FR2938305A1 - AEROGENERATOR BIROTOR "IN V" BIPALS HAS OSCILLATING HUBS ON STRUCTURE LESTEE FLOTTANT TENDU - Google Patents
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Abstract
Selon l'invention, les deux aérogénérateurs (1 ) et (2) sont fixés face au vent, positionnés en « V », sur une structure flottante lestée (3) du type « flottant tendu », munie d'un système de flottaison (15) et d'un lest (4) offrant une bonne stabilité dans la houle. La structure pivote sur elle-même autour d'un fût fixe (17) situé au dessus de l'eau, afin d'orienter en permanence sa partie haute face au vent, même en présence de houle et de vagues, en créant une dissymétrie de poussée au niveau des deux rotors. Les aérogénérateurs sont du type « bipales à moyeux oscillants » offrant une meilleure réponse aux contraintes dynamiques imposées par l'effet de la houle et des vagues sur les structures. Il est possible selon l'invention de produire davantage de puissance électrique pour une superficie d'exploitation donnée, et par conséquent d'obtenir de meilleures performances économiques. Cet aérogénérateur birotor, assemblé à sec sur un simple terre-plein, peut être mis à l'eau puis remorqué à l'horizontal posé sur de simple flotteurs. Sa mise en oeuvre et son exploitation à l'aide de lignes d'ancrage (14) tendues depuis la surface par un système de guides et de treuils, sont particulièrement simplifiées par rapport aux autres types d'éoliennes offshore, sans nécessiter l'utilisation d'une barge de transport ou d'une grue de manutention.According to the invention, the two wind turbines (1) and (2) are fixed facing the wind, positioned in "V", on a weighted floating structure (3) of the "floating floating" type, provided with a floating system ( 15) and a ballast (4) providing good stability in the swell. The structure pivots on itself around a fixed shaft (17) located above the water, in order to permanently orient its upper part facing the wind, even in the presence of waves and waves, creating an asymmetry thrust at the two rotors. The wind turbines are of the type "two-blade oscillating hubs" offering a better response to dynamic stresses imposed by the effect of waves and waves on the structures. It is possible according to the invention to produce more electrical power for a given area of operation, and therefore to obtain better economic performance. This birotor aerogenerator, assembled dry on a simple platform, can be launched and then towed horizontally on simple floats. Its implementation and operation using anchor lines (14) stretched from the surface by a system of guides and winches, are particularly simplified compared to other types of offshore wind turbines, without requiring the use a transport barge or a handling crane.
Description
-1- DESCRIPTION DE L'INVENTION Domaine technique de l'invention DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field of the Invention
L'invention est relative à la construction de centrales électriques éoliennes, destinées à être exploitées en mer, là ou le vent est en moyenne plus fort et plus régulier, et là ou les contraintes de voisinage sont les 10 moins pénalisantes. The invention relates to the construction of wind power plants, intended to be exploited at sea, where the wind is on average stronger and more regular, and where the neighborhood constraints are the least penalizing.
Des solutions d'éoliennes en mer fixées sur des fondations au sol existent déjà et permettent une exploitation jusqu'à environ 50m de profondeur. Solutions of offshore wind turbines fixed on ground foundations already exist and allow exploitation up to about 50m deep.
15 Compte tenu des caractéristiques géographiques des pays (dont la France) dont les côtes présentent rapidement des fonds de profondeur supérieurs à 50m, il est judicieux de pouvoir disposer d'éoliennes flottantes. 15 Given the geographical characteristics of the countries (including France) whose coasts rapidly have depths of more than 50m, it is advisable to have floating wind turbines.
20 Etat de la technique antérieure 20 Prior art
Plusieurs types d'éoliennes flottantes sont actuellement à l'étude ou en développement : Type Barge flottante : 25 L'éolienne est fixée sur une plate-forme semblable à une embarcation à fond plat, d'où un volume de flottaison essentiellement en surface. L'ensemble est ancré au fond marin par des ancrages souples. Several types of floating wind turbines are currently under study or in development: Type Floating Barge: 25 The wind turbine is fixed on a platform similar to a flat-bottomed boat, resulting in a floatation volume essentially at the surface. The set is anchored to the seabed by flexible anchors.
30 L'inconvénient de ce type d'architecture est une grande sensibilité aux vagues et à la houle, induisant des efforts dynamiques importants sur les nacelles éoliennes, incompatibles avec leurs fonctions. The disadvantage of this type of architecture is a high sensitivity to waves and waves, inducing significant dynamic forces on wind farms, incompatible with their functions.
Type Flotteur semi-submersible : L'éolienne est installée sur un flotteur conçu pour minimiser la sensibilité à la houle. En effet, une grande partie du corps flottant est située sous l'eau. Type Semi-submersible Float: The wind turbine is installed on a float designed to minimize sensitivity to waves. Indeed, a large part of the floating body is located under water.
L'inconvénient de ce type d'architecture est de nécessiter une masse importante de matériaux pour 40 obtenir une bonne stabilité de l'ensemble, ce qui engendre un coût de production difficilement compatible avec sa fonction. The disadvantage of this type of architecture is to require a large mass of materials to obtain a good stability of the assembly, which generates a production cost hardly compatible with its function.
Type TLP (Tension Leg Platform) ou SPAR : Type TLP (Leg Platform Tension) or SPAR:
45 L'éolienne est située sur une structure flottante maintenue au moyen d'un ou plusieurs câbles tendus et ancrés dans le fond marin. 45 The wind turbine is located on a floating structure maintained by means of one or more cables stretched and anchored in the seabed.
L'intérêt est de placer l'essentiel de la partie flottante sous les vagues , d'où une meilleure stabilité dans la houle. L'inconvénient porte sur le fait que le coût correspondant à la structure et aux ancrages est important et difficilement compatible avec sa fonction. The interest is to place most of the floating part under the waves, hence a better stability in the swell. The disadvantage relates to the fact that the cost corresponding to the structure and the anchors is important and hardly compatible with its function.
L'invention de M. Torr Todman (UK) décrit une architecture birotor en T , alors que l'architecture décrite 55 sur ma demande de brevet est une architecture birotor en V . Les inventions de MM. Heronemus (US), Sieg (DK), et Buitendijk (NL) décrivent différentes structures d'éoliennes flottantes munies d'un flotteur et d'un lest, mais aucun de ces documents ne fait référence à l'association d'une structure munie d'un système de flottaison et d'un lest, avec un birotor en V (avec 60 deux rotors au vent) s'orientant face au vent autour de l'axe central à l'aide d'un système d'accouplement rotatif situé à la base du V . 35 50 -2- The invention of Torr Todman (UK) describes a T-type birotor architecture, while the architecture described in my patent application is a V-shaped birotor architecture. The inventions of MM. Heronemus (US), Sieg (DK), and Buitendijk (NL) describe different structures of floating wind turbines with a float and a ballast, but none of these documents refer to the association of a structure provided with of a flotation system and ballast, with a V-shaped rotor (with 60 two wind rotors) facing the wind around the central axis by means of a rotating coupling system at the base of V. 35 50 -2-
Le brevet déposé par MM. Alexandroff (FR) présente une architecture en V , mais avec un aérogénérateur au vent et l'autre sous le vent . The patent filed by MM. Alexandroff (FR) has a V architecture, but with a wind turbine and the other wind leeward.
Exposé de l'invention Presentation of the invention
L'invention porte sur une architecture particulière d'éolienne flottante permettant d'améliorer les technologies connues à ce jour. Les perfectionnements concernent particulièrement l'architecture générale de l'ensemble, ainsi que la combinaison de dispositifs particuliers. The invention relates to a particular architecture of floating wind turbine to improve the technologies known to date. The improvements concern particularly the general architecture of the whole, as well as the combination of particular devices.
Selon une caractéristique de l'invention, l'architecture générale est composée d'un aérogénérateur birotor 15 en V placé sur une structure flottante du type Flottant tendu munie d'un système de flottaison et d'un lest. La structure pivote sur elle-même autour d'un fût fixe situé au dessus de l'eau, afin d'orienter sa partie haute face au vent. L'intérêt du birotor est de mutualiser les éléments de structure et d'ancrage, particulièrement couteux, et par conséquent d'obtenir un coût de production plus avantageux par rapport à une solution mono rotor. 20 L'invention présente l'avantage remarquable suivant : According to one characteristic of the invention, the general architecture is composed of a V-shaped aeratorator 15 birotor placed on a floating structure of the floating Floating type provided with a flotation system and a ballast. The structure pivots on itself around a fixed shaft located above the water, in order to orient its upper part facing the wind. The interest of the birotor is to pool the structural elements and anchoring, particularly expensive, and therefore to obtain a lower cost of production compared to a single rotor solution. The invention has the following remarkable advantage:
• Une structure flottant tendu munie d'un système de flottaison et d'un lest présente l'avantage d'être plus économique qu'une structure multi-flotteurs (moins d'acier utilisé), mais elle présente 25 aussi l'inconvénient majeur d'être instable (grande sensibilité à la houle et aux vagues). A taut floating structure provided with a floatation system and ballast has the advantage of being more economical than a multi-float structure (less steel used), but it also has the major disadvantage. to be unstable (high sensitivity to waves and waves).
• Le fait d'associer cette structure flottant tendu avec une structure birotor en V , s'orientant naturellement, afin de capter le maximum de vent, autour de l'axe central à l'aide d'un système d'accouplement rotatif proche de la surface de l'eau, permet à l'ensemble d'acquérir un meilleur 30 comportement dynamique et une meilleure réponse aux contraintes imposées simultanément par les variations de sens du vent et par les mouvements induits par les vagues et la houle, en diminuant l'interaction aérodynamique/hydrodynamique de l'ensemble. Le fait que le système d'accouplement rotatif soit proche de la surface de l'eau (à la base du V ) assure une meilleure stabilité à l'ensemble, en atténuant les couples mécaniques induits par les contraintes dynamiques 35 imposées par les vagues et la houle sur les structures et sur le système d'accouplement rotatif. • Associating this floating floating structure with a V-shaped birotor structure, naturally oriented, in order to capture the maximum wind, around the central axis using a rotary coupling system close to the surface of the water, allows the whole to acquire a better dynamic behavior and a better response to the constraints imposed simultaneously by the variations of direction of the wind and by the movements induced by the waves and the swell, by decreasing the aerodynamic / hydrodynamic interaction of the whole. The fact that the rotary coupling system is close to the surface of the water (at the base of the V) ensures a better stability to the assembly, by reducing the mechanical torques induced by the dynamic stresses imposed by the waves and the swell on the structures and on the rotary coupling system.
Cette invention présente donc l'avantage remarquable de construire à moindre coût un système éolien flottant s'orientant naturellement et en permanence dans le vent même en présence de houle et de vagues, produisant ainsi davantage de puissance électrique moyenne. Il est ainsi possible selon l'invention de 40 produire davantage de puissance électrique moyenne pour une superficie d'exploitation donnée, avec des structures à moindre coût. Un autre intérêt du birotor est de pouvoir densifier la production d'énergie, les rotors devant normalement être éloignés de 3 à 5 fois leur diamètre afin d'éviter les perturbations aérodynamiques 45 émises en aval d'un rotor. II est ainsi possible selon l'invention de produire davantage de puissance électrique pour une superficie d'exploitation donnée, et par conséquent d'obtenir de meilleures performances économiques. Chacun des rotors est placé face au vent, le couple de renversement induit par leur masse permet de contrer le couple généré par la poussée du vent sur les rotors, ce qui permet de réduire avantageusement la taille du lest. 50 Selon une autre caractéristique de l'invention, les rotors sont du type moyeux oscillants , caractérisés par une plus grande résistance et par une meilleure réponse aux contraintes dynamiques imposées par l'effet de la houle et des vagues sur les structures. This invention thus has the remarkable advantage of building at a lower cost a floating wind system naturally oriented and permanently in the wind even in the presence of waves and waves, thus producing more average electrical power. It is thus possible according to the invention to produce more average electrical power for a given operating area, with lower cost structures. Another interest of the birotor is to be able to densify the production of energy, the rotors normally having to be 3 to 5 times their diameter apart in order to avoid the aerodynamic disturbances 45 emitted downstream of a rotor. It is thus possible according to the invention to produce more electrical power for a given operating area, and therefore to obtain better economic performance. Each of the rotors is placed facing the wind, the torque induced by their mass reversal torque to counter the torque generated by the thrust of the wind on the rotors, which advantageously reduces the size of the ballast. According to another characteristic of the invention, the rotors are of the oscillating hub type, characterized by a greater resistance and a better response to dynamic stresses imposed by the effect of waves and waves on the structures.
55 Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux rotors sont contrarotatifs, cette caractéristique étant avantageuse car elle permet d'annuler les efforts gyroscopiques induits sur les structures. According to another characteristic of the invention, the two rotors are counter-rotating, this characteristic being advantageous because it makes it possible to cancel the gyroscopic forces induced on the structures.
Selon une autre caractéristique de l'invention, il suffit d'une légère dissymétrie de traînée d'un rotor par rapport à l'autre pour provoquer un angle de pivotement. Cette caractéristique est particulièrement 60 intéressante car elle autorise le pilotage de l'orientation de la partie haute de l'ensemble, pour la placer face au vent, uniquement en faisant varier différemment le pas des pales des deux rotors. Il est alors inutile d'implanter un lourd et couteux dispositif d'orientation mécanique avec moteur et engrenages. 10 -3- According to another characteristic of the invention, it suffices to have a slight asymmetry of drag of one rotor relative to the other to cause a pivot angle. This feature is particularly interesting because it allows steering the orientation of the upper part of the assembly, to place it facing the wind, only by varying the pitch of the blades of the two rotors differently. It is then useless to implement a heavy and expensive mechanical orientation device with motor and gears. 10 -3-
Selon une autre caractéristique de l'invention, il suffit d'une légère dissymétrie de traînée d'un rotor par rapport à l'autre pour provoquer un angle de pivotement. Cette caractéristique est particulièrement intéressante car elle autorise le pilotage de l'orientation de la partie haute de l'ensemble, pour la placer face au vent, uniquement en faisant varier le pas des pales d'un des deux rotors. II est alors inutile d'implanter un lourd et couteux dispositif d'orientation mécanique avec moteur et engrenages. According to another characteristic of the invention, it suffices to have a slight asymmetry of drag of one rotor relative to the other to cause a pivot angle. This feature is particularly interesting because it allows steering the orientation of the upper part of the assembly, to place it facing the wind, only by varying the pitch of the blades of one of the two rotors. It is then useless to implement a heavy and expensive mechanical orientation device with motor and gears.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les rotors sont de type bipales. Cette caractéristique est particulièrement intéressante car elle facilite le transport à l'horizontal de l'aérogénérateur, sur terre et sur mer, par un encombrement moindre. According to another characteristic of the invention, the rotors are of the two-blade type. This feature is particularly interesting because it facilitates the horizontal transport of the wind turbine, on land and sea, by a smaller footprint.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'aérogénérateur pourra être assemblé à terre sur un simple terre plein, puis transporté à terre à l'horizontal à l'aide de chariots jusqu'au quai de mise à l'eau. La mise à l'eau pourra être réalisée en la faisant rouler sur un terrain en pente douce vers la mer, ce qui présente l'avantage de ne pas nécessiter de grue, d'où un gain pratique et économique. According to another characteristic of the invention, the aerogenerator can be assembled on the ground on a single solid ground, and then transported horizontally to the ground using trolleys to the launching dock. The launch can be achieved by rolling it on a gently sloping ground towards the sea, which has the advantage of not requiring a crane, hence a practical and economical gain.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'aérogénérateur pourra être remorqué sur l'eau à l'horizontal, portée de façon sûre, stable et peu couteuse par la poussée d'Archimède et par trois simples flotteurs, jusqu'au lieu d'exploitation. Un flotteur porte le lest, deux autres soutiennent chacun les deux nacelles à une bonne distance au dessus de l'eau, limitant ainsi les risques d'immersion des nacelles lors du transport. Cette solution présente l'avantage de ne pas nécessiter de barge et de grue pour le transport de l'éolienne. According to another characteristic of the invention, the aerogenerator can be towed on the water horizontally, carried safely, stably and inexpensively by the buoyancy of Archimedes and three simple floats, to the place of exploitation. One float carries the ballast, two others each support the two pods at a good distance above the water, thus limiting the risks of immersion of the pods during transport. This solution has the advantage of not requiring a barge and crane for transporting the wind turbine.
Selon une autre caractéristique de l'invention, un système de guides est prévu pour tendre les lignes d'ancrage depuis la surface (16) de la mer. Les câbles d'ancrage passent dans un guide (11) situé dans le mât central puis sont dirigés à la verticale vers la surface (16) en vue de les tendre à l'air libre par un dispositif de guide (12) et de treuil (13). La mise en place de l'aérogénérateur se fait aisément, sans utilisation de grue, en tendant les haubans à l'aide de treuils. On procède ainsi : On passe les lignes d'ancrage dans les guides (11) et (12), On tend les lignes d'ancrage à l'aide du système de treuil (13), On détend simultanément le câble supportant le flotteur (8) relatif au lest (4), On détache les flotteurs (8), (9) et (10) alors inutilisés. Cette solution permet avantageusement d'éviter l'utilisation d'une barge de transport et d'une grue. According to another characteristic of the invention, a guide system is provided for tensioning the anchor lines from the surface (16) of the sea. The anchoring cables pass through a guide (11) located in the central mast and then are directed vertically towards the surface (16) for the purpose of stretching them in the open air by a guiding device (12) and winch (13). The installation of the aerogenerator is easy, without the use of crane, tending the guys with the help of winches. The procedure is as follows: The anchor lines are passed through the guides (11) and (12). The anchoring lines are tensioned using the winch system (13). The cable supporting the float is simultaneously relaxed ( 8) relative to the ballast (4), one detaches the floats (8), (9) and (10) then unused. This solution advantageously avoids the use of a transport barge and a crane.
Selon une autre caractéristique de l'invention, si l'on souhaite rapatrier l'aérogénérateur à terre par exemple 40 pour raison de maintenance ou lorsqu'elle atteint sa fin de vie, on procède ainsi : According to another characteristic of the invention, if it is desired to repatriate the wind generator to land for example 40 for maintenance reasons or when it reaches its end of life, we proceed as follows:
On met en place les flotteurs (8), (9) et (10) utilisés précédemment pour le transport, On détend les lignes d'ancrage à l'aide des treuils (13), On tire avec un câble et un remorqueur le haut de l'aérogénérateur de façon à l'aider à s'incliner et 45 à le coucher vers les flotteurs de transport (9) et (10), On tend simultanément le câble supportant le flotteur (8) relatif au lest (4) afin qu'il le soutienne dès que l'aérogénérateur se penche, On désolidarise les lignes d'ancrage de la structure et on les attache à une bouée afin de les récupérer ultérieurement, 50 On remorque l'aérogénérateur à l'horizontal jusqu'au port, ou il sera prise en charge. We put in place the floats (8), (9) and (10) previously used for transport, We relax the anchor lines using the winches (13), We draw with a cable and a tug at the top of the wind generator so as to help it to tilt and 45 to bed to the transport floats (9) and (10), the cable supporting the float (8) relative to the ballast (4) is simultaneously tensioned. that it support it as soon as the wind turbine leans, We separate the anchor lines of the structure and we attach them to a buoy for later recovery, 50 We tow the wind turbine horizontally to the port where it will be taken care of.
Cette solution permet avantageusement d'éviter l'utilisation d'une barge de transport et d'une grue. This solution advantageously avoids the use of a transport barge and a crane.
Selon une autre caractéristique de l'invention, par exemple 9 haubans assurent le maintien de la structure, 55 groupés par exemple par groupes de 3 afin de pouvoir facilement procéder au remplacement d'un hauban, les deux autres du même groupe prenant le relais le temps de l'intervention, évitant ainsi la mise à l'arrêt de l'aérogénérateur défavorable en terme économique. According to another characteristic of the invention, for example 9 struts ensure the maintenance of the structure, 55 grouped for example in groups of 3 in order to easily perform the replacement of a stay, the other two of the same group taking over the time of the intervention, thus avoiding the shutdown of the unfavorable aerogenerator in economic terms.
60 La figurel est une vue de face de l'aérogénérateur birotor en V placé sur une structure flottante du type Flottant tendu munie d'un système de flottaison et d'un lest.35 -4- 60 The figurel is a front view of the V-twin rotor aerator placed on a Floating Floating structure equipped with a flotation system and a ballast.
La figure 2 représente le transport à terre de l'aérogénérateur par une grue, par exemple pour sa fabrication. Figure 2 shows the transport of the wind turbine on the ground by a crane, for example for its manufacture.
La figure 3 représente le transport à terre de l'aérogénérateur sur des chariots roulant à terre, par exemple pour sa mise à l'eau. Figure 3 shows the transport on the ground of the wind turbine on trolleys rolling on land, for example for launching.
La figure 4 représente le transport sur l'eau de l'aérogénérateur à l'horizontal, porté par la poussée d'Archimède et par trois flotteurs, remorqué jusqu'au lieu d'exploitation. Figure 4 shows the transport on the water of the wind turbine to the horizontal, carried by the buoyancy and by three floats, towed to the place of exploitation.
La figure 5 représente le système de poulie prévu pour tendre les lignes d'ancrage depuis la surface de la mer. La figure 6 représente la configuration générale de l'ensemble. 20 Application industrielle Figure 5 shows the pulley system provided for tensioning the anchor lines from the sea surface. Figure 6 shows the overall configuration of the assembly. 20 Industrial application
Les aérogénérateurs selon l'invention pourront constituer des centrales électriques éoliennes offshores de toutes puissances, de configurations linéaires ou concentrées du type ferme éolienne .15 The wind turbines according to the invention may constitute off-shore wind power plants of any power, linear or concentrated configurations of the wind farm type.
Claims (11)
Priority Applications (1)
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