EP1276990A1 - Structure de support, en particulier, pour une eolienne - Google Patents

Structure de support, en particulier, pour une eolienne

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Publication number
EP1276990A1
EP1276990A1 EP01927505A EP01927505A EP1276990A1 EP 1276990 A1 EP1276990 A1 EP 1276990A1 EP 01927505 A EP01927505 A EP 01927505A EP 01927505 A EP01927505 A EP 01927505A EP 1276990 A1 EP1276990 A1 EP 1276990A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mast
reinforcing
support structure
structure according
point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01927505A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Samyn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
La Construction Soudee En Abrege Cs
Original Assignee
La Construction Soudee En Abrege Cs
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by La Construction Soudee En Abrege Cs filed Critical La Construction Soudee En Abrege Cs
Priority to EP01927505A priority Critical patent/EP1276990A1/fr
Publication of EP1276990A1 publication Critical patent/EP1276990A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to a support structure, in particular, for a wind turbine.
  • FIGS. 1a and 1b A “self-supporting” structure, for example for a wind turbine, is illustrated in FIGS. 1a and 1b.
  • the mast typically forms a prismatic hollow body of steel or concrete (Figure 1a) or a lattice structure (Figure 1b) of steel or other material.
  • Figure 1a A “self-supporting” structure, for example for a wind turbine
  • Figure 1b A “self-supporting” structure, for example for a wind turbine, is illustrated in FIGS. 1a and 1b.
  • the mast typically forms a prismatic hollow body of steel or concrete (Figure 1a) or a lattice structure ( Figure 1b) of steel or other material.
  • Figure 1a In order to be able to support the weight of the wind turbine and the horizontal forces applied to it, which can amount to 80 and 50 tonnes or even more, respectively, a mast must be built that can withstand such loads. In practice, the mast will have a considerable weight, which directly or indirectly leads to other drawbacks, namely: high cost
  • guyed structures In order to reduce the weight of the structure, guyed structures have been developed.
  • An example of such a structure is illustrated in Figure 2.
  • a central mast prismatic hollow or lattice
  • a series of guy wires which connect the mast to the ground.
  • additional shrouds (indicated by broken lines in Figure 2) extend parallel to the main shroud (harp configuration), or meet at the same point on the ground (fan configuration).
  • This type of structure offers the advantage of reducing the weight compared to the self-supporting structure.
  • such a structure is relatively bulky. Indeed, the shrouds preferably extend at an angle of about 45 degrees relative to the mast.
  • the ground anchor point is located at a distance from the mast which is approximately equal to the height at which the shrouds are attached to the mast. For example, for a mast having a length of 100 meters and whose main shrouds are fixed at a height of approximately 60 meters, one would arrive at a distance between the anchor point on the ground and the mast of the order of 60 meters.
  • a second guyed structure was designed in the 1926s (French patent N ° 622,027).
  • An example of this second structure is illustrated in Figure 2b.
  • On the central mast body are rigidly fixed yards carrying at their end a pulley.
  • This second form of guyed structure due to the fact of its rigid yard and the use of the pulley, has the disadvantage of transmitting bending moments and of inducing additional bending moments in the yard and the central mast which forces strengthen the support structure and in turn causes a heavier construction.
  • the object of the present invention is to provide a support structure which overcomes the problems of the three known types of support.
  • each third reinforcing element attached to the mast by an articulation makes it possible both to keep a small footprint on the ground, while no longer transmitting bending moments to the rest of the structure.
  • the structure according to the invention is supported by a system of reinforcing member, it is possible to considerably reduce the weight of the mast compared to known self-supporting structures.
  • the presence of short reinforcing members is also favorable for dynamic stability, since the resonant frequency of these members is higher than those of conventionally guyed structures.
  • the weight of the structure is of the same order of magnitude as the weight of the guyed structures in a conventional manner. In some cases, it has even been found that the structure according to the invention is at least as light, or even lighter, than the other guyed structures.
  • the articulation of the third element on the mast as well as that of the elements between them introduce a freedom of rotation, of the reinforcing elements, which causes a reduction of the stresses applied on these. Consequently, the reinforcing elements which no longer have to withstand excessive stresses, in particular bending and torsion, can be dimensioned so as to make them lighter.
  • the support structure according to the invention therefore provides a solution to the problems mentioned, by proposing a structure combining the advantages of the three types of known structures, namely being lighter than solid structures, in particular also light or even lighter and less bulky than conventionally guyed structures.
  • the anchor point is located on the ground at a predetermined distance d1 from the mast. This allows for a lighter support structure, including foundations.
  • the anchoring point is located on the mat at a third predetermined height h3, the third predetermined height being less than the second predetermined height.
  • This arrangement also makes it possible to reduce the size of the structure on the ground.
  • the structure comprises in at least one of the zones delimited by the axis of the mast, the first and second reinforcing elements of one of the reinforcing members, or in a bisector plane between two zones, at least one element additional reinforcement.
  • a single additional reinforcing element connecting the point at height h2 on the mast to the anchoring point 29, or the point of intersection 27 at the foot of the mast. It has been observed that by thus providing a single additional reinforcing element which connects the mast to the second reinforcing element, it is still possible to reduce the weight of the structure while ensuring that the structure is sufficiently stiff.
  • the structure comprises at least one connection element fixed to the foot of the mast and to the anchoring point.
  • Such a connection element makes it possible to take up the horizontal component of the reactions of the structure at ground level, which makes it possible to apply the foundations, provided under the second reinforcing elements, essentially vertically instead of obliquely.
  • the second reinforcing element extends essentially vertically. This avoids the harmful effects due to the self-weight of the reinforcing element.
  • the element is also shorter, which is favorable for the total weight of the structure and dynamic stability.
  • the first predetermined height h1 is located between the values L / 2 and L - Ip (L / 2 ⁇ h ⁇ ⁇ L -lp), Ip being equal to the length of the blades of the wind turbine.
  • the first predetermined height is lower but relatively close to the value L - Ip.
  • the angle ⁇ between the first element and the central axis of the mast is preferably between 45 ° and 65 °. It has been observed that in the various embodiments according to the invention, the optimal value of the angle ⁇ is situated in this range. The optimal value is determined according to the balance to be reached between stability, stiffness and the weight of the structure and depends on the embodiment chosen for the structure.
  • Figures 1a and 1b are front views of wind turbines with self-supporting support structures according to the prior art.
  • Figure 2a and 2b are front views of a wind turbine with guyed support structures according to the state of the art.
  • Figure 3 is a front view of a wind turbine with its structure according to the invention.
  • FIG. 4 is a view from the top of the wind turbine with its structure according to FIG. 3.
  • FIG. 5 schematically illustrates different embodiments of part of the support structure according to the invention.
  • FIG. 6 schematically illustrates different embodiments of masts which can be used in the support structure according to the invention.
  • FIG. 7 schematically illustrates two alternative foundations for the structure according to the invention (deep or surface, depending on the quality of the ground).
  • FIG. 8 illustrates other configurations of reinforcing member.
  • Figure 9 is a perspective view of another embodiment of the structure according to the invention.
  • Figure 10 illustrates a structure according to the invention equipped with a technical room at the foot of the mast.
  • FIG. 11 illustrates a structure according to the invention fitted with reinforcing elements provided with two arms.
  • the support structure according to the invention comprises a mast 10 having a length L, a maximum width H (without taking account of the width at the top and at the base), and a central axis 24.
  • the mast has a length of the order of 30 to 120 m and a width H of 1 to 5 m.
  • the L / H value is generally greater than 20 in order to limit the wind resistance. All
  • the support structure according to the invention is designed to support a weight which can range from 20 to 50 tonnes or even more.
  • the mast can, if necessary, widen locally at its top to receive the assembly 11.
  • each reinforcing member comprises a first reinforcing member 13, a second reinforcing member 14 and a third reinforcing element 12.
  • the third reinforcing element 12 is formed by an arm or other compression element.
  • the first and second reinforcing elements can be formed by one or more cables or other traction or compression elements.
  • three reinforcing members are provided, each member being spaced from one another at an angle of 120 °, as illustrated in FIG. 4.
  • the arms 12 are each fixed to the mast 10 at a predetermined height h2 and are hingedly attached to the mast so as to allow rotation along a vertical plane. Indeed, a rigid knot consumes more material since it transmits a bending moment, and induces additional bending moments in the arms and the central mast, which forces them to weigh down.
  • the articulation of the third element on the mast as well as that of the elements between them therefore makes it possible to eliminate the bending moments in the arms and the central mast, unlike the structure proposed by said French patent of 1926 provided with a rigid knot.
  • the presence of the first reinforcing element which connects the mast to the third reinforcing element is advantageous. Indeed, without this, the third reinforcing element must be rigidly connected to the mast and is the seat of a bending force. According to the invention, it is preferable to use elements which are only subjected to traction or compression (excluding second order effects) in order to lighten the structure as much as possible.
  • the first reinforcement element 13 is connected on the one hand to the mast 10 and on the other hand to the arm 12 at an intersection point 27.
  • the second reinforcement element 14 is connected to the arm 12 and to an anchoring point 29 In particular, it is the ends of the reinforcing elements which are each time connected.
  • the anchor point 29 is located on the ground at a predetermined distance d1 from the mast.
  • the anchor point is located on the mast 10 at a predetermined height h3, less than the height h2.
  • the angle ⁇ formed by the first and second reinforcing elements 13, 14 facing the mast 10 is less than 180 °. It will therefore be understood that the distance d1 in such a structure is less than the corresponding distance in a cable-stayed structure in a conventional manner.
  • the angle ⁇ formed between the reinforcing elements facing the mast can vary from (180 ° - 2 ⁇ ) to 179 °.
  • the third reinforcing elements 12 extend essentially perpendicular to the axis of the mast.
  • a tolerance of the order of +/- 30 ° with respect to the perpendicular axis is however admissible.
  • the optimal angle ⁇ is between approximately 45 and 65 degrees.
  • the height h1 is ideally slightly less than the value L - Ip. For example, for a mast having a length L of 100 meters and blades having a length of the order of 35 meters, the height h1 is therefore slightly less than 65 meters and for example equal to 60 meters.
  • the value d1 also knows an optimum, but will be determined according to the acceptable size.
  • FIGS. 3 and 4 corresponds to that illustrated in FIG. 5f.
  • Other configurations are possible, as shown in Figures 5b to 5e and 5g and 5h.
  • the Figures 5b to 5h illustrate only one of the reinforcing members, if necessary with additional reinforcing elements and / or connection element. It is clear that these configurations can be provided for each of the reinforcing members. Normally, we use the same configuration for the whole structure, it is conceivable however to combine different configurations on the same structure.
  • connection element 16 fixed to the mast 10 and to the second reinforcement element 14 at ground level.
  • a connection element makes it possible to eliminate the horizontal component of the reactions to the supports 18 and thus makes it possible to limit the use of oblique piles as the foundation of the support 17.
  • the supports 17 are arranged to take up horizontal and vertical forces, while that the supports 18 are designed to take up the vertical forces.
  • additional reinforcement elements 19, N being equal to or greater than 1.
  • the additional reinforcing elements are in particular connected consecutively with each other.
  • One of the additional elements 19 is connected to the mast.
  • One of the additional reinforcement elements 19, which may be the same element as that connected to the mast (FIGS. 5b-5e and 5g-5h) is connected to the ground, preferably from the anchoring point 29.
  • a preferred configuration is that illustrated in FIG. 5g (with or without connection element), because it makes it possible to optimize the structure both in terms of weight and stiffness.
  • the optimum value of the angle ⁇ is to be determined according to the configuration selected.
  • the optimal value of the angle ⁇ is of the order of 64 °.
  • the mast may be in a trellis of constant width H (FIG. 6a), in a trellis of variable section (FIGS. 6b and 6c), a tube of constant diameter H (FIG. 6d) or a tube of variable section (FIGS. 6e and 6f).
  • H constant width
  • FIG. 6b and 6c a trellis of variable section
  • FIG. 6d a tube of constant diameter H
  • FIG. 6e and 6f a tube of variable section
  • the thickness of the tubes can also be variable.
  • the compression elements may consist of bars having a constant solid or hollow section.
  • Other configurations are also conceivable, such as: bar of variable section, trellis of triangular or square constant section, trellis of variable triangular or square section, guyed bar in several sections, beam bars, etc.
  • the traction elements can be constituted by cables, chains, articulated bars, etc.
  • element is meant a cable, a chain, an articulated bar or other similar means of traction, but also a part of cable, chain, articulated bar or other means.
  • the reinforcing elements 13, 14 can be formed by one or more cables.
  • connection elements consist of compression and / or traction elements.
  • the foundations of the structure can also be made in different ways. Apart from conventional configurations comprising only piles, the foundations could be made in accordance with FIGS. 7a to 7c.
  • plates for example made of concrete or steel with stiffeners 20 are placed at a certain depth below the anchoring points of the second traction elements, the depth being determined as a function of the length of the mast and the type of soil. For a mast 100 meters long, the depth could for example be 6 to 8 meters.
  • the plate is placed under a tie rod 26. It can be cast on site or composed of prefabricated elements, of concrete or steel, secured on site. In the latter case, they can easily be removed later.
  • Piles 21 are provided under the mast.
  • the piles for example made of concrete or steel with stiffeners 20 are placed at a certain depth below the anchoring points of the second traction elements, the depth being determined as a function of the length of the mast and the type of soil. For a mast 100 meters long, the depth could for example be 6 to 8 meters.
  • the plate
  • FIG. 7c is an embodiment in which oblique foundations are provided to take up the horizontal forces present at each support.
  • a technical room can be provided separately or at the foot of the mast.
  • Figures 8a to 8c are views similar to Figure 5a, illustrating different configurations for the reinforcing members.
  • the second reinforcing element 14 need not necessarily extend along a single axis as illustrated in FIGS. 8a and 8c.
  • the second reinforcement element can be connected to the mast (fig. 8b and 8c) instead of on the ground.
  • the first reinforcing elements comprise by two arms 41 and 42 forming an angle ⁇ between them, starting from the point of intersection, where a joint is arranged connecting the three reinforcing elements of the member , to the mast.
  • Each of the arms coming to attach on the horizontal section of the mast at the height h1.
  • each of the arms of the first element could also describe the tangent with respect to the horizontal section of the mast at the height h1, the attachment of each arm will then preferably be located at the intersection of said tangent with the radius of the mast section at height h1.
  • the forces induced in the arms of the first reinforcing elements are taken up by one of the two arms of the second reinforcing elements placed 43 and 44 at an angle ⁇ , starting from the point of intersection 27 to the point of anchoring 45 and 46.
  • These configurations improve the torsional rigidity of the structure since part of the shear flow, induced by the torsion of the mast 10 under the effect of the wind, is taken up by the arms of the reinforcing elements and in particular by the arms 41 or 42 of the first reinforcing elements.
  • the shear flow is taken up entirely by the structure of the mast which constrains to reinforce the structure of the support and in turn causes an increase in the construction. It is well It is obvious that this type of double-arm reinforcement can also be provided for the third reinforcement elements.
  • this type of double-arm reinforcement can be provided for other reinforcement elements, in particular for the third reinforcement elements.
  • the reinforcing elements may also be prestressed in order to reduce or cancel any possible stress induced in the structure by the wind.
  • first reinforcement element second reinforcement element reinforcement element connection element supports additional reinforcement element concrete plate piles concrete plate central axis of the mast pulling point of intersection point anchoring plane bisector zone plane foot of mast first arm of the first reinforcing element second arm of the first reinforcing element first arm of the second reinforcing element second arm of the second reinforcing element anchoring point of the first arm of the second reinforcing element reinforcement anchor point of the second arm of the second reinforcement element

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Abstract

Structure de support, en particulier pour une éolienne, comprenant: un mât (10) présentant un axe central (24) et une longueur (L); une série d'au moins trois organes de renfort dont chaque organe de renfort comprend un premier, un deuxième et un troisième élément de renfort, et au moins un desdits éléments de chacun des organes de renfort est un élément de compression. Le premier élément de renfort (13) relié d'une part au mât, à une première hauteur (h1) prédéterminée, et d'autre part aux deux autres éléments de renfort à un point d'intersection (27). Ce premier élément de renfort s'étendant selon un angle beta , par rapport à l'axe central du mât, supérieur à 20 DEG . Le deuxième élément de renfort (14) relie le point d'intersection (27) à un point d'ancrage de sorte à former un angle alpha entre le premier élément de renfort et ce deuxième élément de renfort (14). Le troisième élément de renfort s'étendant essentiellement perpendiculairement par rapport à l'axe du mât est fixé au mât par une première articulation situé à une deuxième hauteur (h2) prédéterminée. Cette deuxième hauteur étant inférieure à la première hauteur prédéterminée. De plus, le point d'intersection (27) des trois éléments de renfort est formé par une deuxième articulation.

Description

Structure de support, en particulier, pour une éolienne
La présente invention est relative à une structure de support, en particulier, pour une éolienne.
Dans l'état actuel de la technique, on distingue deux types de structure de support : les structures "autoportantes" et les structures haubanées.
Une structure "auto portante", par exemple pour une éolienne, est illustrée aux figures 1a et 1 b. Le mât forme typiquement un corps creux prismatique en acier ou en béton (figure 1a) ou une structure en treillis (figure 1b) en acier ou autre matériau. Afin de pouvoir supporter le poids de l'éolienne et les efforts horizontaux qui s'y appliquent, qui peuvent s'élever jusqu'à respectivement 80 et 50 tonnes ou même plus, il faut construire un mât pouvant résister à de telles charges. Dans la pratique, le mât aura un poids considérable, ce qui entraîne directement ou indirectement d'autres inconvénients, à savoir : coût élevé de production, de transport, de fondation et de mise en place du mât, peu écologique pour le transport et d'un point de vue consommation des matériaux (ce qui va à encontre du but même de cette source d'énergie). Afin de réduire le poids de la structure, des structures haubanées ont été développées. Un exemple d'une telle structure est illustrée à la figure 2. Un mât central (creux prismatique ou en treillis) est soutenu en place par une série de haubans, qui relient le mât au sol. Le cas échéant, des haubans supplémentaires (indiqués par des traits interrompus à la figure 2) s'étendent parallèlement au hauban principal (configuration en harpe), ou se rejoignent en un même point au sol (configuration en éventail). Ce type de structure offre l'avantage de réduire le poids par rapport à la structure autoportante. Par contre, une telle structure est relativement encombrante. En effet, les haubans s'étendent de préférence selon un angle de l'ordre de 45 degrés par rapport au mât. Dans ce cas, le point d'ancrage au sol est situé à une distance par rapport au mât qui est environ égale à la hauteur à laquelle les haubans sont fixés au mât. Par exemple, pour un mât ayant une longueur de 100 mètres et dont les haubans principaux sont fixés à une hauteur d'environ 60 mètres, on arriverait à une distance entre le point d'ancrage au sol et le mât de l'ordre de 60 mètres.
Afin de réduire la taille des haubans, une seconde structure haubanée a été conçue dans les années 1926 (brevet français N° 622.027). Un exemple de cette seconde structure est illustré à la figure 2b. Sur le corps de mât central sont fixés de manière rigide des vergues portant à leur extrémité une poulie. Chaque câble, attaché au mât à l'une de ses extrémités, passe sur l'une de ces poulies et est accroché à son autre extrémité à un ancrage dans le sol; celui-ci se situant à la verticale de la poulie. Cette seconde forme de structure haubanée, dû au faite de sa vergue rigide et de l'usage de la poulie, a le désavantage de transmettre des moments fléchissant et d'induire des moments fléchissant supplémentaires dans la vergue et le mat central ce qui contraint à renforcer la structure du support et provoque à son tour un alourdissement de la construction.
Le but de la présente invention est de prévoir une structure de support qui permet de pallier aux problèmes des trois types de support connus.
Ce but est atteint en prévoyant une structure de support suivant la revendication 1. En effet, chaque troisième élément de renfort attaché au mât par une articulation permet à la fois de garder un faible encombrement au sol , tout en ne transmettant plus de moments fléchissant au reste de la structure. En prévoyant que la structure suivant l'invention est soutenue par un système d'organe de renfort, on permet de réduire considérablement le poids du mât par rapport aux structures autoportantes connues. La présence d'organes de renfort courts est également favorable pour la stabilité dynamique, car la fréquence de résonance de ces organes est plus élevée que ceux des structures haubanées classiquement. On a également pu constater, que le poids de la structure est du même ordre de grandeur que le poids des structures haubanés de façon classique. Dans certains cas, on a même pu constater que la structure suivant l'invention est au moins aussi légère, voire plus légère, que les autres structures haubanées.
De plus, l'articulation du troisième élément sur le mât ainsi que celle des éléments entre eux introduisent une liberté de rotation, des éléments de renfort, qui provoque une réduction des contraintes appliquées sur ceux-ci. Par conséquent, les éléments de renfort ne devant plus résister à des contraintes trop importante, notamment de flexion et de torsion, pourront être dimensionnés de tel manière à les rendre plus légers.
La structure de support suivant l'invention apporte donc une solution aux problèmes cités, en proposant une structure combinant les avantages des trois types de structures connues, à savoir étant plus légère que les structures massives, en particulier aussi légère ou même plus légère et moins encombrante que les structures haubanés classiquement. Selon une forme de réalisation de la structure de support suivant l'invention, le point d'ancrage est situé au sol à une distance prédéterminée d1 du mât. Ceci permet de réaliser une structure de support, y compris les fondations, plus légère. Selon une autre forme de réalisation de la structure de support suivant l'invention, le point d'ancrage est situé sur le mat à une troisième hauteur prédéterminée h3, la troisième hauteur prédéterminée étant inférieure à la deuxième hauteur prédéterminée. Ainsi, il ne faut prévoir que des fondations sous le mat. Cette disposition permet également de réduire l'encombrement de la structure au sol.
Pour augmenter sa rigidité, la structure comporte dans au moins une des zones délimitées par l'axe du mât, les premier et deuxième éléments de renfort d'un des organes de renfort, ou dans un plan bissecteur entre deux zones, au moins un élément de renfort supplémentaire.
De préférence, on prévoit dans au moins une des zones, un seul élément de renfort supplémentaire reliant le point à hauteur h2 sur le mât au point d'ancrage 29, ou le point d'intersection 27 au pied du mât. On a pu constater qu'en prévoyant ainsi un seul élément de renfort supplémentaire qui relie le mât au deuxième élément de renfort, on permet d'encore diminuer le poids de la structure tout en assurant que la structure soit suffisamment raide. En particulier, la structure comprend au moins un élément de connexion fixé au pied du mât et au point d'ancrage. Un tel élément de connexion permet de reprendre la composante horizontale des réactions de la structure à la hauteur du sol, ce qui permet de solliciter les fondations, prévues sous les deuxièmes éléments de renfort, essentiellement verticalement au lieu d'en oblique.
Par conséquent, des pieux en oblique ne sont à prévoir comme fondation que sous le mât central, ce qui facilite considérablement la construction et représente une économie substantielle de matière.
De préférence, le deuxième élément de renfort s'étend essentiellement verticalement. Ceci permet d'éviter les effets néfastes dus au poids propre de l'élément de renfort. L'élément est également plus court, ce qui est favorable pour le poids total de la structure et la stabilité dynamique.
Afin de garantir un support adéquat du mât dans le cas d'une éolienne et afin que les éléments de renfort ne gênent pas le parcours des pales, la première hauteur prédéterminée h1 est située entre les valeurs L/2 et L - Ip (L/2 ≤ hï < L -lp ), Ip étant égal à la longueur des pales de l'éolienne. Pour des raisons d'efficacité et donc de légèreté du système, la première hauteur prédéterminée est inférieure mais relativement proche de la valeur L - Ip. L'angle β entre le premier élément et l'axe central du mât est de préférence entre 45° et 65°. On a pu constater que dans les différentes formes de réalisation selon l'invention, la valeur optimale de l'angle β est située dans cette plage. La valeur optimale est déterminée en fonction de l'équilibre à atteindre entre la stabilité, la raideur et le poids de la structure et dépend de la forme de réalisation choisie pour la structure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux figures annexées. Les figures 1 a et 1 b sont des vues de face d'éoliennes avec des structures de support autoportantes suivant l'état de la technique.
La figure 2a et 2b sont des vues de face d'une éolienne avec des structures de support haubanées suivant l'état de la technique.
La figure 3 est une vue de face d'une éolienne avec sa structure suivant l'invention.
La figure 4 est une vue du haut de l'éolienne avec sa structure suivant la figure 3.
La figure 5 illustre schématiquement différentes formes de réalisation d'une partie de la structure de support suivant l'invention. La figure 6 illustre schématiquement différentes formes de réalisation de mâts pouvant être utilisés dans la structure de support suivant l'invention.
La figure 7 illustre schématiquement deux alternatives de fondation pour la structure suivant l'invention (profonde ou superficielle, suivant la qualité du terrain).
La figure 8 illustre d'autres configurations d'organe de renfort.
La figure 9 est une vue en perspective d'une autre forme de réalisation de la structure suivant l'invention.
La figure 10 illustre une structure suivant l'invention équipée d'un local technique au pied du mât.
La figure 11 illustre une structure suivant l'invention équipe d'éléments de renfort pourvues de deux bras. Faisant référence aux figures 3 et 4, la structure de support suivant l'invention comprend un mât 10 ayant une longueur L, une largeur maximale H (sans tenir compte de la largeur au sommet et à la base), et un axe central 24. En général, le mât a une longueur de l'ordre de 30 à 120 m et une largeur H de 1 à 5 m. En outre, la valeur L/H est généralement supérieure à 20 afin de limiter la prise au vent. L'ensemble
11 formé par la turbine d'éolienne et son support est monté au haut du mât et comporte des pales 28 ayant une longueur Ip. La structure de support suivant l'invention est conçue pour supporter un poids pouvant aller de 20 à 50 tonnes ou même plus. Le mât peut le cas échéant s'élargir localement en son sommet pour recevoir l'ensemble 11.
Etant donné que le mât 10 n'est pas autoportant, celui-ci est maintenu par un ensemble d'organes de renfort 12, 13, 14. Chaque organe de renfort comporte un premier élément de renfort 13, un deuxième élément de renfort 14 et un troisième élément de renfort 12. En particulier, le troisième élément de renfort 12 est formé par un bras ou autre élément de compression. Les premiers et deuxièmes éléments de renfort peuvent être formés par un ou plusieurs câbles ou autres éléments de traction ou compression. En particulier, il est prévu trois organes de renfort, chaque organe étant espacé l'un de l'autre selon un angle de 120°, comme illustré à la figure 4. Les bras 12 sont chacun fixés au mât 10 à une hauteur prédéterminée h2 et sont fixés de façon articulée au mât de façon à permettre une rotation selon un plan vertical. En effet, un nœud rigide consomme plus de matière puisqu'il transmet un moment fléchissant, et induit des moments fléchissants supplémentaires dans les bras et le mât central, ce qui contraint à les alourdir.
Selon l'invention, l'articulation du troisième élément sur le mât ainsi que celle des éléments entre eux permet donc de supprimer les moments fléchissants dans les bras et le mât central contrairement à la structure proposé par ledit brevet français de 1926 pourvue d'un noeud rigide.
La présence du premier élément de renfort qui relie le mât au troisième élément de renfort est avantageux. En effet, sans cela, le troisième élément de renfort doit être relié de manière rigide au mât et est le siège d'un effort de flexion. Selon l'invention, il est préférable de mettre en œuvre des éléments qui ne soient soumis qu'à une traction ou compression (hors effets de second ordre) afin d'alléger la structure au maximum.
Le premier élément 13 de renfort est relié d'une part au mât 10 et d'autre part au bras 12 à un point d'intersection 27. Le deuxième élément de renfort 14 est relié au bras 12 et à un point d'ancrage 29. En particulier, ce sont les extrémités des éléments de renfort qui sont à chaque fois reliés. Comme illustré à la figure 4, le point d'ancrage 29 est situé au sol à une distance prédéterminée d1 du mât. Selon une alternative, le point d'ancrage est situé sur le mât 10 à une hauteur prédéterminée h3, inférieure à la hauteur h2. L'angle α formé par les premiers et deuxièmes éléments de renfort 13, 14 face au mât 10 est inférieur à 180°. On comprendra dès lors que la distance d1 dans une telle structure est inférieure à la distance correspondante dans une structure haubanée de façon classique. En général, l'angle α formé entre les éléments de renfort face au mât peut varier de (180° - 2β) à 179°.
Il est à noter que les troisièmes éléments de renfort 12 s'étendent essentiellement perpendiculairement par rapport à l'axe du mât. Une tolérance de l'ordre de +/- 30° par rapport à l'axe perpendiculaire est toutefois admissible. On a également pu constater que, lorsque l'élément de renfort 14 est vertical, l'angle optimal β se situe entre environ 45 et 65 degrés. La hauteur h1 est idéalement légèrement inférieure à la valeur L - Ip. Par exemple, pour un mât ayant une longueur L de 100 mètres et des pales ayant une longueur de l'ordre de 35 mètres, la hauteur h1 est donc légèrement inférieure à 65 mètres et par exemple égale à 60 mètres.
La valeur d1 connaît également un optimum, mais sera déterminée en fonction de l'encombrement acceptable.
Pour augmenter la stabilité transversale horizontale de l'ensemble des bras 12, ceux-ci sont reliés l'un à l'autre par des câbles ou autres éléments de renfort 15, comme illustré à la figure 4.
La configuration des organes de renfort illustrée aux figures 3 et 4 correspond à celle illustrée à la figure 5f. D'autres configurations sont possibles, comme le démontre les figures 5b à 5e et 5g et 5h. Les figures 5b à 5h illustrent uniquement un des organes de renfort, le cas échéant avec éléments de renfort supplémentaires et/ou élément de connexion. Il est clair que l'on peut prévoir ces configurations pour chacun des organes de renfort. Normalement, on utilise une même configuration pour toute la structure, il est concevable toutefois de combiner différentes configuration sur une même structure.
Les formes de réalisation illustrées aux figures 5b, 5d, 5g et 5h comprennent toutes un élément de connexion 16, fixé au mât 10 et au deuxième élément de renfort 14 à la hauteur du sol. Un tel élément de connexion permet d'éliminer la composante horizontale des réactions aux appuis 18 et permet ainsi de limiter l'emploi de pieux obliques comme fondation de l'appui 17. Les appuis 17 sont agencés à reprendre des efforts horizontaux et verticaux, tandis que les appuis 18 sont conçus à reprendre les efforts verticaux. Dans certaines formes de réalisation (figures 5b à 5e, ainsi que 5g et 5h), on prévoit, dans la zone délimitée par le mât 10, le bras 12 et le deuxième élément de renfort 14, N éléments de renfort supplémentaires 19, N étant égal à ou supérieur à 1. Les éléments de renfort supplémentaires sont en particulier reliés consécutivement l'un avec l'autre. Un des éléments supplémentaires 19 est relié au mât. Un des éléments de renfort supplémentaires 19, qui peut être le même élément que celui relié au mât (figures 5b-5e et 5g-5h) est relié au sol, de préférence du point d'ancrage 29. En général, on prévoit dans la zone II hachurée (fig. 5a) un ou plusieurs éléments de renfort. Pour une valeur L/H supérieure à 20, une configuration préférentielle est celle illustrée à la figure 5g (avec ou sans élément de connexion), car elle permet d'optimaliser la structure tant au point de vue poids que de rigidité. Au lieu de prévoir des éléments de renfort supplémentaires dans la zone précitée,, on peut également prévoir des éléments de renfort supplémentaires dans un plan bissecteur 30 entre des plans 31 de deux zones, comme illustré à la figure 9. La valeur optimale de l'angle β est à déterminer en fonction de la configuration sélectionnée. Pour la forme de réalisation suivant la figure 5g et pour h1/L = 3/5 et (h1-h2)/L = 0,2, la valeur optimale de l'angle β est de l'ordre de 64°.
Pour ce qui concerne le mât 10, différentes configurations sont également concevables. En particulier, le mât peut être en treillis de largeur H constante (figure 6a), en treillis de section variable (figures 6b et 6c), un tube de diamètre H constant (figure 6d) ou un tube de section variable (figures 6e et 6f). Une combinaison dans laquelle une partie du mât est en tube et l'autre en treillis est également concevable. L'épaisseur des tubes peut également être variable.
On a pu constater que pour une valeur L/H égale ou supérieure à 20, on obtient une structure au moins aussi légère, voire plus légère que la structure haubanée de façon classique. Par rapport à la structure autoportante, on parvient à réduire le poids de l'ordre de 50 %.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention. Les éléments de compression peuvent être constitués de barres ayant une section constante pleine ou creuse. D'autres configurations sont également concevables, telles que : barre de section variable, treillis de section constante triangulaire ou carrée, treillis de section variable triangulaire ou carrée, barre haubanée en plusieurs tronçons, barres en faisceaux, etc.
De même, les éléments de traction peuvent être constitués par des câbles, des chaînes, des barres articulées, .... Par le terme élément, on entend un câble, une chaîne, une barre articulée ou autre moyen de traction similaire, mais également une partie de câble, chaîne, barre articulée ou autre moyen. En d'autres mots, les éléments de renfort 13, 14 peuvent être formés par un ou plusieurs câbles.
Les éléments de connexion sont constitués par des éléments de compression et/ou de traction.
Les fondations de la structure peuvent également être réalisées de manières différentes. En dehors de configurations classiques comportant uniquement des pieux, les fondations pourraient être réalisées conformément aux figures 7a à 7c. Dans la forme de réalisation suivant la figure 7a, des plaques, par exemples fabriquées en béton ou en acier avec raidisseurs 20 sont placées à une certaine profondeur en dessous des points d'ancrage des deuxièmes éléments de traction, la profondeur étant déterminée en fonction de la longueur du mât et le type de sol. Pour un mât de 100 mètres de long, la profondeur pourrait par exemple être de 6 à 8 mètres. La plaque est placée sous un tirant 26. Elle peut être coulée sur place ou composée d'éléments préfabriqués, en béton ou en acier, solidarisés sur place. Elles peuvent dans ce dernier cas aisément être enlevables ultérieurement. Des pieux 21 sont prévus sous le mât. Dans la forme de réalisation suivant la figure 7b, les pieux
21 sont remplacées par une plaque épaisse en béton 23.
La figure 7c est une forme de réalisation dans laquelle on prévoit des fondations en oblique pour reprendre les efforts horizontaux présents à chaque appui. Un local technique peut être prévu séparément ou au pied du mât.
Les figures 8a à 8c sont des vues similaires à la figure 5a, illustrant différentes configurations pour les organes de renfort. Ainsi le deuxième élément de renfort 14 ne doit pas nécessairement s'étendre selon un seul axe comme illustré aux figures 8a et 8c. En outre, le deuxième élément de renfort peut être relié au mât (fig. 8b et 8c) au lieu d'au sol.
Faisant référence à la figure 11a et 11b, les premiers éléments de renfort comprennent par deux bras 41 et 42 formant un angle γ entre eux , partant du point d'intersection, où est aménagé une articulation reliant les trois éléments de renfort de l'organe, jusqu'au mât. Chacun des bras venant s'attacher sur la section horizontale du mât à la hauteur h1. Dans une autre forme de réalisation, chacun des bras du premier élément pourraient également décrire la tangente par rapport à la section horizontale du mât à la hauteur h1, la fixation de chaque bras sera alors située de préférence au croisement de ladite tangente avec le rayon de la section du mât à la hauteur h1. Dans les deux cas, les efforts induits dans les bras des premiers éléments de renfort sont repris par un des deux bras des deuxièmes éléments de renfort placés 43 et 44 sur un angle τσ, partant du point d'intersection 27 jusqu'au point d'ancrage 45 et 46. Ces configurations améliorent la rigidité torsionnelle de la structure puisque une partie du flux de cisaillement, induit par la torsion du mât 10 sous l'effet du vent, est repris par les bras des éléments de renfort et en particulier par les bras 41 ou 42 des premiers éléments de renfort. Alors que dans le cas d'une structure pourvue uniquement d'éléments de renfort avec bras unique, le flux de cisaillement est repris entièrement par la structure du mât ce qui contraint à renforcer la structure du support et provoque à son tour un alourdissement de la construction. Il est bien entendu évident que l'on puisse prévoir ce type de renfort à double bras également pour les troisièmes éléments de renfort.
De plus, en augmentant localement la section du mât à une hauteur h1 , on diminue le flux de cisaillement, résultant de la sollicitation du vent sur la structure, puisque ce flux de cisaillement est inversement proportionnelle à la section du mât ce qui permet de réduire les contraintes sur la structure. Il est bien entendu évident que l'on puisse prévoir ce type de renfort à double bras pour d'autres éléments de renfort en particulier pour les troisièmes éléments de renfort. Les élément de renfort pourront aussi être précontraint afin de réduire ou d'annuler d'éventuelle contrainte induite dans la structure par le vent.
REFERENCES DES FIGURES mât turbine et support d'éolienne troisième élément de renfort premier élément de renfort deuxième élément de renfort élément de renfort élément de connexion appuis élément de renfort supplémentaire plaque en béton pieux plaque en béton axe central du mât tirant point d'intersection point d'ancrage plan bissecteur plan de zone pied du mât premier bras du premier élément de renfort second bras du premier élément de renfort premier bras du deuxième élément de renfort second bras du deuxième élément de renfort point d'ancrage du premier bras du deuxième élément de renfort point d'ancrage du second bras du deuxième élément de renfort

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure de support, en particulier pour une éolienne, comprenant : un mât (10) présentant un axe central (24) et une longueur L ; une série d'au moins trois organes de renfort dont chaque organe de renfort comprend un premier, un deuxième et un troisième élément de renfort, et au moins un desdits élément de chacun des organes de renfort est un élément de compression, le premier élément de renfort (13) relié d'une part au mât, à une première hauteur h1 prédéterminée, et d'autre part aux deux autres éléments de renfort à un point d'intersection (27), le premier élément de renfort s'étendant selon un angle β , par rapport à l'axe central du mât, supérieur à 20°; et un deuxième élément de renfort (14) relie le point d'intersection (27) à un point d'ancrage (29) de sorte à former un angle α entre le premier élément de renfort et ce deuxième élément de renfort (14), le troisième élément de renfort s'étendant essentiellement perpendiculairement par rapport à l'axe du mât; caractérisée en ce que le troisième élément de renfort est fixé au mât par une première articulation situé à une deuxième hauteur h2 prédéterminée, la deuxième hauteur étant inférieur à la première hauteur prédéterminée; et en ce que le point d'intersection (27) des trois éléments de renfort est formé par une deuxième articulation.
2. Structure de support suivant la revendication 1 , dans laquelle le point d'ancrage est situé au sol à une distance prédéterminée d1 du mât.
3. Structure de support suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le point d'ancrage est situé sur le mât à une troisième hauteur prédéterminée h3, la troisième hauteur prédéterminée étant inférieure à la deuxième hauteur prédéterminée.
4. Structure de support suivant les revendications 1 à 3 , comportant dans la zone délimitée par l'axe du mât, les deuxième et troisième éléments de renfort d'un des organes de renfort, ou dans un plan bissecteur entre deux zones, au moins un élément de renfort supplémentaire.
5. Structure de support suivant les revendication 1 à 4, comprenant au moins un élément de connexion fixé au pied du mât (32) et au point d'ancrage (29).
6. Structure de support suivant les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le deuxième élément de renfort s'étend essentiellement verticalement.
7. Structure de support suivant les revendications 1à 6, caractérisée en ce que la première hauteur prédéterminée h1 est située entre les valeurs L/2 et L - Ip {H l2 ≤ hl < H -Ip ), Ip étant égal à la longueur des pales de l'éolienne.
8. Structure de support suivant les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'angle β est situé entre 45° et 65 °.
9. Structure de support suivant l'une des revendication 1 à 8, caractérisée en ce qu'au moins un des éléments de renfort est précontraint.
10. Structure de support, suivant les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le premier élément de renfort comprend deux bras (41 et 42) formant un angle γ entre eux, partant chacun du point d'intersection (27), chacun de ces bras venant s'attacher sur une section horizontale du mât à la hauteur h1.
11. Structure de support, suivant les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le premier élément de renfort comprend deux bras (41 et 42) formant un angle γ entre eux , partant chacun du point d'intersection (27), chacun de ces bras décrivant sensiblement une tangente par rapport à la section horizontale du mât à la hauteur h1.
12. Structure de support, suivant les revendications 1 à 10 caractérisée en ce que le deuxième élément de renfort comprend deux bras formant un angle m entre eux, partant chacun du point d'intersection jusqu'au point d'ancrage.
13. Structure de support suivant les revendications 1 à 11 caractérisé en ce que le mât comporte au moins un accroissement local de sa section destiné à recevoir des fixation des éléments de renfort.
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