EP2852759A1 - Éolienne flottante à axe vertical avec stabilité de flottaison améliorée - Google Patents

Éolienne flottante à axe vertical avec stabilité de flottaison améliorée

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EP2852759A1
EP2852759A1 EP13728460.0A EP13728460A EP2852759A1 EP 2852759 A1 EP2852759 A1 EP 2852759A1 EP 13728460 A EP13728460 A EP 13728460A EP 2852759 A1 EP2852759 A1 EP 2852759A1
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EP
European Patent Office
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floating
wind turbine
float
hull
turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13728460.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Luc Achard
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a floating wind turbine, particularly for use offshore.
  • wind turbines installed on land include axial flow turbines typically having three blades and whose axis of rotation is parallel to the wind direction. The blades are held by a nacelle at the upper end of a mast.
  • Other onshore wind turbines include transverse flow turbines whose axis of rotation is perpendicular to the wind direction, and arranged horizontally or usually vertically. The blades of a wind turbine rotate a shaft which in turn drives an electric generator.
  • Offshore wind turbines currently in operation also include axial flow turbines.
  • the lower end of the mast holding the axial flow turbine is fixed to the seabed.
  • the lower end of the mast In soft soil, the lower end of the mast can be while in hard ground, the lower end of the mast can be provided with a concrete base, placed on the seabed.
  • Structures consisting of a mesh of welded tubes (called "jacket") can also be used to attach the axial turbine to the seabed.
  • Such offshore wind turbines can therefore be installed only in shallow water depths, of the order of a few tens of meters. However, shallow sites are limited in number and are not always usable for the installation of wind turbines.
  • wind turbines at sea whose installation can be carried out further away from the shore.
  • the wind turbine then comprises a partially immersed support structure which comprises at least one float which is, for example, connected to the seabed by anchoring lines.
  • Such wind turbines are called floating wind turbines.
  • a first disadvantage of the use of an axial flow turbine is that the mass of the nacelle and the blades can cause the appearance of a significant moment of tilting of the wind turbine which must be compensated.
  • a second disadvantage of using an axial flow turbine is the nacelle orientation system which incorporates auxiliary rotor yaw correction equipment to position the rotor in the wind.
  • This equipment is essential on large wind turbines, the nacelle being too heavy to be oriented in the wind by a drift. This equipment requires extra maintenance.
  • a third disadvantage of the use of an axial flow turbine is the drop in reliability with the necessary rise in power of floating wind turbines.
  • wind turbines suffer from a cost of installation and higher than on land.
  • To monetize instal ⁇ tion of a wind turbine the trend is to increase the power of the turbines (5-6 MW) and elongation of the blades.
  • wind turbines need to increase reliability, maximize availability and reduce maintenance costs.
  • Some organs poorly follow these antagonistic constraints. Indeed, the hubs wear out quickly under increasing loads induced by the blades.
  • the gigantism of the blades requires the implementation of specialized equipment and exceptional procedures for their transport to the site, their attachment to the mat, their repair, fixing the turbine on the holding structure, etc.
  • a speed multiplier must generally be provided between the turbine and the generator.
  • This speed multiplier is one of the main sources of damage encountered in recent years for floating turbines with axial flow turbines in operation.
  • the use of a permanent magnet generator makes it possible, in principle, to suppress the speed multiplier at the cost of a body of imposing size which accentuates the instability of the nacelle mentioned above.
  • a fourth disadvantage of the use of an axial flow turbine is that it is necessary to introduce thermal regulations for the bearings of the turbine and their lubrication, due to the climatic constraints of the areas where the best cooling regimes meet. winds.
  • ambient temperature ranges can range from -10 to + 40 ° C.
  • Transverse flow turbines lend themselves easily to the integration of several turbines into the same wind turbine, reducing the size of turbines for a final master torque of the equivalent wind turbine.
  • the transverse flow turbines can thus be stacked in one or two columns, each column rotating one or more vertical coaxial shafts which transfer their power to a single shared generator. The verticality of the axis induced elsewhere on the drive shafts of less bending moments.
  • the fourth disadvantage disappears, the various machines of the electromechanical conversion being housed in the float.
  • the weight of the column of turbines and the associated holding structure and the forces exerted by the wind on the column of turbines and on the associated holding structure may cause a moment that may favor the tilting of the floating wind turbine and which can be difficult to compensate.
  • a floating wind turbine comprising an emergent turbomachine constituted by one or two columns of streamlined transverse flow turbines, each column of turbines being able to orient properly with respect to the direction of the wind and maintaining its verticality in the normal operating conditions of the wind turbine.
  • An object of an exemplary embodiment of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of floating turbines with transverse flow turbines mentioned above.
  • An object of an exemplary embodiment of the present invention is to increase the energy efficiency of the turbomachine emerged from a floating wind turbine, consisting of one or two columns of transverse flow turbines.
  • Another object of an exemplary embodiment of the present invention is to limit the horizontal displacements of the wind turbine with the aid of the anchoring system.
  • Another object of an exemplary embodiment of the present invention is to limit the drag that waves exert on the float.
  • Another object of an exemplary embodiment of the present invention is to limit with the aid of the anchoring system the heave movement of the wind turbine.
  • a floating wind turbine comprising a float and a turbomachine resting on the float, the float comprising a floating hull, the turbomachine comprising at least one column of transverse flow turbines and a structure of maintaining the turbines, the holding structure being extended by a connecting member, located in the floating hull and connected to the floating hull in a pivot connection by at least first and second bearings located in the floating hull, the first bearing being located below the hull center of the floating hull, the wind turbine comprising a generator driven by the turbines and located in the hull floating under said hull center.
  • the connecting member extends over more than half the height of the floating hull, the second bearing being located above said hull center, the second bearing being a bearing radial and not being an axial bearing and the first bearing being a radial and axial bearing.
  • each turbine comprises a drive shaft, the drive shafts of the column turbines being connected to each other. the others, the connecting member comprising a transmission system connecting, to the generator, the drive shaft of the turbine at the base of the column.
  • the transmission system comprises a link drive shaft connecting, to the generator, the drive shaft of the turbine at the base of the column.
  • the transmission system comprises a hydraulic pump driven by the drive shaft of the turbine at the base of the column, the hydraulic pump being connected to a hydraulic motor driving the generator.
  • the turbomachine comprises an additional column of transverse flow turbines, the drive shafts of the turbines of the additional column being connected to each other, the transmission system further connecting to the generator, the drive shaft of the turbine at the base of the additional column.
  • the floating hull is rotational symmetrical and has, in a meridian plane, the transverse profile of the hull of a ship, the ratio between the height of the floating hull and the maximum diameter. floating hull varying from 1.5 to 5.
  • the float compartments and comprises a device for filling and emptying water each compartment inde ⁇ pendently of each other.
  • the float comprises at least a first steer, a second steer under the first steer, a third steer under the second steer, and a conduit through the second steerage and connecting the first steer to the third steerage , the generator being located in the third steerage, the holding structure being connected to the float by the first and second landing, the second landing being in the first steerage, the first landing being in the third steer or being in the conduit, closer to the third steer than the first steer.
  • the floating hull has a reduced section at the level of the waterline.
  • the wind turbine comprises unsupported anchor lines, radiating from the floating hull and intended to connect the float to the seabed.
  • the wind turbine further comprises a tension line connected to the lowest point of the float and intended to be connected to the seabed.
  • the holding structure comprises, for each turbine, vertical uprights on either side of the turbine and at least one horizontal plate attached to the vertical uprights, the turbine being connected to the horizontal plate by a pivoting connection.
  • each turbine comprises a drive shaft, the drive shafts of the turbines not being connected to each other, each drive shaft being connected to the generator by a control system.
  • hydraulic transmission comprising a hydraulic pump located in the tray.
  • Figures 1 and 2 show, schematically, two embodiments of a floating turbine turbines transverse flow 1 according to the invention
  • Figures 3 to 6 are perspective views in section of embodiments of a float of the floating wind turbine according to the invention
  • Figure 7 shows, schematically, another embodiment of the float according to the invention.
  • Figure 8 is a schematic section of the float of the floating wind turbine of FIG 1 according to a perpendicular plane ⁇ dicular to the axis of rotation of the wind turbines.
  • FIG 1 is a schematic perspective view of an embodiment of a floating wind turbine 10 according to the invention.
  • the floating wind turbine 10 comprises a turbomachine 12 resting on a float 14.
  • the float 14 is connected to the seabed, not shown, by anchoring lines 16.
  • the water level is represented diagrammatically by the line 18.
  • float center 14 corresponds to the geometric center of the immersed volume of the float 14, that is to say the center of gravity of the volume of water displaced by the float 14.
  • the turbomachine 12 comprises a stack of several stages 20. By way of example, four stages 20 are shown in FIG. 1. The number of stages varies, for example, from 2 to 10.
  • Each stage 20 comprises:
  • a frame 21 ensuring the rigidity of the assembly and comprising lateral uprights 22, a horizontal panel upper 26 and a lower horizontal panel 28 connected to the lateral uprights 22;
  • transverse flow turbine 30 disposed between the lateral uprights 22 and the plates 26, 28 capable of rotating about an axis D, for example substantially vertical.
  • the lateral uprights 22 of a stage 20 are in the extension of the lateral uprights 22 of the adjacent stage above and / or of the adjacent floor below in the stack of stages.
  • the amounts 22 of the stages 20 may correspond to a monobloc element or to distinct elements.
  • the turbines 30 of two successive stages 20 are separated by a horizontal plate 31 formed by the upper panel 26 of the lower stage 20 and the lower panel 28 of the upper stage 20.
  • Each lateral upright 22 has a profiled shape to play, in addition, the role of a fairing.
  • the transverse flow turbine 30 comprises a drive shaft 32 of axis D and means adapted to drive the shaft 32 in rotation about the axis D under the action of the wind, especially when the wind has an approximately perpendicular direction to the axis D.
  • the drive shaft 32 is maintained at the panels 26, 28 by bearings 34.
  • the stacked turbines 30 form a column 35 of turbines 30 or stack of turbines.
  • the uprights 22 and the plates 31 of the entire turbine engine 12 are integral with each other to form the holding structure 36 of the column 35 of turbines 30.
  • the drive shafts 32 of the turbines 30 may be connected to each other to form the D-axis drive shaft of the turbine column.
  • the column 35 of turbines 30 drives an electric generator (not visible in FIG. 1) contained in the float 14.
  • the shafts 32 of the turbines 30 are independent of one another.
  • each shaft 32 can drive a hydraulic pump, arranged for example at the uprights 22.
  • the hydraulic pump drives a hydraulic motor connected to the electric generator which is housed in the float 14.
  • the axes of rotation of the turbines 30 can then not be confused.
  • Such an example allows autonomous operation of each turbine 30 of the turbomachine 12. In particular, if a turbine, damaged, is blocked, the other turbines can continue to operate.
  • the shafts 32 are connected to each other and the rotation shaft of the stage 20 at the base of the turbomachine 12 drives the electric generator housed in the float 14, as will be described in more detail thereafter.
  • the shafts 32 of the turbines 30 may form a one-axis shaft D maintained by the trays 31.
  • the shafts 32 of the turbines 30 may be separate elements. Couplings, not visible, between the shafts 32 associated with two adjacent turbines may be provided in the trays 31. These may be flexible couplings or elastic.
  • Each lateral upright 22 has a profiled shape to play, in addition, the role of a fairing.
  • the shrouds 22 favor the suction of the air flow towards the turbine 30.
  • the flow engages in a divergent part obtained thanks to the gradual removal of the shrouds 22 one of the other.
  • the turbine 30 may be any type of transverse flow turbine. More particularly, it may be a transverse flow turbine comprising blades 38 rotating the shaft 32 under the action of lift forces.
  • each blade 38 measured along the axis D, can vary from 1 to 20 meters. In a plane perpendicular to the axis D, the blades 38 follow in operation a circle centered on the axis D whose diameter may vary from 1 to 15 meters.
  • the height of the blade 38 relative to the diameter can vary from 0.5 to 3.
  • the transverse flow turbine is a Darrieus or Gorlov-type turbine, for example Turbines described in Gorlov's publication "Helical Turbines for the Gulf Stream: Conceptual Approach to Design of a Large-Scale Floating Power Farm” (Marine Technology, Vol 35, No. 3, July 1998, pages 175-182, etc.). ).
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of another embodiment of a floating wind turbine 40 which, with respect to the floating wind turbine 10 represented in FIG. 1, comprises first and second columns of juxtaposed turbines 30 whose axes of rotation D and D 'are parallel.
  • the turbine columns 35 and the holding structure 36 of the turbine columns 35 rest on the float 14.
  • Each stage 20 of a wind turbine 40 comprises two turbines 30, one belonging to the first column of turbines and the other belonging to the second column of turbines.
  • the rotation shaft 32 of each turbine 30 is held by the upper panel 26 and the lower panel 28 associated.
  • the frame 21 of each floor 20 comprises, in addition to the fairings 22 and panels 26, 28, a central upright 42 interposed between the two turbines 30 of the floor 20.
  • Each upper panel 26 extends between one of the fairings 22 and the central upright 42.
  • the central uprights 42 of the stages 20 may correspond to a monobloc element or to distinct elements per stage.
  • the distance between the leading edges of the shrouds 22 can vary from 1.5 to 20 meters.
  • the distance between the leading edges of the shrouds 22 may vary from 3.5 to 40 meters.
  • FIG. 3 is a cutaway perspective view of an exemplary embodiment of the float 14 of the wind turbine 10, only the plate 31 at the base of the turbomachine 12 being shown.
  • the float 14 comprises a floating hull 49 containing all of the other elements forming the float 14.
  • the floating hull 49 may have a symmetry of rotation with respect to a vertical axis A.
  • the axis A corresponds to the axis D.
  • the section of the floating hull 49 in a plane perpendicular to the axis A can follow a circle, a polygon having a number of sides greater than or equal to five, a star with more than five branches, a curve close to the preceding curves, and in general, a curve which has no privileged dimensions.
  • the floating hull 49 may have a surface of revolution about the axis A.
  • the floating hull 49 may have the transverse profile of the hull. a ship.
  • the material used to make the hull 49 may be identical to the material used to make the hull of the current vessels.
  • the maximum diameter of the floating hull 49 may vary from 1.5 to 5 times the distance between the leading edges of the shrouds 22 of the stage 20 at the base of the turbomachine 12.
  • the ratio between the height, measured according to FIG. axis A, and the maximum diameter of the floating hull 49 may vary from 0.5 to 5.
  • the floating hull 49 has an elongate shape and the ratio between the height, measured along the axis A, and the diameter maximum of the floating hull 49 can vary from 1.5 to 5.
  • the float 14 may comprise an upper bridge 50 and an intermediate bridge 52, below the upper bridge 50.
  • the upper bridge 50 is shown with a frustoconical shape and comprises a cylindrical opening 51 of axis A.
  • the angle of the truncated cone may be very small, for example less than a few degrees, so that equipment, including cranes, can be arranged on the upper deck 50.
  • the space provided between the upper deck 50 and the deck Intermediate 52 constitutes a superior steerage 54.
  • Steerage 54 may play part of the role of a storage. Control instruments, control, thermal control systems, air handling machines can be provided in the bridge 54 which then appears as a machine room.
  • the upper steerage 54 may be at least partly below the water level 18.
  • the submerged part of the float 14 under the intermediate bridge 52 ensures the buoyancy of the wind turbine 10.
  • the float 14 comprises another intermediate bridge 58, below the intermediate bridge 52, which delimits an intermediate mid-deck 60 with the intermediate bridge 52.
  • the float 14 further comprises a lower bridge 62, below the intermediate bridge 58, which delimits with the intermediate bridge 58 a lower tweeter 64 at the lower end of the float 14.
  • the heavy and bulky conversion bodies mechanical / electrical energy, in particular the generator 65, are located in the lower tweeter 64.
  • a central cylindrical conduit 66, sealed, axis A connects the bridge 52 to the bridge 58.
  • the conduit 66 opens at one end on the upper twister 54 and the opposite end on the lower tweeter 64.
  • a fixed weight 68 may be provided below the lower bridge 62.
  • the mooring lines 16 connect the floating hull 49 to the seabed.
  • the mooring lines 16 are flexible. At least three mooring lines 16 may be used.
  • the mooring lines 16 can fan away from the floating hull 49 and are each fixed to the seabed by means of an anchor or a pile, not shown.
  • the mooring lines 16 may be chains, steel cables, synthetic ropes, etc.
  • the turbomachine 12 is mounted on the float 14 so that the turbomachine 12 can rotate relative to the float 14 about a substantially vertical axis in a pivot-type connection.
  • the axis of rotation of the turbomachine 12 relative to the float 14 corresponds to the axis A.
  • the holding structure 36 of the column 35 of turbines is pivotable relative to the float 14 around the axis A.
  • the holding structure 36 of the turbomachine 12 is extended at the bottom and secured to a connecting structure 70, comprising an upper hollow cylindrical portion 72, of axis A, partially closed at the top by a flat plate 74 perpendicular to the axis A.
  • the cylindrical portion 72 is extended in the lower part, via an annular portion 76, by a lower hollow cylindrical portion 78, coaxial with the cylindrical portion 72 and of smaller diameter .
  • the cylindrical portion 72 is partially disposed in the upper tweer 54.
  • the plate 74 is located at the opening 51 of the upper bridge 50.
  • the cylindrical portion 78 extends in the conduit 66.
  • the cylindrical portion 78 is provided a flange 80 at its lower end.
  • the plate 31 located at the base of the turbomachine 12 is, for example, fixed to the plate 74.
  • a radial radial bearing 82 is provided in the deck 54 and allows the rotation of the upper cylindrical portion 72 relative to the floating hull 49 about the axis A.
  • the bearing 82 is located above the hull center of the float 14 when the axis A is vertical.
  • a radial bearing is a bearing which prevents displacements of the shaft held by the bearing in a direction perpendicular to the axis of the shaft.
  • a radial and axial sealed bearing 84 is provided in the tweezers 60 at the lower end of the cylindrical portion 78.
  • the radial and axial bearing 84 is provided for example at the flange 80.
  • the bearing 84 is located below from the float center 14 when the axis A is vertical.
  • An axial bearing is a bearing which prevents the displacement of the shaft held by the bearing along the axis of the shaft.
  • Bearings 82, 84 may include roller bearings, tapered one- or two-row bearings, plain bearings, and the like. Each bearing 82, 84 may comprise several bearings.
  • the float 14 comprises a transmission system 89 of the mechanical energy supplied by the column 35 of turbines to the generator 65.
  • the transmission system 89 is essentially mechanical and comprises a drive shaft 90 of axis A.
  • the rotation shaft 90 extends in particular in the cylindrical portions 72 and 78 and in the lower tweeter 64.
  • the upper end of the shaft 90 is connected to the rotation shaft 32, not shown in Figure 3, the turbine at the base of the column of turbines.
  • the lower end of the shaft 90 is connected to the generator 65.
  • the column of turbines rotates the shaft 90 which, in turn, directly rotates the generator 65.
  • the shaft 90 is held by a bearing radial and axial sealed 92 fixed to the plate 31 at the base of the turbomachine 12.
  • the shaft 90 is further maintained by a radial and axial bearing 94 fixed to the lower bridge 62. Additional bearings, not shown, can be provided , for example in the conduit 66, for the maintenance of the shaft 90.
  • the additional bearings located above the center of the hull may be only radial bearings.
  • the ballast 68 may be replaced by a flywheel driven by the shaft 90.
  • the generator 65 shown schematically in FIG. 3, comprises, for example, a rotor 96 driven directly in rotation by the shaft 90 and a stator 98 surrounding the rotor 96. It may be a direct drive magnet generator. permanent multipolar. It can also be a synchronous alternator with wound rotor. It can also be an asynchronous generator, a speed multiplier can then be provided between the shaft 90 and the rotor of the generator and / or between the shaft 90 and the shaft 32 of the turbine at the base of the column 35 of turbines. Electrical equipment 100 recover the energy supplied by the generator 65, which is transmitted by a cable 102.
  • the column of turbines rotates the shaft 90 which, in turn, drives the generator 65.
  • the pivot type connection between the turbine engine 12 and the float 14 makes it possible to orient the turbomachine 12 in the direction of the wind to increase the efficiency of the turbomachine 12.
  • Figure 4 is a perspective sectional view of an embodiment of the float 14 of the wind turbine 40, only the base of the turbomachine 12 being shown.
  • the plate 31 at the base of the holding structure 36 of each column of turbines is fixed to the plate 74.
  • the axis of rotation of the turbomachine 12 with respect to the float 14 is parallel to the axes D and D 'of rotation of the two Turbine columns and preferably corresponds to the axis A.
  • the float 14 of the wind turbine 40 shown in FIG. 4 has the same structure as the float 14 of the wind turbine 10 represented in FIG. 3 with the difference that the rotation shafts 32 at the base of the turbine columns are connected to the rotation shaft 90 via a transmission system 102, provided for example in the cylindrical portion 72, and not shown in detail.
  • the transmission system 102 may be a mechanical transmission system. It may include gear trains, such as the system described in PCT / FR2008 / 051917.
  • FIG. 5 is a view similar to FIG. 3 of another embodiment of the float 14 which has the same structure as the structure of the float 14 shown in FIG. 3, except that the transmission system 89 which connects the shaft of rotation 32 of the turbine at the base of the column 35 of turbines and the generator 65 is a hydraulic system.
  • the wind turbine 10 comprises a hydraulic pump 110, for example of variable displacement, housed in the cylindrical portion 72, and driven by the rotation shaft 32.
  • Pipes 112, 114 connect the hydraulic pump to a hydraulic motor 116 housed nearby of the generator 65. It may be a hydraulic motor 116 with variable displacement, for example a hydraulic motor 116 with gears.
  • the hydraulic motor 116 rotates the rotor 96 of the generator 65.
  • the hydraulic pumps can be connected to the hydraulic motor 116.
  • FIG. 6 is a perspective sectional view of an embodiment of the float 14 of the wind turbine 40, only the base of the turbomachine 12 being shown.
  • the plate 31 at the base of the holding structure of each column of turbines is fixed to the plate 74.
  • the float 14 of the wind turbine 40 shown in FIG. 6 has the same structure as the float 14 of the wind turbine 10 shown in FIG. 5 except that the rotation shaft 32 at the base of each column of turbines drives a hydraulic pump 117, 118.
  • the hydraulic pumps 117, 118 are connected to a flow control system 119, itself connected to the suction and discharge conduits 112, 114. In operation, the two hydraulic pumps 117, 118 drive the hydraulic motor 116.
  • the hydraulic pumps can be connected to the hydraulic motor 116 .
  • the exemplary embodiments of the float 14 according to the invention described with reference to FIGS. 3 to 6 provide the static stability of the floating wind turbine 10, 40 with respect to horizontal displacements or tilting.
  • the resultant F ⁇ substantially horizontal aerodynamic forces on the turbine engine 12, in the direction of the wind (drag) or perpendicular to the direction of the wind (lift), is exerted in an aerodynamic center A r located in the turbomachine 12
  • the resultant F 1 is taken up by the mooring lines 16 which thus limit the movement of the wind turbine in a horizontal plane (movements of caval and yaw) as well as the yaw motions of the float 14.
  • These aerodynamic forces can in addition to hydro- horizontal dynamics which are also taken up by the anchor lines.
  • the buoyancy of Archimedes P which is exerted in the center of the hull C of the float 14, and the sum of the weights of the float 14, mp, and the weight m ⁇ of the assembly formed by the turbomachine 12 extended by the connecting member 70, and wetting lines 16, which is exerted at the center of gravity G of the wind turbine, also located in the float 14, are substantially vertical and offset each other.
  • the determination of the Archimedes thrust and therefore of the volume of the submerged hull 49 is constrained by the set of weights to be supported which are fixed in advance: turbomachine 12 and damping lines 16. Only the weight of the float 14 offers a margin maneuver knowing also that for issues of cost, the weight of material used should be reduced.
  • the bearing 82 is essentially a radial bearing while the bearing 84 is a radial and axial bearing.
  • the bearing 84 is therefore the only one of the two bearings 82, 84 to absorb the axial loads related to the weight m ⁇ of the turbomachine 12, the connecting member 70 and the wetting lines 16.
  • these loads s' apply essentially at level 84, in P j , so that the center of gravity G of the wind turbine is in fact defined by the relation:
  • Gp is the center of gravity of the float 14 and where the distances, measured in the vertical direction, are signed, namely the distance signed EF is positive when the point F is above the point E and is negative when the point F is below the point E.
  • the positioning of the location P j of the lower bearing 84 below the hull center C promotes the lowering of the center of gravity G below the center of hull C.
  • the organs heavy and bulky power conversion Mecani ⁇ / electric in particular the generator 65, arranged at the lower end of the submerged part of the float 14 in the lower decks 64, contribute to lowering the position of the center of gravity Gp float below the hull center C and also favor the lowering of the center of gravity G below the center of hull C.
  • the increase in the distance signed GC is favorable to the stability static of the wind turbine 10, 40.
  • the wind turbine tends to tilt by an angle ⁇ . This moment must be compensated to bring back the axis A in the vertical direction.
  • the moment of recovery M results from a triple effect.
  • the first effect is related to the fixing point of the anchoring lines 16.
  • the anchoring lines 16 may be connected to a position L such that the distance A r L is minimized and, the distance A r Pg being given elsewhere, such that the distance LPg is as small as possible.
  • the first term translates the lateral displacement of the center of careen C which deviates from the axis of symmetry A of the floating hull 49.
  • the metacentric point H located above C at a proportional distance in the case considered at the ratio of the square of the radius of the floating hull 49 on its height, if one assimilates the hull to a disk.
  • it is necessary to expand radially shell 49 and shorten the axial elongation. It is this stabilizing effect that is favored in multifunctional wind turbines that have a wide base.
  • the second term reflects the effect implemented in the physics apparatus called ludion. This effect assumes, of course, that the center of gravity is located below the hull center of the float 14. It is this stabilizing effect which is favored on the contrary in wind turbines with submerged weights housed in the bottom of thin and elongated structure ( in English SPAR). This effect is also favored by the embodiments described above, without the first effect being neglected. So as announced above, the increase of the distance signed GC is favorable to the static stability of the wind turbine 10, 40. The elongation of the floating hull 49 offers a greater latitude to increase both the distances GC and PjPs / which makes it possible both to amplify the rectifying torque and to relieve the radial bearings .
  • the proximity of the upper deck 54 of the sea surface 18 causes the weight of the elements arranged in the upper deck 54 to cause a negligible moment of tilting of the wind turbine 10, 40.
  • Mecani ⁇ / electrical (generator 65 and the electrical equipment 100) of the wind turbine 10, 40 are located below the wind center of gravity 10, 40.
  • the weight of the conversion components mechanical / electrical energy no longer favor the tilting of the wind turbine 10, 40.
  • Access and maintenance of the wind turbine 10, 40 is simplified. Indeed, as the upper high deck 54 is at the foot of the turbomachine 12 above the water level 18, the access and the evacuation of the bridge 54 can be made simply by traps. The presence of the sea in the vicinity of the steerage deck 54 also dampens the temperature differences at the level of the steerage deck 54. It is therefore possible not to provide for thermal regulation systems in the steerage deck 54. alternatively, it is possible to provide thermal control systems using seawater that is easily accessible. In addition, the access to the generator 65 which is located in the hull 49 is facilitated, for example by the tweeter 60.
  • the stresses exerted on the generator 65 are reduced.
  • the shaft 90 transmits to the generator 65 the sum of the torques delivered by the turbines of the turbine column without the bending stresses and the constraints along the axis D which are taken up by the holding structure 36 of the turbomachine 12 and transmitted to the floating shell 49 via the connecting structure 70. Therefore, the design of the generator 65 can be simplified. In particular, in the case where the generator 65 is direct drive and permanent magnets, it is easier to maintain the play of the gap of the generator in the ranges necessary for the proper operation of the generator 65.
  • the drive shaft 90 directly connects the column of turbines to the rotor of the generator 65.
  • the moment of inertia of the rotor is high.
  • a large gyroscopic effect thus contributes to further stabilizing the axis A of the float 14 in the vertical direction.
  • a smoothing of the rotational speed of the rotor of the generator 65 is obtained.
  • each turbine 30 drives a hydraulic pump
  • the use of a hydraulic transmission system 89 allows the implementation of different types of servo-control between the pump 110 or the hydraulic pumps 117, 118, 120, 122 and the hydraulic motor 116, for example to protect the turbomachine 12 against the jolts of operation due to gusts of wind or to provide a function of braking in case of emergency stop.
  • FIG. 7 represents another exemplary embodiment of a wind turbine 150.
  • the wind turbine 150 has a structure similar to the wind turbine 10 shown in FIG. 1, with the difference that the floating shell 49 comprises a portion of reduced section 152, forming a collar. or constriction, at the level of the float water line 14.
  • the waterline 153 is shown in dashed lines in FIG. 7 and corresponds to the line which separates the submerged part of the floating hull 49 from the emergent part of the floating hull 49.
  • the collar 152 makes it possible to reduce the impact of the waves on the floating hull 49.
  • the floating hull 49 can be fixed to the seabed 154 by a stretched line 156 which connects the lowest point 158 of the floating hull 49 to an anchoring system 160 fixed to the seabed 154.
  • the line 156 is stretched permanently.
  • Line 156 may be composed of one or more tendons which may include steel pipes, metal cables ⁇ lic or cords of synthetic fibers or a combination of these materials.
  • Line 156 advantageously makes it possible to reduce the heave movements of float 14 without having to contribute to the limitation of horizontal displacements, which is the objective assigned to the waterlines 16. For this, the pretension of line 156 can be reduced thus relieving the overall downward force that must overcome the float through the force of Archimedes.
  • the rigidity of the line 156 can also be reduced resulting in the use of less material on the one hand and on the other hand avoiding the decrease in the proper period of heave which must remain important as explained below.
  • FIG. 8 is a diagrammatic section of the float 14 of the wind turbine 10, 40 described above in relation to FIGS. 1 to 7 in a plane perpendicular to the axis A at the level of the steerage 60.
  • the steerage 60 may be divided into compartments 160 separated by bulkheads 162 substantially vertical. Each partition 162 extends between the floating hull 49 and the duct 66 over the entire height of the tweeter 60.
  • eight compartments 160 are shown in FIG. 8.
  • the float 14 may comprise a filling device 164. and selectively emptying the compartments 160 independently of each other in seawater.
  • the device 164 may provide a means for adjusting the pitching and rolling periods of the floating hull 49.
  • the proper periods of pitching and rolling must also be removed from heave periods in order to avoid the coupling of these movements.
  • the proper period of heave decreases with the flotation surface (section of the floating hull 49 at the waterline 153).
  • the portion 152 of reduced section shown in Figure 7 can amplify this period well beyond the proper periods of pitching and rolling. On the contrary, it can be set at a value lower than the dangerous range (below 10 seconds) by keeping the same diameter or by increasing the rigidity of the pretension line

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Abstract

L'invention concerne une éolienne flottante (10) comprenant un flotteur (14) et une turbomachine reposant sur le flotteur,le flotteur comprenant une coque flottante (49), la turbomachine comprenant au moins une colonne de turbines à flux transverse et une structure de maintien des turbines, la structure de maintien se prolongeant par un organe de liaison (70), situé dans la coque flottante et relié à la coque flottantes selon une liaison à pivot par au moins des premier et deuxième paliers(84, 82) situés dans la coque flottante, le premier palier (84) étant situé au-dessous du centre de carène de la coque flottante, l'éolienne comprenant une génératrice (65) entraînée par les turbines et située dans la coque flottante sous ledit centre de carène..

Description

ÉOLIENNE FLOTTANTE À AXE VERTICAL
AVEC STABILITÉ DE FLOTTAISON AMÉLIORÉE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne une éolienne flottante, notamment pour une utilisation au large des côtes.
Exposé de 1 ' art antérieur
La plupart des éoliennes installées sur la terre ferme comprennent des turbines à flux axial comportant généralement trois pales et dont l'axe de rotation est parallèle à la direction du vent. Les pales sont maintenues par une nacelle à l'extrémité supérieure d'un mât. Les autres éoliennes terrestres comprennent des turbines à flux transverse dont l'axe de rotation est perpendiculaire à la direction du vent, et agencé horizontalement ou le plus souvent verticalement. Les pales de 1' éolienne entraînent en rotation un arbre qui entraîne à son tour un générateur électrique.
Une tendance actuelle est à l'installation d' éoliennes au large des côtes car le vent y est plus intense et plus constant. De telles éoliennes sont appelées éoliennes en mer. Les éoliennes en mer actuellement en activité comprennent également des turbines à flux axial. L'extrémité inférieure du mât maintenant la turbine à flux axial est fixée au fond marin. Dans un sol souple, l'extrémité inférieure du mât peut être enfoncée dans le sol, tandis que dans un sol dur, l'extrémité inférieure du mât peut être pourvue d'une embase en béton, posée sur le fond marin. Des structures constituées d'un treillis de tubes soudés (appelées en anglais « jacket ») peuvent également être utilisées pour fixer la turbine axiale au fond marin. De telles éoliennes en mer ne peuvent donc être installées que sur des profondeurs d'eau peu importantes, de l'ordre de quelques dizaines de mètres. Toutefois, les sites à faible profondeur sont en nombre limité et ne sont pas toujours exploitables pour l'installation d' éoliennes. Il est donc souhaitable de concevoir des éoliennes en mer dont l'installation peut être réalisée en s 'éloignant davantage du rivage. L'éolienne comprend alors une structure de support en partie immergée qui comporte au moins un flotteur qui est, par exemple, relié au fond marin par des lignes d'ancrage. De telles éoliennes sont appelées éoliennes flottantes .
La réalisation d'une éolienne flottante à turbine à flux axial présente des inconvénients. En effet, l'accès à la nacelle qui contient généralement le générateur électrique est difficile.
Un premier inconvénient de l'utilisation d'une turbine à flux axial est que la masse de la nacelle et des pales peut entraîner l'apparition d'un moment important de basculement de l'éolienne qui doit être compensé.
Un deuxième inconvénient de l'utilisation d'une turbine à flux axial tient au système d' orientation de la nacelle qui incorpore un équipement auxiliaire de correction de lacet du rotor pour positionner le rotor face au vent. Cet équipement est indispensable sur les grandes éoliennes, la nacelle étant trop lourde pour être orientée dans le vent par une dérive. Cet équipement exige un surcroît d'entretien.
Un troisième inconvénient de l'utilisation d'une turbine à flux axial est la chute de fiabilité avec la nécessaire montée en puissance des éoliennes flottantes. En mer, les éoliennes souffrent d'un coût d'installation et de fonction- nement plus élevé que sur terre. Pour rentabiliser l'instal¬ lation d'une éolienne, la tendance est donc à l'augmentation de la puissance des turbines (5 à 6 MW) et à l'allongement des pales. Toutefois, en mer, les éoliennes doivent accroître leur fiabilité, maximiser leur disponibilité et réduire les coûts de maintenance. Certains organes suivent mal ces contraintes antagonistes. En effet, les moyeux s'usent vite sous les charges croissantes induites par les pales. En outre, le gigantisme des pales requiert la mise en oeuvre d'engins spécialisés et de procédures exceptionnelles pour leur transport sur le site, leur fixation sur le mat, leur réparation, la fixation de la turbine sur la structure de maintien, etc. De plus, un multiplicateur de vitesse doit généralement être prévu entre la turbine et la génératrice. Ce multiplicateur de vitesse constitue l'une des principales sources d'avaries rencontrées ces dernières années sur les éoliennes flottantes à turbine à flux axial en fonctionnement. L'utilisation d'une génératrice à aimant permanent permet, en principe, de supprimer le multiplicateur de vitesse au prix d'un organe de taille imposante qui accentue l'instabilité de la nacelle évoquée ci-dessus.
Un quatrième inconvénient de l'utilisation d'une turbine à flux axial est qu'il est nécessaire d'introduire des régulations thermiques pour les paliers de la turbine et leur graissage, en raison des contraintes climatiques des zones où se rencontrent les meilleurs régimes de vents. En haut des nacelles, les plages de température ambiante peuvent ainsi aller de -10 à +40°C.
Des exemples d' éoliennes flottantes à turbines à flux transverse ont été décrits . Le premier inconvénient décrit précédemment est réduit puisque de telles éoliennes flottantes permettent notamment de loger le générateur électrique dans le flotteur ou sur le flotteur, ce qui facilite la stabilisation de l'éolienne. A titre d'exemple, le document WO03089787 décrit une éolienne flottante composée de deux turbines à flux transverse superposées à axe vertical et contrarotatives . La demande de brevet WO2011056425 décrit une éolienne flottante dans laquelle le flotteur comprend une portion mobile entraînée en rotation par une turbine à flux transverse et tournant autour d'une portion flottante centrale reliée au fond marin par des lignes d'ancrage.
Le deuxième inconvénient mentionné précédemment est également supprimé. En effet, une turbine à flux transverse est insensible à la direction du vent et ne nécessite pas de mécanisme auxiliaire de correction de lacet.
Le troisième inconvénient est en principe fortement réduit. Les turbines à flux transverse se prêtent facilement à l'intégration dans une même éolienne de plusieurs turbines, réduisant ainsi la taille de celles-ci, pour un maître couple final de l' éolienne équivalent. Les turbines à flux transverse peuvent être ainsi empilées en une ou deux colonnes, chaque colonne entraînant en rotation un ou plusieurs arbres coaxiaux verticaux qui transfèrent leur puissance à une seule génératrice mutualisée. La verticalité de l'axe induit par ailleurs sur les arbres d'entraînement des moments fléchissant moindres.
Le quatrième inconvénient disparait, les diverses machines de la conversion électromécanique étant logées dans le flotteur.
Un des inconvénients de l'utilisation de turbines à flux transverse est le rendement inférieur obtenu par rapport à des turbines à flux axial. Pour remédier à cela, il est possible d' introduire de part et d' autre des turbines des carénages de type diffuseur qui accélèrent le vent vu par les turbines, augmentant ainsi leur rendement et participant par ailleurs à la structure de maintien des turbines. Pour de telles turbomachines constituées de turbines à flux transverses carénées mais aussi empilées comme proposé précédemment, la demanderesse a déposé un ensemble de demandes de brevet. Parmi ces dernières, on peut mentionner les demandes de brevet PCT/FR2006/050135 (B6869) et PCT/FR2008/051917 (B8450) et les demandes de brevet français N° 10/59154 (B10563), PCT/FR2011/052781 (B10341) et N° 11/56768 (B11141) .
Toutefois, il est alors nécessaire de prévoir un système pour orienter ces turbomachines convenablement par rapport à la direction du vent, à cause de la présence des carénages mais qui ont gardé néanmoins, dans certaines conditions, un caractère auto-orientable face au vent comme décrit dans la demande N°10/59154 (B10563) .
Toutefois, le poids de la colonne de turbines et de la structure de maintien associée et les efforts exercés par le vent sur la colonne de turbines et sur la structure de maintien associée peuvent entraîner un moment qui peut favoriser le basculement de l'éolienne flottante et qui peut être difficile à compenser.
II serait donc souhaitable de proposer une éolienne flottante comprenant une turbomachine émergée constituée d'une ou de deux colonnes de turbines à flux transverse carénées, chaque colonne de turbines pouvant s'orienter convenablement par rapport à la direction du vent et conservant sa verticalité dans les conditions de fonctionnement normales de l'éolienne.
Résumé
Un objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des éoliennes flottantes à turbines à flux transverse mentionnés précédemment .
Un objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est d' augmenter le rendement énergétique de la turbomachine émergée d'une éolienne flottante, constituée d'une ou de deux colonnes de turbines à flux transverse.
Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est d'assurer la flottabilité de la turbomachine à l'aide d'une structure de support immergée ou flotteur, le flotteur laissant la turbomachine libre en rotation dans le vent suivant un axe de rotation vertical. Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est de compenser, par le flotteur, les moments de roulis et de tangage que la turbomachine exerce sur le flotteur.
Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est de limiter à l'aide du système d'ancrage les déplacements horizontaux de l'éolienne.
Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est de limiter la traînée que les vagues exercent sur le flotteur.
Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est de limiter à l'aide du système d'ancrage le mouvement de pilonnement de l'éolienne.
Un aspect d'un exemple de réalisation de l'invention prévoit une éolienne flottante comprenant un flotteur et une turbomachine reposant sur le flotteur, le flotteur comprenant une coque flottante, la turbomachine comprenant au moins une colonne de turbines à flux transverse et une structure de maintien des turbines, la structure de maintien se prolongeant par un organe de liaison, situé dans la coque flottante et relié à la coque flottante selon une liaison à pivot par au moins des premier et deuxième paliers situés dans la coque flottante, le premier palier étant situé au-dessous du centre de carène de la coque flottante, l'éolienne comprenant une génératrice entraînée par les turbines et située dans la coque flottante sous ledit centre de carène.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'organe de liaison s'étend sur plus de la moitié de la hauteur de la coque flottante, le deuxième palier étant situé au-dessus dudit centre de carène, le deuxième palier étant un palier radial et n'étant pas un palier axial et le premier palier étant un palier radial et axial.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque turbine comprend un arbre d'entraînement, les arbres d'entraînement des turbines de la colonne étant reliés les uns aux autres, l'organe de liaison comprenant un système de transmission reliant, à la génératrice, l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la colonne.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système de transmission comprend un arbre d'entraînement de liaison reliant, à la génératrice, l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la colonne.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système de transmission comprend une pompe hydraulique entraînée par l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la colonne, la pompe hydraulique étant reliée à un moteur hydraulique entraînant la génératrice.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la turbomachine comprend une colonne supplémentaire de turbines à flux transverse, les arbres d'entraînement des turbines de la colonne supplémentaire étant reliés les uns aux autres, le système de transmission reliant, en outre, à la génératrice, l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la colonne supplémentaire .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la coque flottante est à symétrie de rotation et a, suivant un plan méridien, le profil transversal de la coque d'un navire, le rapport entre la hauteur de la coque flottante et le diamètre maximal de la coque flottante variant de 1,5 à 5.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le flotteur comprend des compartiments et un dispositif de remplissage et de vidage en eau de chaque compartiment indépen¬ damment les uns des autres.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le flotteur comprend au moins un premier entrepont, un deuxième entrepont sous le premier entrepont, un troisième entrepont sous le deuxième entrepont, et un conduit traversant le deuxième entrepont et reliant le premier entrepont au troisième entrepont, la génératrice étant située dans le troisième entrepont, la structure de maintien étant reliée au flotteur par les premier et deuxième paliers, le deuxième palier étant dans le premier entrepont, le premier palier étant dans le troisième entrepont ou étant dans le conduit, plus près du troisième entrepont que du premier entrepont.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la coque flottante a une section réduite au niveau de la ligne de flottaison.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'éolienne comprend des lignes d'ancrage non prétendues, rayonnant depuis la coque flottante et destinées à relier le flotteur au fond marin.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'éolienne comprend, en outre, une ligne tendue reliée au point le plus bas du flotteur et destinée à être reliée au fond marin.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la structure de maintien comprend, pour chaque turbine, des montants verticaux de part et d'autre de la turbine et au moins un plateau horizontal fixé aux montants verticaux, la turbine étant reliée au plateau horizontal par une liaison pivotante.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque turbine comprend un arbre d'entraînement, les arbres d'entraînement des turbines n'étant pas reliés les uns aux autres, chaque arbre d'entraînement étant relié à la génératrice par un système de transmission hydraulique comprenant une pompe hydraulique située dans le plateau.
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
les figures 1 et 2 représentent, de façon schématique, deux exemples de réalisation d'une éolienne flottante à turbines à flux transverse selon 1 ' invention ; les figures 3 à 6 sont des vues en perspective avec coupe d'exemples de réalisation d'un flotteur de l'éolienne flottante selon l'invention ;
la figure 7 représente, de façon schématique, un autre exemple de réalisation du flotteur selon l'invention ; et
la figure 8 est une section schématique du flotteur de l'éolienne flottante de la figure 1 selon un plan perpen¬ diculaire à l'axe de rotation des turbines de l'éolienne.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.
Description détaillée
Seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention sont décrits et représentés sur les figures. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près". En outre, les termes "supérieur", "inférieur", "au- dessus", "au-dessous", "sommet" et "base" sont définis par rapport à l'axe de rotation des turbines de l'éolienne qui correspond, par exemple, sensiblement à la direction verticale.
La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un exemple de réalisation d'une éolienne flottante 10 selon l'invention. L'éolienne flottante 10 comprend une turbomachine 12 reposant sur un flotteur 14. Le flotteur 14 est relié au fond marin, non représenté, par des lignes d'ancrage 16. Le niveau des eaux est représenté de façon schématique par la ligne 18. Le centre de carène du flotteur 14 correspond au centre géométrique du volume immergé du flotteur 14, c'est-à-dire le centre de gravité du volume d'eau déplacée par le flotteur 14.
La turbomachine 12 comprend un empilement de plusieurs étages 20. A titre d'exemple, quatre étages 20 sont représentés en figure 1. Le nombre d'étages varie, par exemple, de 2 à 10.
Chaque étage 20 comprend :
-un châssis 21 assurant la rigidité de l'ensemble et comprenant des montants latéraux 22, un panneau horizontal supérieur 26 et un panneau horizontal inférieur 28 reliés aux montants latéraux 22 ; et
-une turbine à flux transverse 30 disposée entre les montants latéraux 22 et les plateaux 26, 28 susceptible de tourner autour d'un axe D, par exemple sensiblement vertical.
Les montants latéraux 22 d'un étage 20 sont dans le prolongement des montants latéraux 22 de l'étage adjacent au- dessus et/ou de l'étage adjacent au-dessous dans l'empilement d'étages. Les montants 22 des étages 20 peuvent correspondre à un élément monobloc ou à des éléments distincts. Les turbines 30 de deux étages 20 successifs sont séparées par un plateau horizontal 31 formé par le panneau supérieur 26 de l'étage 20 inférieur et le panneau inférieur 28 de l'étage 20 supérieur. Chaque montant latéral 22 a une forme profilée pour jouer, en outre, le rôle d'un carénage.
La turbine à flux transverse 30 comprend un arbre d'entraînement 32 d'axe D et des moyens adaptés à entraîner l'arbre 32 en rotation autour de l'axe D sous l'action du vent notamment lorsque le vent a une direction approximativement perpendiculaire à l'axe D. L'arbre d'entraînement 32 est maintenu aux panneaux 26, 28 par des paliers 34. Les turbines 30 empilées forment une colonne 35 de turbines 30 ou empilement de turbines. Les montants 22 et les plateaux 31 de l'ensemble de la turbomachine 12 sont solidaires les uns des autres pour former la structure de maintien 36 de la colonne 35 de turbines 30.
Les arbres d'entraînement 32 des turbines 30 peuvent être reliés les uns aux autres pour former l'arbre d'entraînement d'axe D de la colonne de turbines. La colonne 35 de turbines 30 entraîne un générateur électrique (non visible en figure 1) contenu dans le flotteur 14.
Selon un exemple de réalisation, les arbres 32 des turbines 30 sont indépendants les uns des autres. Dans ce cas, chaque arbre 32 peut entraîner une pompe hydraulique, disposée par exemple au niveau des montants 22. La pompe hydraulique entraîne un moteur hydraulique relié au générateur électrique qui est logé dans le flotteur 14. Les axes de rotation des turbines 30 peuvent alors ne pas être confondus. Un tel exemple autorise un fonctionnement autonome de chaque turbine 30 de la turbomachine 12. En particulier, si une turbine, victime une avarie, se trouve bloquée, les autres turbines peuvent continuer de fonctionner.
Selon un exemple de réalisation, les arbres 32 sont reliés les uns aux autres et l'arbre de rotation de l'étage 20 à la base de la turbomachine 12 entraîne le générateur électrique logé dans le flotteur 14, comme cela sera décrit plus en détail par la suite. Les arbres 32 des turbines 30 peuvent former un arbre monobloc d'axe D maintenu par les plateaux 31. A titre de variante, les arbres 32 des turbines 30 peuvent être des éléments distincts. Des dispositifs d'accouplement, non visibles, entre les arbres 32 associés à deux turbines adjacentes peuvent être prévus dans les plateaux 31. Il peut s'agir d'accouplements flexibles ou élastiques.
Chaque montant latéral 22 a une forme profilée pour jouer, en outre, le rôle d'un carénage. Pour chaque étage, les carénages 22 favorisent l'aspiration du flux d'air vers la turbine 30. Au-delà de chaque turbine 30, l'écoulement s'engage dans une partie divergente obtenue grâce à l' éloignement graduel des carénages 22 l'un de l'autre.
La turbine 30 peut être n'importe quel type de turbine à flux transverse. Plus particulièrement, il peut s'agir d'une turbine à flux transverse comprenant des pales 38 entraînant en rotation l'arbre 32 sous l'action de forces de portance.
L'envergure de chaque pale 38, mesurée selon l'axe D, peut varier de 1 à 20 mètres. Dans un plan perpendiculaire à l'axe D, les pales 38 suivent en fonctionnement un cercle centré sur l'axe D dont le diamètre peut varier de 1 à 15 mètres. La hauteur de la pale 38 rapportée au diamètre (hauteur relative) peut varier de 0,5 à 3.
A titre d'exemple, la turbine à flux transverse est une turbine du type Darrieus ou du type Gorlov, par exemple, les turbines décrites dans la publication "Helical Turbines for the Gulf Stream: Conceptual Approach to Design of a Large-Scale Floating Power Farm" de Gorlov (Marine Technology, vol. 35, n°3, Juillet 1998, pages 175-182, etc.).
Par ailleurs, la demanderesse a déposé un ensemble de demandes de brevet sur des turbines à flux transverse mues par des forces de portance dans des demandes de brevet décrites précédemment. Les turbines 30 peuvent correspondre aux turbines décrites dans ces demandes de brevet.
La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un autre exemple de réalisation d'une éolienne flottante 40 qui, par rapport à l' éolienne flottante 10 représentée en figure 1, comprend des première et deuxième colonnes 35 de turbines 30 juxtaposées dont les axes de rotation D et D' sont parallèles. Les colonnes 35 de turbines et la structure de maintien 36 des colonnes 35 de turbines reposent sur le flotteur 14.
Chaque étage 20 de 1 'éolienne 40 comprend deux turbines 30, l'une appartenant à la première colonne de turbines et 1 ' autre appartenant à la deuxième colonne de turbines . L'arbre de rotation 32 de chaque turbine 30 est maintenu par le panneau supérieur 26 et le panneau inférieur 28 associés. Le châssis 21 de chaque étage 20 comprend, en plus des carénages 22 et des panneaux 26, 28, un montant central 42 interposé entre les deux turbines 30 de l'étage 20. Chaque panneau supérieur 26 s'étend entre l'un des carénages 22 et le montant central 42. Les montants centraux 42 des étages 20 peuvent correspondre à un élément monobloc ou à des éléments distincts par étage.
A titre d'exemple, pour l' éolienne 10 comprenant une seule colonne 35 de turbines, la distance entre les bords d'attaque des carénages 22 peut varier de 1,5 à 20 mètres. Pour 1' éolienne 40 comprenant deux colonnes 35 de turbines, la distance entre les bords d'attaque des carénages 22 peut varier de 3,5 à 40 mètres.
La figure 3 est une vue en perspective avec coupe d'un exemple de réalisation du flotteur 14 de l' éolienne 10, seul le plateau 31 à la base de la turbomachine 12 étant représenté. Le flotteur 14 comprend une coque flottante 49 contenant l'ensemble des autres éléments formant le flotteur 14. La coque flottante 49 peut présenter une symétrie de rotation par rapport à un axe A vertical. De préférence, pour l'éolienne 10, l'axe A correspond à l'axe D. A titre d'exemple, la section de la coque flottante 49 dans un plan perpendiculaire à l'axe A peut suivre un cercle, un polygone ayant un nombre de côtés supérieur ou égal à cinq, une étoile à plus de cinq branches, une courbe proche des courbes précédentes, et de façon générale, une courbe qui n'a pas de dimensions privilégiées. A titre d'exemple, la coque flottante 49 peut posséder une surface de révolution autour de l'axe A. Selon une section méridienne dans un plan contenant l'axe A, la coque flottante 49 peut avoir le profil transversal de la coque d'un navire. Le matériau utilisé pour réaliser la coque flottante 49 peut être identique au matériau utilisé pour réaliser la coque des navires actuels.
Le diamètre maximal de la coque flottante 49 peut varier de 1,5 à 5 fois la distance entre les bords d'attaque des carénages 22 de l'étage 20 à la base de la turbomachine 12. Le rapport entre la hauteur, mesurée selon l'axe A, et le diamètre maximal de la coque flottante 49 peut varier de 0,5 à 5. De préférence, la coque flottante 49 a une forme allongée et le rapport entre la hauteur, mesurée selon l'axe A, et le diamètre maximal de la coque flottante 49 peut varier de 1,5 à 5.
Le flotteur 14 peut comprendre un pont supérieur 50 et un pont intermédiaire 52, au-dessous du pont supérieur 50. En figure 3, le pont supérieur 50 est représenté avec une forme tronconique et comprend une ouverture 51 cylindrique d'axe A. Toutefois, l'angle du tronc de cône peut être très faible, par exemple inférieur à quelques degrés, de façon que des équipements, notamment des grues, puissent être disposés sur le pont supérieur 50. L'espace prévu entre le pont supérieur 50 et le pont intermédiaire 52 constitue un entrepont supérieur 54. L'entrepont 54 peut jouer en partie le rôle d'une zone de stockage. Des instruments de contrôle, de commande, des systèmes de régulation thermique, des machines de traitement de l'air peuvent être prévus dans l'entrepont 54 qui apparaît alors comme une salle des machines. L'entrepont supérieur 54 peut-être au moins en partie au-dessous du niveau des eaux 18.
La partie immergée du flotteur 14 sous le pont intermédiaire 52 assure la flottabilité de l'éolienne 10. Le flotteur 14 comprend un autre pont intermédiaire 58, au-dessous du pont intermédiaire 52, qui délimite un entrepont inter- médiaire 60 avec le pont intermédiaire 52. Le flotteur 14 comprend, en outre, un pont inférieur 62, au-dessous du pont intermédiaire 58, qui délimite avec le pont intermédiaire 58 un entrepont inférieur 64 à l'extrémité inférieure du flotteur 14. Les organes pesants et volumineux de conversion d'énergie mécanique/électrique, en particulier la génératrice 65, sont situées dans l'entrepont inférieur 64. Un conduit central cylindrique 66, étanche, d'axe A relie le pont 52 au pont 58. Le conduit 66 débouche à une extrémité sur l'entrepont supérieur 54 et à l'extrémité opposée sur l'entrepont inférieur 64. Un lest fixe 68 peut être prévu sous le pont inférieur 62.
Les lignes de mouillage 16 relient la coque flottante 49 au fond marin. Les lignes de mouillage 16 sont souples. Au minimum trois lignes de mouillage 16 peuvent être utilisées. Les lignes de mouillage 16 peuvent s'éloigner en éventail de la coque flottante 49 et sont fixées chacune au fond marin au moyen d'une ancre ou d'un pieu, non représenté. Les lignes de mouillage 16 peuvent être des chaînes, des câbles d'acier, des cordages synthétiques, etc.
La turbomachine 12 est montée sur le flotteur 14 de façon que la turbomachine 12 puisse tourner par rapport au flotteur 14 autour d'un axe sensiblement vertical selon une liaison de type pivot. De préférence, l'axe de rotation de la turbomachine 12 par rapport au flotteur 14 correspond à l'axe A. De ce fait, la structure de maintien 36 de la colonne 35 de turbines est susceptible de pivoter par rapport au flotteur 14 autour de l'axe A. La structure de maintien 36 de la turbomachine 12 est prolongée par le bas et solidaire d'une structure de liaison 70, comprenant une portion cylindrique creuse supérieure 72, d'axe A, partiellement fermée en partie supérieure par une plaque 74 plane perpendiculaire à l'axe A. La portion cylindrique 72 se prolonge en partie inférieure, par l'intermédiaire d'une portion annulaire 76, par une portion cylindrique creuse inférieure 78, coaxiale à la portion cylindrique 72 et de diamètre inférieur. La portion cylindrique 72 est disposée en partie dans l'entrepont supérieur 54. La plaque 74 est située au niveau de l'ouverture 51 du pont supérieur 50. La portion cylindrique 78 s'étend dans le conduit 66. La portion cylindrique 78 est munie d'une collerette 80 à son extrémité inférieure.
Le plateau 31 situé à la base de la turbomachine 12 est, par exemple, fixé à la plaque 74. Un palier radial étanche 82 est prévu dans l'entrepont 54 et permet la rotation de la portion cylindrique supérieure 72 par rapport à la coque flottante 49 autour de l'axe A. Le palier 82 est situé au-dessus du centre de carène du flotteur 14 lorsque l'axe A est vertical.
Un palier radial est un palier qui empêche les déplacements de l'arbre maintenu par le palier dans une direction perpendiculaire par rapport à l'axe de l'arbre. Un palier radial et axial étanche 84 est prévu dans l'entrepont 60 à l'extrémité inférieure de la portion cylindrique 78. Le palier radial et axial 84 est prévu par exemple au niveau de la collerette 80. Le palier 84 est situé au-dessous du centre de carène du flotteur 14 lorsque l'axe A est vertical. Un palier axial est un palier qui empêche les déplacements de l'arbre maintenu par le palier selon l'axe de l'arbre. Les paliers 82, 84 peuvent comprendre des roulements à rouleaux, des roulements coniques à une ou deux rangées, des paliers lisses, etc. Chaque palier 82, 84 peut comprendre plusieurs paliers.
Le flotteur 14 comprend un système de transmission 89 de l'énergie mécanique fournie par la colonne 35 de turbines à la génératrice 65. Dans le présent exemple de réalisation, le système de transmission 89 est essentiellement mécanique et comprend un arbre d'entraînement 90 d'axe A. L'arbre de rotation 90 s'étend notamment dans les portions cylindriques 72 et 78 et dans l'entrepont inférieur 64. L'extrémité supérieure de l'arbre 90 est reliée à l'arbre de rotation 32, non représenté en figure 3, de la turbine à la base de la colonne 35 de turbines. L'extrémité inférieure de l'arbre 90 est reliée à la génératrice 65. La colonne de turbines entraîne en rotation l'arbre 90 qui, à son tour, entraîne en rotation directement la génératrice 65. L'arbre 90 est maintenu par un palier radial et axial étanche 92 fixé au plateau 31 à la base de la turbomachine 12. L'arbre 90 est, en outre, maintenu par un palier radial et axial 94 fixé au pont inférieur 62. Des paliers supplémentaires, non représentés, peuvent être prévus, par exemple dans le conduit 66, pour le maintien de l'arbre 90. Les paliers supplémentaires situés au- dessus du centre de carène peuvent être des paliers seulement radiaux .
Le lest 68 peut être remplacé par un volant d'inertie entraîné par l'arbre 90.
La génératrice 65, représentée schématiquement en figure 3, comprend, par exemple, un rotor 96 entraîné directement en rotation par l'arbre 90 et un stator 98 entourant le rotor 96. Il peut s'agir d'une génératrice à attaque directe à aimants permanents multipolaires. Il peut également s'agir d'un alternateur synchrone à rotor bobiné. Il peut également s'agir d'une génératrice asynchrone, un multiplicateur de vitesse pouvant alors être prévu entre l'arbre 90 et le rotor de la génératrice et/ou entre l'arbre 90 et l'arbre 32 de la turbine à la base de la colonne 35 de turbines. Des équipements électriques 100 récupèrent l'énergie fournie par la génératrice 65, qui est transmise par un câble 102.
En fonctionnement, la colonne de turbines entraîne en rotation l'arbre 90 qui, à son tour, entraîne la génératrice 65. La liaison de type pivot entre la turbomachine 12 et le flotteur 14 permet d'orienter la turbomachine 12 selon la direction du vent pour augmenter le rendement de la turbomachine 12.
La figure 4 est une vue en perspective avec coupe d'un exemple de réalisation du flotteur 14 de l'éolienne 40, seule la base de la turbomachine 12 étant représentée. Le plateau 31 à la base de la structure de maintien 36 de chaque colonne de turbines est fixé à la plaque 74. L'axe de rotation de la turbomachine 12 par rapport au flotteur 14 est parallèle aux axes D et D' de rotation des deux colonnes de turbines et correspond de préférence à l'axe A. Le flotteur 14 de l'éolienne 40 représenté en figure 4 a la même structure que le flotteur 14 de l'éolienne 10 représenté en figure 3 à la différence que les arbres de rotation 32 à la base des colonnes de turbines sont reliés à l'arbre de rotation 90 par l'intermédiaire d'un système de transmission 102, prévu par exemple dans la portion cylindrique 72, et non représenté en détail. Le système de transmission 102 peut être un système de transmission mécanique. Il peut inclure des trains d'engrenages, comme le système décrit dans la demande de brevet PCT/FR2008/051917.
La figure 5 est une vue analogue à la figure 3 d'un autre exemple de réalisation du flotteur 14 qui a la même structure que la structure du flotteur 14 représenté en figure 3 à la différence que le système de transmission 89 qui relie l'arbre de rotation 32 de la turbine à la base de la colonne 35 de turbines et la génératrice 65 est un système hydraulique.
L'éolienne 10 comprend une pompe hydraulique 110, par exemple à cylindrée variable, logée dans la portion cylindrique 72, et entraînée par l'arbre de rotation 32. Des conduites 112, 114 relient la pompe hydraulique à un moteur hydraulique 116 logé à proximité de la génératrice 65. Il peut s'agir d'un moteur hydraulique 116 à cylindrée variable, par exemple un moteur hydraulique 116 à engrenages. Le moteur hydraulique 116 entraîne en rotation le rotor 96 de la génératrice 65.
Selon un autre exemple de réalisation, lorsque les arbres 32 des turbines 30 d'une colonne sont indépendants les uns des autres et que chaque arbre 32 entraîne une pompe hydraulique logée dans le plateau 31, les pompes hydrauliques peuvent être reliées au moteur hydraulique 116.
La figure 6 est une vue en perspective avec coupe d'un exemple de réalisation du flotteur 14 de l'éolienne 40, seule la base de la turbomachine 12 étant représentée. Le plateau 31 à la base de la structure de maintien de chaque colonne de turbines est fixé à la plaque 74. Le flotteur 14 de l'éolienne 40 représenté en figure 6 a la même structure que le flotteur 14 de l'éolienne 10 représenté en figure 5 à la différence que l'arbre de rotation 32 à la base de chaque colonne de turbines entraîne une pompe hydraulique 117, 118. Les pompes hydrauliques 117, 118 sont reliées à un système de régulation de débit 119, lui-même relié aux conduites 112, 114 d'aspiration et de refoulement. En fonctionnement, les deux pompes hydrauliques 117, 118 entraînent le moteur hydraulique 116.
Selon un autre exemple de réalisation, lorsque les arbres 32 des turbines 30 des colonnes jumelles sont indépendants les uns des autres et que chaque arbre 32 entraîne une pompe hydraulique, logée dans le plateau inférieur 31, les pompes hydrauliques peuvent être reliées au moteur hydraulique 116.
Les exemples de réalisation du flotteur 14 selon l'invention décrits en relation avec les figures 3 à 6 assurent la stabilité statique de l'éolienne flottante 10, 40 que ce soit vis à vis des déplacements horizontaux ou du basculement.
En effet, la résultante F^ sensiblement horizontale des efforts aérodynamiques sur la turbomachine 12, dans la direction du vent (traînée) ou perpendiculaire à la direction du vent (portance) , s'exerce en un centre aérodynamique Ar situé dans la turbomachine 12. La résultante F^ est reprise par les lignes de mouillage 16 qui limitent ainsi le déplacement de l'éolienne dans un plan horizontal (mouvements de cavalement et d'embardée) ainsi que les mouvements de lacet du flotteur 14. A ces forces aérodynamiques peuvent s'ajouter des forces hydro- dynamiques horizontales qui sont également reprises par les lignes de mouillage.
De même, la poussée d'Archimède P, qui s'exerce au centre de carène C du flotteur 14, et la somme des poids du flotteur 14, mp, et du poids m^ de l'ensemble formé par la turbomachine 12 prolongée par l'organe de liaison 70, et des lignes de mouillage 16, qui s'exerce au centre de gravité G de l'éolienne, situé également dans le flotteur 14, sont sensiblement verticales et se compensent. La détermination de la poussée d'Archimède et donc du volume de la coque immergée 49 est contrainte par l'ensemble des poids à supporter qui sont fixés à priori : turbomachine 12 et lignes de mouillage 16. Seul le poids du flotteur 14 offre une marge de manœuvre sachant par ailleurs que pour des questions de coût, le poids de matériau utilisé doit être réduit.
L'action de la résultante F^ sur la turbomachine 12 se répercute sur le flotteur 14 via les paliers supérieur 82 et inférieur 84 situés aux points Pg et Pj. De façon avantageuse, le palier 82 est essentiellement un palier radial tandis que le palier 84 est un palier radial et axial. Le palier 84 est donc le seul des deux paliers 82, 84 à absorber les charges axiales liées au poids m^ de la turbomachine 12, de l'organe de liaison 70 et des lignes de mouillage 16. De ce fait, ces charges s'appliquent essentiellement au niveau du palier 84, en Pj, si bien que le centre de gravité G de l'éolienne est en fait défini par la relation :
(mF + mT)GC = mFGFC + mTPjC
où Gp est le centre de gravité du flotteur 14 et où les distances, mesurées selon la direction verticale, sont signées, à savoir la distance signé EF est positive lorsque le point F est au-dessus du point E et est négative lorsque le point F est au-dessous du point E. D'une part le positionnement de l'emplacement Pj du palier inférieure 84 le plus en dessous du centre de carène C favorise l'abaissement du centre de gravité G en dessous du centre de carène C. D'autre part, les organes pesants et volumineux de conversion d'énergie mécani¬ que/électrique, en particulier la génératrice 65, disposés à l'extrémité inférieure de la partie immergée du flotteur 14 dans l'entrepont inférieur 64, contribuent à abaisser la position du centre de gravité du flotteur Gp en dessous du centre de carène C et favorisent également l'abaissement du centre de gravité G en dessous du centre de carène C. Or, comme nous le verrons plus loin, l'augmentation de la distance signée GC est favorable à la stabilité statique de l'éolienne 10, 40.
On se place dans un plan méridien du flotteur 14 contenant la résultante des forces aérodynamiques F^ pour ne pas distinguer dans la suite entre traînée et portance de même qu'entre moment de roulis et moment de tangage, regroupés sous le terme de moment de basculement Mg. Le palier radial 82 reprend une partie des efforts de flexion appliqués à la turbomachine 12 et il en est de même du palier radial et axial 84. Pour maintenir l'éolienne flottante 10, 40 dans une position parfaitement verticale lorsqu'un moment de basculement s'exerce, on montre que la réaction radiale Rg du palier supérieur 82 doit être :
% = -d + ArPS/PiPS)FA
et la réaction radiale Rg du palier inférieur 84 doit être :
Plus les paliers 82, 84 sont éloignés l'un de l'autre, plus la coque flottante 49 est allongée et plus les paliers 82, 84 sont soulagés et la plus grande partie de la réaction est assurée par le palier supérieure 82 qui doit être placé le plus près possible de la plaque 74.
Sous l'effet du moment de basculement Μβ résultant de la résultante des forces aérodynamiques F^ qui atteint une valeur maximale en Pj, l'éolienne a tendance à s'incliner d'un angle Θ. Il faut compenser ce moment pour ramener l'axe A selon la direction verticale. Le moment de redressement M résulte d'un triple effet. Le premier effet est lié au point de fixation des lignes d'ancrage 16. Pour mieux compenser le moment de basculement Mg qui atteint une valeur maximale en Pj, il peut être avantageux que les lignes d'ancrage 16 soient raccordées à une position L telle que la distance ArL soit minimisée et, la distance ArPg étant donnée par ailleurs, telle que la distance LPg soit la plus faible possible. Ceci implique que L soit dans une position supérieure de la coque 49, c'est-à-dire dans une position comme représentée à titre d'exemple dans la figure 2. D'un autre coté, les lignes de mouillage 16 étant pesantes, il est avantageux de les fixer dans une position inférieure : un compromis est à trouver.
Les deux autres effets s'expriment dans la formule suivante :
MR = P x (CH + GC) x sin Θ
Le premier terme traduit le déplacement latéral du centre de carène C qui s'écarte de l'axe de symétrie A de la coque flottante 49. On introduit pour exprimer ce déplacement le point métacentrique H situé au-dessus de C à une distance proportionnelle dans le cas considéré au rapport du carré du rayon de la coque flottante 49 sur sa hauteur, si on assimile la coque à un disque. Pour amplifier cet effet, il faut donc élargir radialement la coque 49 et en raccourcir l'allongement axial. C'est cet effet stabilisant qui est privilégié dans les éoliennes à multiflotteurs qui présentent une large assise.
Le deuxième terme traduit l'effet mis en oeuvre dans l'appareil de physique appelé ludion. Cet effet suppose bien entendu que le centre de gravité soit situé en dessous du centre de carène du flotteur 14. C'est cet effet stabilisant qui est privilégié au contraire dans les éoliennes avec des lests immergés logés dans le fond de structure mince et allongée (en anglais SPAR) . Cet effet est également favorisé par les exemples de réalisation décrits précédemment, sans que le premier effet soit négligé. Donc comme annoncé plus haut, l'augmentation de la distance signée GC est favorable à la stabilité statique de l'éolienne 10, 40. L'allongement de la coque flottante 49 offre une plus grande latitude pour augmenter à la fois les distances GC et PjPs/ ce qui permet à la fois d'amplifier le couple de redressement et de soulager les paliers radiaux.
En conclusion, par rapport à une turbine à flux axial :
la proximité de l'entrepont supérieur 54 de la surface de la mer 18 fait que le poids des éléments disposés dans l'entrepont supérieur 54 entraîne un moment de basculement négligeable de l'éolienne 10, 40.
les composants de conversion énergétique mécani¬ que/électrique (la génératrice 65 et les équipements électriques 100) de l'éolienne 10, 40 sont situés au-dessous du centre de gravité de l'éolienne 10, 40. Le poids des composants de conversion énergétique mécanique/électrique ne favorisent plus le basculement de l'éolienne 10, 40.
L'accès et l'entretien de l'éolienne 10, 40 est simplifié. En effet, comme l'entrepont supérieur 54 se trouve au pied de la turbomachine 12 au-dessus du niveau des eaux 18, l'accès et l'évacuation de l'entrepont 54 peuvent être réalisés de façon simple par des trappes . La présence de la mer à proximité de l'entrepont 54 amortit, en outre, les différences de température au niveau de l'entrepont 54. Il est donc possible de ne pas prévoir de systèmes de régulation thermique dans l'entrepont 54. A titre de variante, il est possible de prévoir des systèmes de régulation thermique utilisant l'eau de mer qui est facilement accessible. En outre, l'accès à la génératrice 65 qui est située dans la coque flottante 49 est facilité, par exemple par l'entrepont 60.
En outre, pour les exemples de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 3 et 4, les contraintes exercées sur la génératrice 65 sont réduites. En effet, l'arbre 90 transmet à la génératrice 65 la somme des couples délivrés par les turbines de la colonne de turbines sans les contraintes de flexion et les contraintes selon l'axe D qui sont reprises par la structure de maintien 36 de la turbomachine 12 et transmises à la coque flottante 49 via la structure de liaison 70. Par conséquent, la conception de la génératrice 65 peut être simplifiée. En particulier, dans le cas où la génératrice 65 est à attaque directe et à aimants permanents, il est plus facile de maintenir le jeu de l'entrefer de la génératrice dans les plages nécessaires au bon fonctionnement de la génératrice 65.
En outre, pour les exemples de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 3 et 4, l'arbre d'entraînement 90 relie directement la colonne de turbines au rotor de la génératrice 65. De ce fait, le moment d'inertie du rotor est élevé. D'une part, un effet gyroscopique important contribue ainsi à stabiliser encore davantage l'axe A du flotteur 14 suivant la direction verticale. D'autre part, on obtient un lissage de la vitesse de rotation du rotor de la génératrice 65.
Selon les exemples de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 5 et 6 et selon l'exemple de réalisation dans lequel chaque turbine 30 entraîne une pompe hydraulique, l'utilisation d'un système de transmission 89 hydraulique permet la mise en oeuvre de différents types d'asservissement entre la pompe 110 ou les pompes hydrauliques 117, 118, 120, 122 et le moteur hydraulique 116, par exemple pour protéger la turbomachine 12 contre les à-coups de fonctionnement dus aux rafales de vent ou pour prévoir une fonction de freinage en cas d'arrêt d'urgence.
La figure 7 représente un autre exemple de réalisation d'éolienne 150. L'éolienne 150 a une structure analogue à l'éolienne 10 représentée en figure 1 à la différence que la coque flottante 49 comprend une portion de section réduite 152, formant un col ou étranglement, au niveau de la ligne de flottaison du flotteur 14. La ligne de flottaison 153 est représentée en traits pointillés en figure 7 et correspond à la ligne qui sépare la partie immergée de la coque flottante 49 de la partie émergée de la coque flottante 49. Le col 152 permet de réduire l'impact des vagues sur la coque flottante 49.
En outre, la coque flottante 49 peut être fixée au fond marin 154 par une ligne tendue 156 qui relie le point le plus bas 158 de la coque flottante 49 à un système d'ancrage 160 fixé au fond marin 154. La ligne 156 est tendue en permanence. La ligne 156 peut être composée d'un ou de plusieurs tendons, qui peuvent comprendre des tuyaux en acier, des câbles métal¬ liques ou des cordes de fibres synthétiques ou une combinaison de ces matériaux. La ligne 156 permet avantageusement de réduire les mouvements de pilonnement du flotteur 14 sans avoir à contribuer à la limitation des déplacements horizontaux qui est l'objectif assigné aux seules lignes de flottaison 16. Pour cela la prétension de la ligne 156 peut être réduite soulageant ainsi la force globale vers le bas que doit vaincre le flotteur via la force d' Archimède. La rigidité de la ligne 156 peut être aussi diminuée entraînant l'utilisation de moins de matériau d'une part et évitant d' autre part la décroissance de la période propre de pilonnement qui doit rester importante comme cela est expliqué plus loin.
La figure 8 est une section schématique du flotteur 14 de l'éolienne 10, 40 décrit précédemment en relation avec les figures 1 à 7 selon un plan perpendiculaire à l'axe A au niveau de l'entrepont 60. L'entrepont 60 peut être divisé en compartiments 160 séparés par des cloisons 162 sensiblement verticales. Chaque cloison 162 s'étend entre la coque flottante 49 et le conduit 66 sur toute la hauteur de l'entrepont 60. A titre d'exemple, huit compartiments 160 sont représentés en figure 8. Le flotteur 14 peut comprendre un dispositif 164 de remplissage et de vidage sélectif des compartiments 160 indépendamment les uns des autres en eau de mer. Le dispositif 164 peut constituer un moyen pour régler les périodes propres de tangage et de roulis de la coque flottante 49. Ces périodes doivent être en dehors de la gamme des périodes d' excitation des vagues qui sont les plus énergétiques. Cette gamme dangereuse peut se trouver typiquement entre 20 et 25 secondes. Les périodes propres de tangage et de roulis croissent avec les moments d'inertie classique et d'inertie ajoutée autour des axes de roulis et de tangage respectivement. Elles décroissent avec la raideur en rotation de l'éolienne qui est quantifiée par le moment de redressement MR et que l'on a cherché plus haut à maximiser pour augmenter la stabilité statique. Si l'on cherche à fixer les périodes propres de roulis et de tangage juste au- dessus de la gamme dangereuse, soit à 30 secondes par exemple, il faut donc choisir les moments susmentionnés suffisamment grands. On peut pour cela allonger la coque flottante 49. On peut aussi jouer sur l' éloignement des compartiments 160 de l'axe A de la coque flottante 49 lors de la conception et sur leur remplissage sélectif en privilégiant les compartiments 160 proches du plan perpendiculaire à l'axe A autour duquel le moment d'inertie doit être amplifié. Enfin un compromis pour réduire le moment de redressement MR sans pour autant sacrifier les contraintes de la stabilité statique peut être également recherché .
Les périodes propres de tangage et de roulis doivent également se trouver éloignées des périodes de pilonnement afin d'éviter le couplage de ces mouvements. La poussée d'Archimède étant fixée, la période propre de pilonnement décroît avec la surface de flottaison (section de la coque flottante 49 à la ligne de flottaison 153) . La portion 152 de section réduite représentée en figure 7 permet d'amplifier cette période bien au-delà des périodes propres de tangage et de roulis. On peut, à l'inverse, la fixer à une valeur inférieure à la gamme dangereuse (en dessous de 10 secondes) en gardant le même diamètre ou en augmentant la rigidité de la ligne de prétension
156.
Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaissent à l'homme de l'art. En particulier, des exemples de réalisation d'éoliennes flottantes comprenant une et deux colonnes de turbines ont été décrits. Toutefois, il est clair que l'invention peut être mise en oeuvre pour des éoliennes flottantes comprenant plus de deux colonnes de turbines . Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci- dessus. On note que l'homme de l'art peut combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. En particulier, bien que l'éolienne 150 soit représentée en figure 7 avec un étranglement 152 et une ligne tendue 156, il est clair que l'étranglement 152 et la ligne tendue 156 peuvent être prévus indépendamment l'un de 1 ' autre .

Claims

REVENDICATIONS
1. Eolienne flottante (10 ; 40) comprenant un flotteur (14) et une turbomachine (12) reposant sur le flotteur, le flotteur comprenant une coque flottante (49) , la turbomachine comprenant au moins une colonne (35) de turbines (30) à flux transverse et une structure de maintien (36) des turbines, la structure de maintien se prolongeant par un organe de liaison (70) , situé dans la coque flottante et relié à la coque flottante selon une liaison à pivot par au moins des premier et deuxième paliers (84, 82) situés dans la coque flottante, le premier palier (84) étant situé au-dessous du centre de carène de la coque flottante, l'éolienne comprenant une génératrice (65) entraînée par les turbines et située dans la coque flottante sous ledit centre de carène.
2. Eolienne flottante (10 ; 40) selon la revendication 1, dans laquelle l'organe de liaison (70) s'étend sur plus de la moitié de la hauteur de la coque flottante (49), le deuxième palier (82) étant situé au-dessus dudit centre de carène, le deuxième palier étant un palier radial et n'étant pas un palier axial et le premier palier (84) étant un palier radial et axial.
3. Eolienne flottante selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chaque turbine (30) comprend un arbre d'entraînement (32), les arbres d'entraînement des turbines de la colonne (35) étant reliés les uns aux autres, l'organe de liaison (70) comprenant un système de transmission (89) reliant, à la génératrice (65), l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la colonne.
4. Eolienne flottante selon la revendication 3, dans laquelle le système de transmission (89) comprend un arbre d'entraînement de liaison (90) reliant, à la génératrice (65), l'arbre d'entraînement (32) de la turbine (30) à la base de la colonne (35) .
5. Eolienne flottante selon la revendication 3, dans laquelle le système de transmission (89) comprend une pompe hydraulique (110 ; 117, 118) entraînée par l'arbre d' entrai- nement (32) de la turbine (30) à la base de la colonne, la pompe hydraulique étant reliée à un moteur hydraulique (116) entraînant la génératrice (65) .
6. Eolienne flottante selon la revendication 3, dans laquelle la turbomachine (12) comprend une colonne (35) supplémentaire de turbines (30) à flux transverse, les arbres d'entraînement (32) des turbines de la colonne supplémentaire étant reliés les uns aux autres, le système de transmission (89) reliant, en outre, à la génératrice (65), l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la colonne supplémentaire.
7. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la coque flottante (49) est à symétrie de rotation et a, suivant un plan méridien, le profil transversal de la coque d'un navire, le rapport entre la hauteur de la coque flottante et le diamètre maximal de la coque flottante variant de 1,5 à 5.
8. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le flotteur (14) comprend des compartiments (160) et un dispositif (164) de remplissage et de vidage en eau de chaque compartiment indépendamment les uns des autres.
9. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le flotteur (14) comprend au moins un premier entrepont (54), un deuxième entrepont (60) sous le premier entrepont, un troisième entrepont (64) sous le deuxième entrepont, et un conduit (66) traversant le deuxième entrepont et reliant le premier entrepont au troisième entrepont, la génératrice (65) étant située dans le troisième entrepont, la structure de maintien (36) étant reliée au flotteur par les premier et deuxième paliers (84, 82) , le deuxième palier (82) étant dans le premier entrepont, le premier palier (84) étant dans le troisième entrepont ou étant dans le conduit, plus près du troisième entrepont que du premier entrepont .
10. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la coque flottante (49) a une section réduite (152) au niveau de la ligne de flottaison (153) .
11. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant des lignes d'ancrage (16) non prétendues, rayonnant depuis la coque flottante (49) et destinées à relier le flotteur (14) au fond marin (154) .
12. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant, en outre, une ligne tendue
(156) reliée au point le plus bas du flotteur (14) et destinée à être reliée au fond marin (154) .
13. Eolienne flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle la structure de maintien (36) comprend, pour chaque turbine (30), des montants verticaux (22, 42) de part et d'autre de la turbine et au moins un plateau horizontal (31) fixé aux montants verticaux (22, 42), la turbine étant reliée au plateau horizontal par une liaison pivotante (34) .
14. Eolienne flottante selon la revendication 13, dans laquelle chaque turbine (30) comprend un arbre d'entraînement (32), les arbres d'entraînement des turbines n'étant pas reliés les uns aux autres, chaque arbre d'entraînement étant relié à la génératrice (65) par un système de transmission hydraulique comprenant une pompe hydraulique située dans le plateau (31) .
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