BE1024212B1

BE1024212B1 - Eolienne flottante

Info

Publication number: BE1024212B1
Application number: BE2016/5724A
Authority: BE
Inventors: Olivier Dethier
Original assignee: Ipnesting Sprl
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-12-13

Abstract

La présente invention concerne une éolienne flottante (1) comprenant : (a) des pales fixées à un mât s’étendant le long d’un axe, Z, tel que l’exposition des pales au vent entraîne la rotation du mât autour de l’axe, Z, (b) un canal formant un serpentin s’étendant le long de l’axe longitudinal, Z, et comprenant une ouverture amont et une ouverture avale, le canal étant fixé rigidement au mât de sorte que lorsque le mât tourne autour de l’axe, Z, le serpentin tourne en phase autour de l’axe longitudinal,(c) un palier fixé adjacent à l’ouverture avale permettant la rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, (d) un ancrage pour ancrer le palier dans le fond d’un plan d’eau, (e) du ballaste fixé à une surface externe du canal.

Description

EOLIENNE FLOTTANTE

DOMAINE DE L’INVENTION

[0001] La présente invention se rapporte à une éolienne flottante particulière, permettant le stockage de l’énergie éolienne capturée par les pales de l’éolienne sous forme d’une poche d’air comprimé stocké en profondeur sous la surface d’un plan d’eau sur laquelle repose l’éolienne. L’énergie ainsi stockée peut être restituée quand la demande l’exige en libérant l’air capturé vers la surface activant ainsi un alternateur. L’éolienne flottante de la présente invention comprend très peu de pièces mobiles et nécessite très peu d’entretien une fois installée offshore.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0002] Pour des raisons écologiques rendues spectaculairement évidentes par les phénomènes liés au réchauffement climatique, il devient indispensable de diminuer considérablement les émissions de CO2 et autres gaz à effet de serre. Un tel objectif est rendu particulièrement difficile par une demande énergétique croissante due à la croissance démographique et à l’émergence de nouvelles puissances industrielles. La liste des énergies renouvelables n’entraînant pas d’émissions de polluants se limite à la transformation d’énergies de la terre (énergie géothermique), de l’air (énergie éolienne), de l’eau (énergie hydraulique) et du soleil (énergie solaire). En effet, les biocombustibles ont bien sûr l’avantage d’être renouvelables mais leur combustion émet du CO2. L’énergie nucléaire n’émet pas de CO2, mais elle n’est pas renouvelable et crée des déchets radioactifs pour des milliers d’années à venir.

[0003] L’énergie éolienne est intéressante car elle n’émet aucun polluant. Cependant, elle est difficile à contrôler, puisque les vents tournent et leur intensité varie sans que l’on ne puisse rien y faire. Une première difficulté réside dans le fait qu’une éolienne peut être conçue pour fonctionner avec des vents à basse vitesse ou, au contraire, à haute vitesse, mais elles sont rarement opérationnelles sur tout le spectre de vitesses de vents rencontrés dans une zone d’exploitation, diminuant ainsi considérablement leur rendement lorsqu’elles doivent être neutralisés par manque ou par excès de vent.

[0004] Une seconde difficulté est que les éoliennes sont très chères et comprennent de nombreuses pièces mobiles qui s’usent et doivent être remplacées régulièrement. Une telle opération est rendue encore plus difficile dans les parcs éoliens off-shore, situés en pleine mer, là où les vents soufflent avec violence. Toute manutention d’éoliennes off-shore demande des moyens importants de bateaux ou hélicoptères.

[0005] Une troisième difficulté est liée aux variations de l’intensité des vents, qui ne permet pas nécessairement d’assurer l’approvisionnement en énergie électrique au moment où la demande est forte, car le vent ne souffle pas nécessairement à ce moment-là et, par contre, le vent peut souffler fort à des moments de basse demande. L’exploitation de l’énergie éolienne ne peut donc être optimisée que si des moyens de stockage de l’énergie sont développés.

[0006] Dans le brevet BE2010/0466, un moyen de stockage d’énergie électrique est proposé dans lequel un ballon gonflé d’air est conduit vers le fond d’un plan d’eau en enroulant un câble comprenant un retour dans le fond du plan d’eau. Cette opération consomme de l’énergie et est effectuée lorsque l’énergie est disponible ou bon marché et que la demande et basse. Lorsque la demande en énergie augmente, le ballon est relâché et en remontant à la surface le câble en se déroulant active un générateur de courant. La source de l’énergie utilisée pour descendre le ballon n’est pas limitée et un tel système pourrait être couplé à une éolienne off-shore. Cependant, le problème de l’usure des nombreuses pièces mobiles exposées à un environnement marin particulièrement hostile demeure sensible.

[0007] Il demeure donc un besoin pour l’exploitation de l’énergie éolienne qui réponde aux trois problèmes majeurs cités ci-dessus, soit qui peut fonctionner sur une grande gamme de vitesses de vents, comprend peu de pièces mobiles nécessitant peu de manutention et, enfin, permettant de stocker l’énergie du vent lorsqu’elle est disponible et de la restituer sous forme d’énergie électrique lorsqu’elle est désirée. La présente invention propose une solution permettant de palier à ces problèmes d’une manière innovante et simple.

RESUME DE L’INVENTION

[0008] L’invention est telle que définie dans la revendication principale et des variantes préférées sont définies dans les revendications dépendantes. La présente invention concerne une éolienne flottante comprenant : (a) Une ou plusieurs pales fixées rigidement à un mât s’étendant le long d’un axe longitudinal, Z, tel que l’exposition de la ou des pales au vent entraîne la rotation du mât autour de l’axe longitudinal, Z, (b) un canal formant un serpentin s’étendant le long de l’axe longitudinal, Z, et comprenant une ouverture amont et une ouverture avale, le canal étant fixé rigidement au mât de sorte que lorsque le mât tourne à une vitesse, v1, autour de l’axe longitudinal, Z, le serpentin tourne également autour de l’axe longitudinal à la même vitesse v1, (c) un palier (5) fixé adjacent à l’ouverture avale permettant la rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, (d) un ancrage (6) pour ancrer le palier dans le fond d’un plan d’eau, et (e) du ballaste (7) fixé à une surface externe du canal, tel que lorsque l’éolienne est posée sur un plan d’eau avec le palier ancré dans le fond du plan d’eau, le mât, l’une ou plusieurs pales et l’ouverture amont du canal se trouvent hors de l’eau et l’ouverture avale et le palier sont immergés.

[0009] Le dispositif selon la présente invention concerne une éolienne flottante comprenant : (a) une ou plusieurs pales fixées rigidement à un mât s’étendant le long d’un axe longitudinal, Z, tel que l’exposition de la ou des pales au vent entraîne la rotation du mât autour de l’axe longitudinal, Z, (b) un canal formant un serpentin s’étendant le long de l’axe longitudinal, Z, et comprenant une ouverture amont et une ouverture avale, le canal étant fixé rigidement au mât de sorte que lorsque le mât tourne à une vitesse, v1, autour de l’axe longitudinal, Z, le serpentin tourne également autour de l’axe longitudinal à la même vitesse v1, (c) un palier fixé adjacent à l’ouverture avale permettant la rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, (d) un ancrage pour ancrer le palier dans le fond d’un plan d’eau, (e) du ballaste fixé à une surface externe du canal, tel que lorsque l’éolienne est posée sur un plan d’eau avec le palier ancré dans le fond du plan d’eau, l’axe longitudinal, Z, forme un angle, Θ, avec un axe horizontal, X1, et le mât, l’une ou plusieurs pales et l’ouverture amont du canal se trouvent hors de l’eau et l’ouverture avale et le palier sont immergés [0010] Dans une variante préférée, le canal forme un serpentin formé de spires successives dont le diamètre diminue en s’éloignant de l’ouverture amont vers l’ouverture avale, • soit de manière linéaire, formant une spirale conique, • soit de manière sensiblement elliptique.

[0011] Il est préféré que la section du canal diminue depuis l’ouverture amont vers l’ouverture avale afin de compenser l’augmentation de la pression extérieure avec la profondeur d’immersion du canal.

[0012] L’éolienne selon la présente invention est de préférence sélectionnée parmi des éoliennes munies d’un rotor de type tripales, de type Darrieus, H, ou de type hélicoïdal [0013] La présente invention concerne également un système de génération et stockage d’énergie, comprenant : • une éolienne flottante telle que définie supra ancrée dans le fond d’un plan d’eau par l’ancrage et • un réservoir de stockage (8) fixé dans le fond du plan d’eau et permettant de stocker de l’air transporté depuis l’ouverture amont jusqu’à l’ouverture avale du canal par la rotation du serpentin.

[0014] Le réservoir de stockage peut comprendre une bâche fixée au fond du plan d’eau définissant ainsi un volume de stockage entre la bâche et le fond du plan d’eau, la bâche comprenant un orifice permettant d’accueillir l’ouverture avale du canal dans le volume de stockage. Le réservoir de stockage peut comprendre de plus des ballons périphériques reliés entre eux et avec la bâche par un système de tuyaux de distribution.

[0015] L’éolienne flottante peut comprendre typiquement deux, trois ou quatre pales réparties autour du mât. L’axe longitudinal, Z, forme de préférence un angle, Θ, avec un axe horizontal, X1, inférieur à 85°, de préférence inférieur à 75°, encore de préférence, inférieur à 60° et l’angle, Θ, est supérieur à 20°, de préférence supérieur à 30°, encore de préférence supérieur à 40°. L’ancrage permet à l’axe longitudinal, Z, de tourner autour d’un axe vertical, X2, décrivant un mouvement de précession afin de s’orienter « dos » au vent selon que la direction du vent change.

[0016] Dans une variante préférée, le système selon la présente invention comprend de plus un dispositif de récupération d’énergie permettant de guider de l’air stocké dans le réservoir de stockage vers la surface du plan d’eau, entraînant par son passage la rotation d’une génératrice de courant électrique. En particulier un tel système peut comprendre : • un canal de sortie) formant un serpentin s’étendant le long d’un l’axe de rotation, Z1, et comprenant une ouverture d’entrée d’air et une ouverture de sortie d’air, le canal de sortie étant fixé au fond du plan d’eau par un palier permettant au serpentin de tourner autour de son axe de rotation, Z1, avec l’ouverture d’entrée située dans le réservoir de stockage et l’ouverture de sortie étant située hors du réservoir de stockage, de préférence à la surface ou hors du plan d’eau, et comprenant de plus, • un moyen de transfert d’air stocké dans le volume de stockage vers l’ouverture d’entrée du canal de sortie, de préférence le moyen de transfert comprend une vis d’Archimède ou un canal en serpentin en rotation, ou un tuyau de distribution, et • une génératrice de courant électrique activée par la rotation du serpentin du canal de sortie.

[0017] De manière alternative, le dispositif de récupération d’énergie peut comprendre un tube d’évacuation comprenant une première ouverture se trouvant dans un point verticalement élevé du volume de stockage et une seconde ouverture couplée à une génératrice de courant électrique positionnée proche ou à la surface du plan d’eau et activée par le passage d’air dans le tube d’évacuation. Une valve située sur le tube d’évacuation entre les première et seconde ouvertures permet de contrôler le débit d’air s’écoulant dans le tube d’évacuation.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0018] Ces aspects ainsi que d’autres aspects de l’invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l’invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :

Fig.1 représente deux vues d’une variante d’éolienne selon la présente invention.

Fig.2 représente une variante alternative d’éolienne selon la présente invention.

Fig.3 illustre schématiquement (a) le chemin parcouru par l’air le long du serpentin depuis la surface vers le fond du plan d’eau et (b) le positionnement des ballasts à l’intérieur de la cavité du serpentin

Fig.4 illustre différentes géométries de pales d’éoliennes adéquates à la présente invention.

Fig.5 représente deux variantes de systèmes selon la présente invention comprenant une ou deux éoliennes, un réservoir de stockage et deux mécanismes alternatifs de récupération de l’énergie par libération de l’air stockée dans le réservoir de stockage.

Fig.6 montre différentes dimensions (a) d’une éolienne flottante et (b) d’un champ d’éoliennes flottantes.

Fig.7 illustre une variante de l’invention comprenant un réservoir de stockage comprenant une bâche et des ballons périphériques. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Eolienne flottante [0019] Tel que représenté aux Figures 1 et 2, une éolienne flottante selon la présente invention comprend une ou plusieurs pales (2) fixées rigidement à un mât (3) s’étendant le long d’un axe longitudinal, Z, tel que l’exposition de la ou des pales au vent entraîne la rotation du mât autour de l’axe longitudinal, Z. En utilisation, l’axe longitudinal, Z, est incliné, formant un angle, Θ, avec un axe horizontal, X1. L’angle, Θ, est déterminé lors de la conception de l’éolienne et sera maintenu tout au long de son utilisation. L’angle, Θ, peut varier entre 20 et 85°, et est de préférence autour de 45° + 20°. Afin de capturer l’énergie éolienne par rotation d’un mât incliné selon un angle, Θ, avec l’horizontale, des pales de différentes géométries peuvent être utilisées. La Figure 4 illustre quelques exemples de géométries de pales adéquates pour l’éolienne de la présente invention. La Figure 4(a) montre un mât muni de trois pales distribuées de manière uniforme autour de l’axe longitudinal Z. Cependant, contrairement aux éoliennes tri-pales à mat vertical communément utilisées dans nos paysages, les trois pales ne s’alignent pas sur un plan parallèle au mât, mais s’alignent sur un cône centré sur l’axe longitudinal, Z, du mât. De préférence, l’ouverture du cône ainsi défini est telle que la pâle se trouvant le plus proche d’un plan horizontal passant par la base du mât soit également sensiblement horizontale, à + 20° près, de préférence à +10° près. Comme le mât forme un angle, Θ, avec l’axe horizontal, X1, l’ouverture du cône défini par les pales est donc de Θ+ 20°, de préférence Θ + 10°. Un tel déploiement des pales est nécessaire, car l’objectif est d’entraîner la rotation du mât qui est incliné d’un angle, Θ, alors que dans les éoliennes tri-pales traditionnelles, les pales tournent autour d’un axe sensiblement normal au mât.

[0020] Une éolienne hélicoïdale est représentée à la Figure 4(b) et une éolienne Darrieus Hillustrée à la Figure 4(c). Comme les éoliennes hélicoïdales et Darrieus sont conçues originalement pour faire tourner le mât auxquelles les pales sont attachées, elles peuvent être utilisées telles quelles dans la présente invention. Simplement, elles sont conçues pour être montées sur un mât vertical, alors que dans la présente invention, le mât est incliné d’un angle, Θ.

[0021] L’éolienne flottante de la présente invention comprend de plus un canal formant un serpentin (4) s’étendant le long de l’axe longitudinal, Z, et comprenant une ouverture amont (4u) et une ouverture avale (4d). Le canal est fixé rigidement au mât de sorte que la rotation du mât entraîné par le vent capturé par les pales entraine la rotation du serpentin également autour de l’axe longitudinal à la même vitesse que le mât. Le serpentin forme une spirale autour de l’axe longitudinal, Z, avec des spires se succédant selon un pas donné. Ainsi, de par l’inclinaison du mât et du serpentin, l’air entrant par l’ouverture amont se trouvant à la surface du plan d’eau est entraîné avec chaque rotation du serpentin vers une spire avale, jusqu’à atteindre l’ouverture avale. L’ouverture amont (4u) est de préférence adjacente et parallèle à l’axe longitudinal, Z. Ceci permet de la maintenir hors de l’eau pendant la rotation du serpentin. Dans une variante préférée, illustrée à la Figure 1, l’ouverture amont est coaxiale à l’axe longitudinal, Z. Le mât est fixé directement au canal au niveau de l’ouverture amont.

[0022] Le serpentin peut former une hélice circulaire, s’étendant le long d’un cylindre et dans laquelle toutes les spires ont le même diamètre. Cependant, les parois du canal ne sont pas conçues pour résister à la pression hydrostatique environnante qui augmente à chaque spire successive avec la profondeur d’immersion sous l’eau. Les parois sont suffisamment souples pour que la pression à l’intérieur du canal soit en équilibre avec la pression à l’extérieur du canal. L’air est donc comprimé au fur et à mesure qu’il avance vers l’ouverture avale du canal en s’enfonçant plus profond sous l’eau. Pour cette raison, il est préférable que le diamètre des spires diminue entre l’ouverture amont (4u) et l’ouverture avale (4d), afin que le volume du canal dans chaque spire successive diminue proportionnellement à la diminution du volume d’air qui se comprime en descendant vers l’ouverture avale. Par exemple, le serpentin peut former une spirale conique telle qu’illustrée à la Figure 1, c’est-à-dire une spirale inscrite dans un cône ou tronc de cône. Le diamètre des spires ne diminue cependant pas nécessairement de manière linéaire le long de l’axe longitudinal, Z, et peut évoluer par exemple de manière sensiblement elliptique, tel qu’illustré à la Figure 2.

[0023] Egalement pour compenser la baisse du volume d’air comprimé lors de son parcours le long des spires successives du serpentin par la pression hydrostatique de l’eau environnante, de préférence la section du canal diminue en s’approchant de l’ouverture avale. Un exemple de serpentin dont la section du canal diminue avec la profondeur d’immersion est représenté à la Figure 2.

[0024] Un ancrage (6) est placé au fond du plan d’eau afin de fixer l’éolienne à sa position de service. L’ancrage est couplé à un palier (5) et au serpentin adjacent à l’ouverture avale. Le palier (5) fixé à l’ancrage permet, d’une part, la rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, et, d’autre part, la rotation de l’axe longitudinal autour d’un axe vertical, X2, afin que l’éolienne puisse s’orienter « dos au vent » selon la direction du vent (voir la direction du vent indiquée par la flèche, W, dans les Figures 1-3&5).

[0025] Tel qu’illustré à la Figure 1, le palier peut être fixé directement au serpentin selon un plan normal à l’axe longitudinal, Z. Dans la Figure 1, il est fixé à la surface extérieure du serpentin, c’est-à-dire la surface la plus éloignée de l’axe longitudinal, Z. Il est clair qu’il peut parfaitement être fixé à la surface intérieure du serpentin, c’est-à-dire la surface la plus proche et faisant face à l’axe longitudinal, Z. Dans ces deux configurations, le palier doit être couplé à l’ancrage par l’intermédiaire d’une rotule ou d’un joint cardan permettant la rotation de l’axe longitudinal, Z, autour de l’axe vertical, X2.

[0026] Dans une variante alternative, illustrée à la Figure 2, le palier (5) peut être fixé directement à l’ancrage permettant la rotation d’une poutre verticale. Celle-ci est couplée à un joint de cardan (ou simplement « cardan ») permettant d’entraîner la rotation de ladite poutre verticale par transmission de la rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, qui est incliné d’un angle, Θ, avec l’axe horizontal, X1. Le cardan peut être de type homocinétique ou pas. Dans le cas d’un cardan non-homocinétique, on peut agencer deux tels cardans enchaînés l’un à l’autre pour obtenir une transmission homocinétique. Cependant, une transmission de rotation homocinétique n’est pas essentielle à la réalisation de la présente invention.

[0027] Tel qu’illustré à la Figure 1, le canal peut être formé d’un tube fermé (c’est-à-dire, dont la section est fermée, p.ex., en forme de O ou de □) qui est enroulé pour former un serpentin.

Dans un mode de réalisation, des portions de tubes fermés préformées en forme de spires peuvent être emboîtées les unes dans les autres, comme un mécano, afin d’en faciliter le transport en mer en pièces détachées, et pour former le serpentin in situ, là où l’éolienne sera installée. Dans une variante alternative illustrée à la Figure 2, le canal est formé de portions de canaux ouverts (c’est-à-dire dont la section est ouverte, p.ex. en forme de U), qui peuvent s’emboiter non seulement bout-à-bout, mais également d’une spire à l’autre, la partie fermée d’une spire s’emboîtant dans la partie ouverte de la section d’une spire adjacente. Les portions de canaux ouverts ont une forme de pneu, coupé transversalement. Afin d’assurer la stabilité des spires adjacentes emboîtées l’une à l’autre, un câble (4c) de support peut être tendu entre le mât et l’ancrage. Un tel câble (4c) peut également être utilisé dans le cas de canaux formés de tube fermés, mais la stabilité des spires est moins critique que dans le cas de canaux formés de portions de canaux ouverts.

[0028] Le serpentin peut former une structure rigide, mais il est préféré que cela ne soit pas le cas. En effet, il est préférable de concevoir le serpentin de sorte à ce qu’il puisse se déformer un peu selon la force et direction des courants et du vent, qui peuvent être très violents, plutôt que de concevoir une structure rigide pouvant céder aux forces auxquelles elle serait soumise. Une structure souple est donc préférée. Une structure souple doit cependant être suffisamment rigide pour pouvoir maintenir une géométrie de serpentin, mais si celui-ci peut être localement déformé par l’action des courant et des vents : les spires pouvant se détacher l’une de l’autre (dans le cas de canaux formés de tubes fermés), les spires pouvant perdre leur circularité localement sous l’effet d’une contrainte, mais elles doivent la retrouver lorsque la contrainte diminue ou disparait. Il faut également éviter que le canal ne s’obstrue par pliage local. Des renforts peuvent être utilisés pour rigidifier localement la section du canal. Par exemple des arceaux peuvent être placés à intervalles réguliers. Des fibres de renfort en verre, carbone, aramide ou métal peuvent également être introduites dans les parois du canal. Une structure souple est également plus économique qu’une structure rigide. Pour cette raison, les parois du canal peuvent être fabriquées en polymères, de préférence en élastomères tels qu’utilisés par exemple dans l’industrie du pneu. Un câble (4c) assurant la stabilité des spires entre elles sera ainsi préféré à une poutre rigide.

[0029] Enfin, l’éolienne flottante de la présente invention comprend du ballast (7) fixé à une surface extérieure du canal. De préférence, le ballast est fixé à une surface intérieure du serpentin, faisant face à l’axe longitudinal, Z (c’est-à-dire dans la cavité intérieure définie par le serpentin tel que représenté schématiquement à la Figure 3(b) (par souci de clarté, le ballast n’a pas été représenté sur les autres figures). Du ballast est essentiel au fonctionnement de l’éolienne flottante. En effet, l’air piégé dans les parties supérieures des spires du serpentin (représentées en ombré à la Figure 3(a)) exercent sur le serpentin une force verticale dirigée vers le haut, qui doit être reprise par l’ancrage. Pour des installations de grandes dimensions, les forces seraient trop importantes pour considérer un ancrage traditionnel. Le ballast permet de compenser la force de flottaison liée à la présence d’air dans le canal. Idéalement, le ballast est dimensionné pour que l’effort sur l’ancrage soit pratiquement nul par mer calme et en l’absence de vent. Le ballast peut consister en sable, gravier, ou pierres solidement emballés et arrimés à une surface du serpentin, de préférence à la surface intérieure du serpentin, faisant face à l‘axe longitudinal, Z. Lorsque le ballast est bien dimensionné, l’axe longitudinal, Z, de l’éolienne posée sur un plan d’eau avec le palier ancré dans le fond du plan forme un angle, Θ, avec l’axe horizontal, X1, et le mât, l’une ou plusieurs pales et l’ouverture amont du canal se trouvent hors de l’eau alors que l’ouverture avale et le palier sont immergés.

[0030] En résumé, l’éolienne flottante peut comprendre deux, trois ou quatre pales réparties autour du mât selon la géométrie de pales choisie, dont des exemples non-exhaustifs sont illustrés à la Figure 4. L’éolienne flottante en position d’utilisation a son axe longitudinal, Z, incliné, formant un angle, Θ, avec l’axe horizontal, X1, inférieur à 85°, de préférence inférieur à 75°, encore de préférence, inférieur à 60. L’angle, Θ, est cependant supérieur à 20°, de préférence supérieur à 30°, encore de préférence supérieur à 40°. Un angle, Θ, de 45° + 20° est préféré. Le palier (5) permet la rotation de l’éolienne autour de son axe longitudinal, Z, et l’ancrage (6) auquel le palier est couplé permet la rotation de l’axe longitudinal, Z, autour de l’axe vertical, X2, afin de permettre à l’éolienne de s’orienter « dos au vent » selon la direction du vent. Cette double rotation peut être réalisée soit en couplant rigidement le palier au serpentin et de le coupler à l’ancrage par l’intermédiaire d’une rotule. Alternativement, le palier peut être monté à l’ancrage par une branche d’un joint à cardans.

Système de génération et stockage d’énergie [0031] L’éolienne flottante de la présente invention est avantageusement utilisée dans un système de captage et stockage d’énergie comprenant, outre une éolienne flottante telle que décrite supra, un réservoir de stockage (8) fixé dans le fond du plan d’eau et permettant de stocker de l’air transporté depuis l’ouverture amont jusqu’à l’ouverture avale du canal par la rotation du serpentin. Tel qu’illustré à la Figure 3(a), l’air entrant par l’ouverture amont (4u) dans le canal du serpentin, en voulant remonter vers la surface, se colle aux parois situées le plus haut du canal formant une première spire du serpentin. La rotation du serpentin entraîne la poche d’air ainsi formé vers une zone plus basse. L’air remonte alors, mais se retrouve collé à aux parois situées le plus haut du canal formant une seconde spire du serpentin, adjacente à la première. Le vide créé dans la première spire est vite rempli par un nouveau volume d’air formant une nouvelle poche d’air. En réalité il s’agit d’un processus continu et on ne peut pas distinguer une «poche d’air» d’une autre. Mais en suivant le cheminement d’une «poche d’air » individuelle le long du canal, cela permet de mieux comprendre le mécanisme entraînant l’air de la surface vers le fond du plan d’eau. La poche d’air passe ainsi de spire en spire avec chaque rotation du serpentin jusqu’à atteindre la dernière spire comprenant l’ouverture avale (4d) par où elle quitte le canal.

[0032] Alors que la poche d’air descend plus profondément dans le canal, la pression hydrostatique de l’eau environnante augmente rapidement avec la profondeur. Comme les parois du canal sont suffisamment souples pour se déformer sous l’effet de la pression hydrostatique dans l’eau environnante, l’air se comprime en descendant le long du canal à une pression en équilibre avec la pression hydrostatique de l’eau environnante. Lorsque l’air sort par l’ouverture avale, elle est en équilibre avec la pression de l’eau environnante.

[0033] L’air sortant du canal par l’ouverture avale est retenu dans le réservoir de stockage (8). Pour des installations de grande puissance, nécessitant le stockage d’une grande quantité d’air, les dimensions du réservoir sont telles qu’il est préférable d’utiliser une bâche (8b) fixée au fond du plan d’eau, telle qu’illustrée aux Figures 1-3, 5&6, et définissant ainsi un volume de stockage entre la bâche et le fond du plan d’eau. La bâche comprend un orifice (8h) permettant d’accueillir l’ouverture avale du canal sous la bâche et dans le volume de stockage. Comme l’air monte, il est nécessaire pour que l’air puisse quitter le canal, que l’ouverture avale ne soit pas le plus bas point du canal au moins pendant une fraction d’une rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, à laquelle on se réfère comme la fraction d’évacuation de rotation. L’orifice (8h) de la bâche doit avoir des dimensions telles que : (a) elles permettent une rotation de 360° du serpentin autour de l’axe vertical, X2, et (b) l’ouverture avale (4d) soit sous la bâche au moins pendant la fraction d’évacuation de rotation.

[0034] Avec ces deux conditions, l’air acheminé de la surface jusqu’à l’ouverture avale (4d) peut être évacuée du canal et stockée sous la bâche pour toutes directions des vents. Pour éviter que l’air ne ressorte de sous la bâche et ne remonte à la surface par l’orifice (8h) celui-ci doit se trouver à un point bas du réservoir. On peut prévoir des tendeurs pour maintenir le périmètre de l’orifice à une position plus basse que le volume d’air retenu sous la bâche. Il faut cependant éviter que les tendeurs se trouvent dans la trajectoire de l’ouverture de sortie (4d) pendant ses révolutions autour de l’axe longitudinal, Z. Comme illustré à la Figure 1, ces conditions peuvent être réalisées en ancrant un périmètre d’ancrage de la bâche entourant l’orifice (8h) et en étendant un auvent suffisamment rigide à partir de ce périmètre d’ancrage, définissant l’ouverture de l’orifice (8h). Alternativement comme illustré à la Figure 3(a), une jupe souple s’étendant dudit périmètre d’ancrage peut entourer le serpentin. Sinon, simplement comme illustré à la Figure 2, le périmètre de l’orifice (8a) est ancré par l’intermédiaire de câbles attachés à un point d’ancrage par l’intermédiaire d’un retour, afin de dégager un périmètre permettant la rotation de l’ouverture avale du canal sans que celle-ci ne se prenne dans des câbles.

[0035] Dans une variante illustrée à la Figure 7, la bâche (8b) recevant l’ouverture avale (4d) du canal de l’éolienne et/ou l’ouverture amont (40u) du canal de sortie (40) (décrit dans le chapitre suivante), peut avoir une dimension réduite par rapport au volume d’air comprimé à stocker en reliant la bâche au travers d’un système de tuyaux de distribution (17) à des ballons périphériques (15) de plus petites dimensions répartis sur un périmètre entourant la bâche. Tel que représenté à la Figure 7, les ballons périphériques sont ancrés au fond du plan d’eau, soit par des câbles reliés à une masse (6b) par exemple en béton, soit de préférence, en remplissant le fond des ballons de sable ou autre ballaste (6s) tel que des pierres, laissant un volume suffisant pour le stockage d’air occupant une portion supérieure des ballons périphériques.

[0036] Par un principe de vases communicants, une partie de l’air stocké sous la bâche est transférée dans des ballons périphériques distribués autour de la bâche de sorte que le niveau d’air est à tout moment sensiblement le même sous la bâche et dans les ballons périphériques (voir ligne pointillées marquant le niveau d’air représenté en zone ombrée). Des valves (17v) peuvent, si nécessaire, contrôler les transferts d’air de la bâche vers les ballons périphériques. De telles valves ne sont pas indispensables pour la répartition de l’air entre les différents éléments du réservoir de stockage (8b, 15). Elles permettent cependant d’isoler un ballon périphérique du reste du réseau en cas de fuites ou autres défaillances. Des valves permettent aussi plus de flexibilité en ce que le volume total de stockage d’une installation peut être adapté aux circonstances immédiates de vents et consommation d’énergie demandée. L’utilisation de ballons périphériques est avantageuse en ce qu’elle permet de ne pas couvrir de manière continue une surface trop importante du fond marin, ce qui entraînerait inévitablement un bouleversement important de la faune et de la flore. La réparations de structures endommagées de petites tailles sont généralement plus faciles que pour des structures de très grandes dimensions.

[0037] L’air stocké sous la bâche et dans les ballons périphériques peut être mis en communication fluidique par le même système de tuyaux de distribution (17) un système (10) de génération d’électricité par des moyens discutés en détails dans le chapitre suivant, tel qu’illustré à la Figure 7. Un système (10) de génération d’électricité permet, par différents moyens, de générer de l’électricité en faisant remonter à la surface l’air stocké au fond du plan d’eau. Une simple valve (17v) entre ledit système de génération d’électricité et les différents éléments du réservoir de stockage permet de contrôler le moment, la durée et le flux d’air admis pour remonter à la surface du plan d’eau.

Système de récupération de l’énergie stockée et transformation en courant électrique [0038] L’éolienne flottante et le réservoir de stockage permettent de capturer et de stocker de l’énergie éolienne sous forme d’air comprimé stocké en profondeur. Le système devient complet si l’énergie stockée peut être récupérée à la demande et transformée en énergie électrique. Pour cela, le système de la présente invention comprend avantageusement un dispositif de récupération d’énergie (10) permettant de guider de l’air stocké dans le réservoir de stockage vers la surface du plan d’eau, entraînant par son passage la rotation (9) d’un générateur de courant électrique ou d’une turbine.

[0039] Dans une première variante de l’invention illustrée à la Figure 5(a), le dispositif de récupération d’énergie (10) comprend un canal de sortie (40) formant un serpentin semblable au canal (4) de l’éolienne qui sous l’action de l’air stocké dans le réservoir de stockage et remontant par le canal de sortie en serpentin, est entraîné en rotation (dans le sens inverse du serpentin de l’éolienne). Le serpentin du canal de sortie est couplé à un générateur (9) de courant activé par la rotation du serpentin. Le canal de sortie (40) formant un serpentin s’étendant le long d’un axe de rotation, Z1, comprenant une ouverture d’entrée d’air (40u) par où entre l’air et une ouverture de sortie d’air (40d) par où il sort du canal de sortie. Le canal de sortie est couplé à un palier (50) ancré au fond du plan d’eau par un ancrage (60) permettant au serpentin de tourner autour de son axe de rotation, Z1, avec l’ouverture d’entrée située dans le volume de stockage et l’ouverture de sortie étant située hors du volume de stockage, de préférence à la surface ou hors du plan d’eau. L’inclinaison et les dimensions du serpentin du canal de sortie (40) sont semblables à celles d’une éolienne flottante telle que décrite supra. Afin de contrôler l’alimentation en air du canal de sortie et donc la rotation du canal de sortie et du générateur, un moyen (80) de transfert d’air stocké dans le volume de stockage vers l’ouverture d’entrée du canal de sortie située plus bas est agencé adjacent à l’ouverture d’entrée, Par exemple, le moyen de transfert peut comprendre une vis d’Archimède ou un canal en serpentin en rotation qui peuvent être activé par un moteur. Le moyen de transfert est couplé à l’ancrage (60) afin que la sortie du moyen de transfert soit toujours en vis-à-vis (et en dessous) de l’ouverture d’entrée (40u) du canal de sortie, quelle que soit l’orientation du vent ou des courants. Un canal de sortie permet de restituer l’énergie stockée par plusieurs éoliennes flottantes. Par exemple, on peut compter un serpentin de restitution pour quatre, cinq ou six éoliennes flottantes (cf. Figure 6(b)).

[0040] Dans une variante alternative illustrée à la Figure 5(b), le système de récupération d’énergie (10) permet de libérer de l’air stocké dans le réservoir de stockage et de le faire remonter à la surface le long d’un tube d’évacuation couplé à une turbine qui active un générateur (9). Le tube d’évacuation (11) comprend une première ouverture (11u) se trouvant dans un point verticalement élevé du réservoir de stockage et une seconde ouverture (11d) couplée à la turbine positionnée proche ou à la surface du plan d’eau et activée par le passage d’air dans le tube d’évacuation. Une valve (11v) situé entre les première et seconde ouvertures (11u, 11d) permet de contrôler le flux d’air dans le tube d’évacuation et donc le niveau de génération de courant électrique.

[0041] Dans une autre variante illustrée à la Figure 7(b), dans laquelle le réservoir de stockage (8) comprend une bâche (8b) reliée par des tuyaux de distribution amonts (17u) à des ballons périphériques (15). Ces derniers sont maintenus proche du fond du plan d’eau par l’intermédiaires d’un câble passant par une poulie de renvoi (13) fixée au fond marin et remontant à la surface pour être fixé à l’axe d’un générateur de courant (9) situé proche de ou à la surface du plan d’eau. Comme décrit plus haut, une partie de l’air comprimé recueilli sous la bâche (8b) peut être transférée dans les ballons périphériques (15) par l’intermédiaire des tuyaux de distribution amonts et des valves (17v). Lorsqu’un ballon est plein d’air et qu’il y a une demande en courant électrique, il suffit de relâcher la poulie de renvoi et de laisser le ballon remonter à la surface (voir le ballon (15) le plus à droite à la Figure 7(b)). La remontée du ballon entraîne la rotation de l’axe du générateur de courant (9) qui produit ainsi du courant. Lorsque le ballon a atteint la surface du plan d’eau, il suffit de vider l’air qu’il contient et de le ramener vide dans le fond du plan d’eau, pour le regonfler avec de l’air stocké sous la bâche.

Exemple de réalisation [0042] Comme illustré à la Figure 6(a), une éolienne (1) à axe oblique équipée de pales (2) de longueur, L2, de 135 m développe une puissance d’environ 5 MW pour un vent de 10 m/s à une hauteur de pales, H2, de 10 m au-dessus de la surface du plan d’eau. Couplée à un canal (4) en serpentin dont la première spire (adjacente à l’ouverture amont (4u)) a un diamètre, D1, de 20 m pour une hauteur, H4, de 280 m de long, ancrée à une profondeur, H, de 210 m, le système absorbe cette puissance et la stocke sous forme d’air comprimé dans le réservoir de stockage formé par une bâche (8b) arrimée au fond du plan d’eau.

[0043] Comme illustré à la Figure 6(b), l’éolienne décrite ci-dessus peut faire partie d’un parc d’éoliennes regroupant plusieurs éoliennes flottantes semblables. L’effet de sillage d’éoliennes à axe oblique étant réduit par rapport à une éolienne de configuration classique à axe vertical, les ancrages (6) des canaux en serpentin peuvent être espacés les uns des autres d’une distance, d1, de 400 m, ce qui est bien inférieur à la distance requise entre deux éoliennes à mât vertical de même puissance, qui peut être de l’ordre de 1000 m environ.

[0044] Le dispositif de récupération d’énergie (10) peut être placé au centre du dispositif. Un dispositif de récupération d’énergie (10) sous forme d’un canal de sortie en serpentin est représenté à la Figure 6(b). Il est clair que d’autres types de dispositifs de récupération d’énergie (10) peuvent être utilisés à la place. La puissance du générateur (9) est de l’ordre de 5 à 10 MW suivant les sites et la distribution temporelle des vitesses de vent. Le générateur doit être dimensionné en fonction du rapport entre la vitesse moyenne du vent telle que mesurée sur ce site et la vitesse de référence de 10 m/s.

[0045] La surface de bâches formant le réservoir de stockage (8) peut avoir une aire de 7 à 8 ha pour stocker l’équivalent de 7 jours de production électrique délivrée par le générateur de 5 MW fonctionnant à un rendement de 40% de charge moyenne. Dans cette configuration, le système pourrait donc continuer à fournir le réseau malgré une absence totale de vent pendant une semaine complète. Cette configuration permet donc de répondre au problème, d’une part, de l’intermittence du vent et, d’autre part, de modulation de la puissance injectée en fonction de la demande.

[0046] Le Tableau 1 présente à titre illustratif des gammes de valeurs pour les différentes dimensions d’une éolienne flottante selon la présente invention.

Tableau 1 : exemples de dimensions d’une éolienne flottante selon la présente invention

[0047] Comme expliqué plus haut, il est préféré que le rayon des spires ainsi que le pas entre deux spires successives diminuent avec la profondeur, afin de diminuer le volume du canal en fonction de la compression de l’air. Dans le cas d’un serpentin en forme d’hélice conique comprenant n spires, on peut approximer le pas, pi, entre l’ième et l’(i + 1)ème spire ainsi que le diamètre, Di, de l7®me spire par l’équation paramétrique suivante. Si x, y, z sont définis comme : x = % Di. cos (2π.η) ; y = % Di. sin (2π.η) ; et z = J pi dt, avec i compris entre 1 et n, on peut alors calculer le pas, pi, du serpentin entre l’ième et l’(i + 1)ème spire ainsi que le diamètre, Di, de l’^me spire, comme suit :

où pi et D1 sont le pas et le diamètre pour i =1, correspondant à la première spire adjacente à l’ouverture amont (4u).

[0048] L’éolienne de la présente invention présente de nombreux avantages : (a) Elle comprend très peu de pièces mobiles, réduisant ainsi la manutention et les changements de pièces usées nécessaires en milieu off-shore agressif. (b) Elle peut fonctionner sur une plage de vitesses de vents sensiblement plus large que les éoliennes à axe de rotation horizontal ou vertical. (c) Elle permet le stockage de l’énergie accumulée en fonction de la force du vent, pour la restituer sur demande, désolidarisant ainsi les variations du vent de celles de la demande. (d) Dans le cas où le dispositif de restitution (10) comprend un canal de sortie (40) en serpentin, on peut activer sa rotation électriquement en utilisant le générateur afin de le faire tourner dans le sens inverse et ainsi amener de l’air de la surface dans le réservoir de stockage ; ceci permet de stocker le courant issu du réseau sous forme d’air comprimé en cas de surcharge en courant du réseau. (e) Dans une application différente, l’éolienne peut aussi être utilisée pour pomper de l’eau d’un bassin en aval vers un autre bassin en amont, en montant le serpentin sur des paliers ; le serpentin peut alors former une hélice circulaire (i.e., inscrite dans un cylindre). (f) Elle permet d’augmenter le nombre d’éoliennes par ligne de raccordement au réseau puisque la ligne n’est plus dimensionnée pour transporter la puissance de crête mais la puissance moyenne des éoliennes. Pour un rapport de quatre entre la puissance de crête et la puissance moyenne cela revient à diviser le coût marginal de l’interconnexion par quatre.

Claims

REVENDICATIONS

1. Eolienne flottante (1) comprenant : (a) une ou plusieurs pales (2) fixées rigidement à un mât (3) s’étendant le long d’un axe longitudinal, Z, tel que l’exposition de la ou des pales au vent entraîne la rotation du mât autour de l’axe longitudinal, Z, (b) un canal formant un serpentin (4) s’étendant le long de l’axe longitudinal, Z, et comprenant une ouverture amont (4u) et une ouverture avale (4d), le canal étant fixé rigidement au mât de sorte que lorsque le mât tourne à une vitesse, v1, autour de l’axe longitudinal, Z, le serpentin tourne également autour de l’axe longitudinal à la même vitesse v1, (c) un palier (5) fixé adjacent à l’ouverture avale permettant la rotation du serpentin autour de l’axe longitudinal, Z, (d) un ancrage (6) pour ancrer le palier dans le fond d’un plan d’eau, (e) du ballaste (7) fixé à une surface externe du canal, tel que lorsque l’éolienne est posée sur un plan d’eau avec le palier ancré dans le fond du plan d’eau, l’axe longitudinal, Z, forme un angle, Θ, avec un axe horizontal, X1, et le mât, l’une ou plusieurs pales et l’ouverture amont du canal se trouvent hors de l’eau et l’ouverture avale et le palier sont immergés.

2. Eolienne flottante selon la revendication 1, dans laquelle le canal forme un serpentin formé de spires successives dont le diamètre diminue en s’éloignant de l’ouverture amont vers l’ouverture avale, • soit de manière linéaire, formant une spirale conique, • soit de manière sensiblement elliptique.

3. Eolienne flottante selon la revendication 2, dans laquelle la section du canal diminue depuis l’ouverture amont vers l’ouverture avale.

4. Eolienne selon l’une quelconque des revendications précédentes, sélectionnée parmi des éoliennes munies d’un rotor tripales, de type Darrieus, ou de type hélicïdal.

5. Système de génération et stockage d’énergie, comprenant : • une éolienne flottante (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 ancrée dans le fond d’un plan d’eau par l’ancrage et • un réservoir de stockage (8) fixé dans le fond du plan d’eau et permettant de stocker de l’air transporté depuis l’ouverture amont jusqu’à l’ouverture avale du canal par la rotation du serpentin.

6. Système selon la revendication 5, dans lequel le réservoir de stockage comprend une bâche (8b) fixée au fond du plan d’eau définissant ainsi un volume de stockage entre la bâche et le fond du plan d’eau, la bâche comprenant un orifice (8h) permettant d’accueillir l’ouverture avale du canal dans le volume de stockage.

7. Système selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l’éolienne flottante comprend deux, trois ou quatre pales réparties autour du mât et dans lequel, • l’axe longitudinal, Z, forme un angle, Θ, avec un axe horizontal, X1, inférieur à 85°, de préférence inférieur à 75°, encore de préférence, inférieur à 60° et dans lequel, • l’angle, Θ, est supérieur à 20°, de préférence supérieur à 30°, encore de préférence supérieur à 40°, et dans lequel, • l’ancrage permet à l’axe longitudinal, Z, de tourner autour d’un axe vertical, X2.

8. Système selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, comprenant de plus un dispositif de récupération d’énergie (10) permettant de guider de l’air stocké dans le réservoir de stockage vers la surface du plan d’eau, entraînant par son passage la rotation d’une génératrice (9) de courant électrique.

9. Système selon la revendication 8, dans lequel le dispositif comprend : • un canal de sortie (40) formant un serpentin s’étendant le long d’un l’axe de rotation, Z1, et comprenant une ouverture d’entrée d’air (40u) et une ouverture de sortie d’air (40d), le canal de sortie étant fixé au fond du plan d’eau par un palier (50) permettant au serpentin de tourner autour de son axe de rotation, Z1, avec l’ouverture d’entrée située dans le réservoir de stockage et l’ouverture de sortie étant située hors du réservoir de stockage, de préférence à la surface ou hors du plan d’eau, et comprenant de plus, • un moyen (17, 80) de transfert d’air stocké dans le volume de stockage vers l’ouverture d’entrée du canal de sortie, de préférence le moyen de transfert comprend une vis d’Archimède ou un canal en serpentin en rotation, ou un tuyau de distribution, et • une génératrice (9) de courant électrique activée par la rotation du serpentin du canal de sortie.

10.Système selon la revendication 8, dans lequel le dispositif comprend un tube d’évacuation (11) comprenant une première ouverture (11u) se trouvant dans un point verticalement élevé du volume de stockage et une seconde ouverture (11d) couplée à une turbine génératrice de courant électrique positionnée proche ou à la surface du plan d’eau et activée par le passage d’air dans le tube d’évacuation, et dans lequel le tube d’évacuation est de plus muni d’une valve situé entre les première et seconde ouvertures.