqu’à la réparation du défaut. Avantageusement, un des alternateurs comprend un frein de parking reliant le rotor au stator. Ce frein permet de freiner ou arrêter les pales si le vent est trop fort. Avantageusement, un des alternateurs comporte une génératrice asynchrone. Cet génératrice asynchrone permet d’alimenter les divers auxiliaires du rotor de l’éolienne en électricité sans système de bagues et balais. Avantageusement, l’éolienne comprend un système de communication sans fil commandant les alternateurs. Le système de communication est ainsi plus simple à mettre en place. Avantageusement, chaque alternateur a une puissance comprise entre 4 et 10MW.On arrive ainsi à de puissance de classe multi-mégawatt ou déca-mégawatt. Avantageusement, au moins un alternateur est déconnectable. Il est ainsi possible de déconnecter un des deux alternateurs si besoin. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. est une éolienne de l’état de la technique avec un mât unique, est une éolienne de l’état de la technique avec trois mâts est une vue en perspective d’une nacelle selon l’invention, est une coupe de la nacelle de la avec ses pales et des mâts, est une vue de face de la nacelle de la , est une coupe d’une variante de nacelle selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Dans la suite de la description on appellera « avant », le côté face au vent et « arrière », le côté opposé. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. L’éolienne 1 de l’état de la technique, illustrée , est une éolienne terrestre ou une éolienne marine fixée au fond marin, elle comprend un mât 2, trois pales 3 raccordées à une nacelle 4 par un moyeu 40 et un pied 20 posé sur le sol. Les pales 3 sont placées face au vent V, la nacelle 4 et le mât derrière les pales 3. Un alternateur 5 est placé dans la nacelle 4. La deuxième éolienne 1 de l’état de la technique de la , est une éolienne flottante, elle comprend des flotteurs 22 reliés entre eux par des poutres 220, constituant une plateforme flottante et arrimées au sol par des câbles 23. Elle a trois ou quatre mâts 21 reliés chacun à un flotteur 22. La nacelle 4 est fixée aux mâts 21. Un alternateur 5 est disposé dans la nacelle 4 à l’arrière de celle-ci. Comme les mâts 21 sont plus fins que le mât unique de la et que ces mâts 21 ne sont pas dans une orientation radiale au moyeu 40 comme les pales 3, on peut disposer les pales 3 entre les mâts 21 sans que ceux-ci fassent de l’ombre et perturbe le trajet du vent V et ne génère des vibrations importantes dans l’éolienne. Comme l’éolienne 1 est relié au fond marin par des câbles 23, elle peut s’orienter seule en fonction de l’orientation du vent V. La nacelle 4 de la comprend un alternateur 5 de chaque côté et un moyeu 40 d’axe X. Celui-ci est constitué d’un essieu 401 fixe et d’une cage 402 mobile en rotation autour de l’essieu 401. La cage 402 présente trois ouvertures 400 pour y placer les pales 3 qui entraineront en rotation ladite cage 402. Ici, l’essieu est composé de deux demi-essieux présentant chacun une bride 403 permettant de les boulonner entre eux dans la partie centrale, ce qui facilite le montage. Chaque alternateur 5 comprend un rotor 50 et un stator 51, le rotor 50 étant relié à la cage 402. Le stator 51 est solidaire de la nacelle 4 et de l’essieu 401. Les alternateurs 5 sont identiques et disposés en miroir de chaque côté du plan des pales perpendiculaire à l’axe X. L’essieu 401 est creux constituant ainsi une gaine de service où un homme debout peut circuler pour assurer la maintenance. Il abrite également le ou les convertisseur(s) 52 et les câbles 53 de liaisons électriques. On peut, par exemple, prévoir un convertisseur par bobinage indépendant de stator, donc un pour chaque alternateur s’il n’a qu’un seul bobinage par alternateur, ou deux ou trois par alternateur s’il a deux ou trois bobinages par alternateur, ou n s’il y a n bobinages. On peut ainsi régler la puissance des alternateurs en fonction de la puissance du vent, par l’exploitation ou pas de chaque bobinage d’alternateur. Un frein de parking 30 est prévu dans un des deux alternateurs 5 entre le rotor 50 et la stator 51. Il permet de bloquer la rotation des pales 3 en cas de vent violent ou de maintenance. Dans la variante de la , l’essieu 401 est remplacé par deux demi-nacelles 41. Chaque demi-nacelle 41 est reliée à un flotteur 22 par au moins deux mats 21, soit au total au moins 4 mats pour l’éolienne. Les pales 3 sont fixées à la périphérie d’un cylindre axial 42 qui est relié aux deux demi-nacelles 41 par des roulements 410 qui assurent une cohésion rigide des deux demi-nacelles. Les rotors 50 sont fixés à chaque extrémité du cylindre axial 42. Chaque stator 51 est solidaire d’une demi-nacelle 41. Le cylindre axial 42 est creux et comprend trois caillebotis 420 placés du côté opposé à chacune des pales 3 et reliant les extrémités du cylindre axial 42, il est ainsi possible d’accéder à l’intérieur pour la maintenance quand l’éolienne est arrêtée. Il y a toujours un des caillebotis 420 horizontal à l’arrêt puisqu’à ce moment-là une des pales est à la verticale et les deux autres sont en dessous pour un bon équilibre. Un système d’orientation 31 des pales 3 est placé à l’intérieur du cylindre axial 42 pour la mise en « drapeau » des pales quand le vent est trop fort ou quand on réalise une réparation ou pour de la maintenance. Le système d’orientation 31 des pales 3 comprend une première roue dentée 310 coopérant avec une deuxième roue dentée 32 placée sur la périphérie de la base de la pale 3. La pale 3 est reliée au cylindre axial par un roulement 33. Cette variante a l’avantage de permettre un raccordement plus conventionnel du système d’orientation des pales au travers d’un jeu de bagues (puissance sans génératrice asynchrone et signaux de contrôle). Elle permet également l’utilisation de nacelles classiques, d’où un coût moins important. Eolienne (1) marine auto-orientable comprenant une plateforme flottante, au moins un mât (2, 21) sur lequel est fixée une nacelle (4) comprenant un moyeu (40) d’axe X horizontal et relié à des pales (3), caractérisée en ce que le moyeu (40) coopère avec un rotor (50) de deux alternateurs (5). Eolienne (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que les alternateurs (5) sont disposés de part et d’autre du moyeu (40). Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que qu’elle comprend au moins trois mâts (21) convergents. Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que les deux alternateurs (5) sont symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l’axe X du moyeu (40). Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que les alternateurs (5) sont indépendants l’un de l’autre et chacun est relié à un convertisseur (52). Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’au moins un alternateur (5) comprend deux bobinages indépendants reliés chacun à un convertisseur (52). Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’un des alternateurs (5) comprend un frein de parking (30) reliant le rotor (50) au stator (51). Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’elle comprend un système de communication sans fil commandant les alternateurs (5). Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que chaque alternateur (5) a une puissance comprise entre 4 et 10MW. Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’au moins un alternateur (5) est déconnectable. Eolienne (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’un des alternateurs comporte une génératrice asynchrone.