FR3072643A1 - Eolienne flottante a pilonnement reduit - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur une plateforme flottante 8 ayant au moins trois flotteurs 10, chacun relié à deux flotteurs voisins par une entretoise inférieure 12 respective reliée à leurs bases 21, cette plateforme comprenant en outre des goussets 40, chaque gousset s'étendant entre les deux entretoises d'un flotteur respectif depuis une paroi périphérique 32 de ce flotteur. Une telle plateforme est notamment adaptée à porter une éolienne marine.

Description

La présente invention se rapporte au domaine des plateformes implantées en mer. Elle se rapporte particulièrement aux plateformes flottantes portant des éoliennes, permettant d’implanter des champs d’éoliennes en haute mer.
Plusieurs conceptions de ce type de systèmes d’éoliennes sont connues qui permettent de développer des champs d'éoliennes. Au-delà d’une certaine profondeur d'eau, trois types sont couramment proposés :
- semi-submersibles,
- SPAR, Single Point Anchor Réservoir en anglais, c’est-à-dire avec une fondation immergée à ballast stabilisé, dotée d'ancrages caténaires permettant de la fixer par simple accrochage au fond marin ; et,
- TLP, tension-leg platform en anglais, c’est-à-dire avec une plateforme à lignes tendues.
En général, ces systèmes portent une éolienne dont la partie énergétique, la turbine, est reliée au support par un mât cylindrique.
Le problème à résoudre consiste à minimiser les mouvements de la plateforme, une fois installée en mer. Lorsqu’une telle plateforme porte une éolienne, une meilleure stabilité de la plateforme permet un meilleur rendement de cette éolienne. La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution avantageuse aux mouvements statiques et dynamiques de plateforme une fois
-2celle-ci installée en mer. Plus particulièrement, l’invention a pour but d’améliorer le comportement au pilonnement, sous l'effet de la houle.
Selon l'invention, une telle plateforme comprend au moins trois flotteurs, chaque flotteur étant relié à chacun de deux flotteurs voisins par une entretoise inférieure respective reliée à leurs bases, ces deux entretoises étant sensiblement horizontales et formant entre elles un angle inférieur à 180 degrés, et comprenant en outre des goussets s'étendant entre les deux entretoises d'un flotteur respectif, à proximité de ce flotteur. De préférence le gousset s'étend, de préférence depuis une paroi périphérique de ce flotteur respectif.
Avantageusement, chaque flotteur est associé à un gousset respectif. Il a préférentiellement la forme d’une plaque.
En outre, chaque flotteur peut comprendre, à sa base, des moyens de perte de charge comprenant un élargissement radial et au moins un passage d’eau entre une surface supérieure et une surface inférieure de cet élargissement. La surface périphérique du flotteur à partir de laquelle un gousset peut s'étendre peut être une surface périphérique de cet élargissement radial.
De préférence, les flotteurs sont sensiblement régulièrement répartis autour d'un axe vertical de la plateforme.
Dans un mode de réalisation préféré, la plateforme comprend seulement trois flotteurs, reliés deux à deux par les entretoises.
De plus, chaque flotteur est avantageusement relié à chacun de deux flotteurs voisins, dans leurs parties supérieures, par une entretoise supérieure, de préférence sensiblement horizontale. Chaque entretoise supérieure est, de
-3 préférence, soutenue par deux étais, chacun d'eux étant fixé par une première extrémité au voisinage du milieu de ladite entretoise et, par une deuxième extrémité, au flanc d’un flotteur (10) respectif.
L’invention porte aussi sur un système d’éolienne caractérisé en ce qu'il comprend une plateforme selon l'invention et une éolienne. L'éolienne comprend avantageusement un pylône supportant une génératrice, ce pylône étant supporté par trois pieds, et comprenant de préférence trois mâts, chaque mât formant l’un des pieds. Chaque pied repose de préférence sensiblement au 10 milieu d’une entretoise supérieure respective.
Plusieurs modes d’exécution de l’invention seront décrits ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en élévation et en perspective, de dessus et de troisquarts face gauche, d’un système d’éolienne selon l’invention ; et,
- la figure 2 est une vue de détail d'une plateforme du système d’éolienne de la figure 1.
Dans la description, les termes « vertical » et « horizontal » se rapportent à une position d’équilibre du système d’éolienne, tel que représenté à la figure 1.
Les figures illustrent un système d’éolienne 1 selon l’invention. Dans l’exemple illustré, le système comprend une éolienne 2 développée par la 25 société 2-B Energy BV. Cette éolienne est équipée de deux pales 3 fixées sur une turbine 4. Comme particulièrement illustré à la figure 1, l’éolienne comprend en outre un pylône tripode 6. Le pylône 6 est d’un type connu sous l’anglicisme «jacket», c’est-à-dire qu’il est constitué de trois mâts 7 entretoisés entre eux par une structure formant un treillis.
-4Le système 1 comprend en outre une plateforme flottante 8 sur laquelle l’éolienne 2 est fixée. Un détail de la plateforme est illustré à la figure 2. La plateforme 8 comprend 3 flotteurs 10, sensiblement identiques entre eux et sensiblement équidistants les uns des autres. Chaque flotteur 10 a une forme générale de cylindre de révolution autour d’un axe vertical XI0 respectif. Les flotteurs sont ainsi répartis autour d'un axe vertical XI du système 1. L’axe XI du système constitue un axe de symétrie pour la plateforme 8, celle-ci étant identique à elle-même pour toute rotation d'un angle multiple de 2π/3 autour de cet axe XI.
La section horizontale de chaque flotteur est variable lorsque l'on parcourt l'axe du flotteur X10. Les flotteurs sont rigidement reliés deux à deux par une paire d’entretoises sensiblement horizontales: une entretoise supérieure 11, qui relie entre elles des régions supérieures des deux flotteurs, et, une entretoise inférieure 12, qui relie entre elles des régions inférieures de ces deux flotteurs.
Ainsi, chaque flotteur est relié à chacun de deux flotteurs voisins par une entretoise inférieure 12 respective reliée à leurs bases 21, 26, ces deux entretoises étant sensiblement horizontales et formant entre elles un angle Al2 inférieur sensiblement égal à 60 degrés.
Chaque entretoise supérieure 11 est soutenue par deux étais 13. Chaque étais est fixé par une première extrémité au voisinage du milieu de Γ entretoise 11 correspondante et au flanc d’un flotteur 10 respectif, au voisinage de sa région inférieure.
Le pylône s'étend sensiblement selon l'axe XI du système 1. Le pied 9 de chacun des mâts 7 repose sur une entretoise supérieure 11 respective, au voisinage du milieu de cette entretoise. Les étais 13 transfèrent les charges
-5induites par l’éolienne 2 depuis les mâts jusqu’aux trois flotteurs 10. Ceci permet de partager et de renvoyer de façon harmonieuse les charges provenant du pylône sur les trois flotteurs ; ainsi, le système illustré diffère notablement de l’art antérieur où un pylône cylindrique repose sur un seul flotteur.
Le système 1 comprend en outre un jeu de câbles et d’ancres qui permettent de le fixer aux fonds marins. Les câbles et ancres ne sont pas représentés aux figures.
Comme particulièrement illustré à la figure 2, chaque flotteur 10 comprend, de bas en haut :
- un tronçon inférieur 21 ;
- un tronçon intermédiaire 22 ;
- un tronçon supérieur 23 ; et,
- une colonne 24.
Les entretoises supérieures 11 respectives sont fixées sur un flanc de la colonne 24. Les tronçons 21-23 et la colonne 24 sont cylindriques. Le tronçon intermédiaire 22 a un diamètre extérieur, mesuré horizontalement, inférieur au diamètre extérieur du tronçon inférieur 21 et au diamètre extérieur du tronçon supérieur 23. La colonne 24 a un diamètre extérieur inférieur au diamètre D22 du tronçon intermédiaire. La partie supérieure de cette colonne est positionnée de telle sorte qu’un franc bord suffisant soit respecté par rapport aux pales 3. Dans l’exemple illustré, le diamètre du tronçon inférieur 21 est supérieur à celui du tronçon supérieur 23.
Un premier raccord tronconique 26 relie le tronçon intermédiaire 22 au tronçon inférieur 21 ; son diamètre diminue en allant du tronçon inférieur 21 vers le tronçon intermédiaire 22. Le tronçon inférieur 21 est ainsi élargi par rapport au tronçon intermédiaire, de façon à donner plus de flottabilité lorsque la plateforme est à quai, sans augmenter le tirant d’eau.
-6Un deuxième raccord tronconique 27 relie le tronçon intermédiaire 22 au tronçon supérieur 23 ; son diamètre diminue en allant du tronçon supérieur 22 vers le tronçon intermédiaire 22. La jonction entre le deuxième raccord 27 et le tronçon intermédiaire 22 est prévue, dans la position d’usage, pour constituer une ligne de flottaison pour le système 1. Ainsi, à partir du niveau de l'eau, un élargissement en forme de tronc de cône est effectué jusqu'à un plus grand diamètre sur une certaine hauteur.
Le diamètre réduit du tronçon intermédiaire 22, relativement au tronçon supérieur 23, permet de réduire les efforts de houle. Cela permet, sous les efforts statiques horizontaux de donner un couple de redressement de plus en plus important lors de l'inclinaison de la plateforme, donc réduit son inclinaison sous l'effet du vent et des courants permettant une plus grande efficacité énergétique de l'éolienne. De plus, il a été constaté que le diamètre du tronçon supérieur étant plus grand que celui du tronçon intermédiaire, cela permet de réduire le phénomène de roulis, de tangage et de pilonnement sous l'effet de la houle. La stabilité à la fois statique et dynamique de la plateforme en est donc améliorée.
Un autre avantage du système 1 selon l’invention porte sur le fait que l'éolienne 2 est centrée par rapport aux trois flotteurs 10 ne provoquant pas de dissymétrie. En effet, le pylône 6, construit en assemblage tubulaire tripode, est conçu de façon que le pied 9 de chacun de ses trois mâts 7 repose sur le milieu d’une entretoise supérieure 11 respective, reliant deux des trois flotteurs
10. La nacelle, c’est-à-dire la génératrice 4, et les pales 3 de l'éolienne peuvent fonctionner avec vent arrière.
Dans l’exemple illustré, l’éolienne 2, ses pales 3, sa turbine 4 et son pylône 6 représentent un poids d’environ mille tonnes, dont le centre de gravité est très
-7élevé au-dessus du niveau N de l’eau. C’est notamment la forme des flotteurs qui permet une plus grande stabilité de la plateforme 8 et de l’éolienne 2.
Comme cela est particulièrement visible à la figure 2, chaque flotteur 10 comprend des moyens de perte de charge 30 formés par et dans son tronçon inférieur 21. Ces moyens de perte de charge 30 se révèlent utiles pour contrer les effets de la houle sur la plateforme, notamment pour réduire le pilonnement des flotteurs sous les effets de cette houle.
Le tronçon inférieur 21 forme un élargissement situé sensiblement à la base du flotteur 10 ; cet élargissement est notamment formé par :
- la sous-face 28 ;
- une surface annulaire 31 sensiblement horizontale, autour du premier raccord 26, située au-dessus de la sous-face 28 ; et,
- une surface périphérique 32 sensiblement verticale et cylindrique autour de l’axe X10 du flotteur 10, reliant des bords périphériques de la sous-face 28 et de la surface annulaire 31.
La sous-face 28 et la surface annulaire 31 sont reliées entre elles par des passages d’eau 33. Dans ce mode de réalisation, les passages 33 sont sensiblement cylindriques autour d’axe verticaux X33 respectifs. Les axes X33 des passages sont inscrits selon un cylindre théorique C33 et régulièrement espacés entre eux autour de l’axe X10 du flotteur.
Lorsqu’un tel flotteur est entraîné par une houle, dans un mouvement vertical, ceci engendre une circulation d’eau dans les passages, donc des pertes de charge, ce qui diminue la sensibilité du flotteur, donc de la plateforme, à la houle. En outre, les moyens 30 ont une masse qui augmente notablement la masse du flotteur, en comparaison avec un flotteur qui n’en serait pas muni.
-8Ceci augmente donc l’inertie du flotteur, ce qui diminue aussi la sensibilité du flotteur, donc de la plateforme, à la houle.
Dans l’exemple illustré aux figures, la plateforme comprend en outre des 5 goussets 40. Chaque flotteur 10 est associé à un gousset respectif. Chaque gousset 10 est formé d'une plaque qui s’étend horizontalement, depuis la surface périphérique 32 du tronçon inférieur 21 du flotteur 10 respectif, entre les deux entretoises inférieures 12 reliées à ce flotteur. Un bord libre 41 du gousset s'étend entre les deux entretoises, symétriquement, à distance des 10 autres goussets.
Les goussets permettent d’ajouter de la masse à distance de l'axe XI de la plateforme 8. Ainsi, ils permettent de modifier la période propre d'oscillation de la plateforme 8 et du système 1. Ainsi, à ces goussets, cette période propre 15 peut être repoussée en dehors des périodes de la houle auxquelles ils sont soumis. Cette disposition permet une amélioration notable du comportement d'une plateforme en mer, ainsi de ce qu'elle supporte ; dans le cas d'espèce une éolienne.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent.
Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de 25 l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Ainsi, le pylône en structure tubulaire peut être haubané par des câbles allant depuis le pylône jusqu’aux trois flotteurs.
-9II peut aussi y avoir plus de trois flotteurs, par exemple 4, 5 ou 6, de préférence régulièrement répartis autour d'un axe vertical de la plateforme.
A la différence du pylône décrit ci-dessus, le pylône peut comprendre un 5 unique mât cylindrique supporté à sa base par un trépied, chacun des trois pieds du trépied reposant sur une entretoise supérieure respective, de sorte que le mât cylindrique est sensiblement centré relativement aux flotteurs.
L'intérêt d'un tel système est de pouvoir amener l'ensemble constitué par la w plateforme et l’éolienne en remorquage sur le site final à partir d'un port pour éviter de coûteux travaux d'installation en mer. Pour cela le tirant d'eau est limité et il a été vérifié que la stabilité est conforme aux règles pendant cette phase. Une fois sur place, chaque flotteur est relié à ses lignes de mouillage : câbles, chaînes, ancres qui auront été préinstallées et testées avant l'arrivée de 15 la plateforme.
Une des difficultés est le montage du mât, de la nacelle et des pales ; ce sont des charges lourdes et volumineuses à installer sur une plateforme flottante. Cette difficulté est diminuée par l’invention. Grâce au système selon 20 l’invention, cette phase peut être faite soit au port, soit sur un site plus profond et protégé de la houle, soit en pleine mer. L’utilisation d’une éolienne à deux pales permet, par exemple, en disposant les pales à l'horizontale, de poser l’ensemble pales et nacelle sur une barge puis de hisser cet ensemble, même en mer, en haut du mât. Le mât peut être érigé en plusieurs éléments, comme cela 25 se fait pour les grues à tour ou les mâts de forage du type « bootstrap ». Ces solutions permettent d'éviter l'utilisation de grues flottantes de très grande capacité, très onéreuses, surtout en milieu offshore.
L’élargissement des moyens de perte de charge peut n’être que partiellement 30 annulaire, c’est-à-dire qu’il ne fait pas un tour complet de la base du flotteur.
-10Bien entendu, ce type de flotteur est adapté à des plateformes qui sont prévues pour porter tout type de structure, et pas seulement une éolienne.

Claims (11)

  1. Revendications
    1. Plateforme flottante (8), d'axe vertical (XI), ayant au moins trois 5 flotteurs (10), chaque flotteur étant relié à chacun de deux flotteurs voisins par une entretoise inférieure (12) respective reliée à leurs bases (21, 26), ces deux entretoises étant sensiblement horizontales et formant entre elles un angle (A 12) inférieur à 180 degrés, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre des goussets (40) s'étendant
    10 entre les deux entretoises d'un flotteur respectif, à proximité dudit flotteur, de préférence depuis une paroi périphérique (32) de ce flotteur.
  2. 2. Plateforme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'à chaque flotteur est associé un gousset respectif.
  3. 3. Plateforme selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce chaque gousset a la forme d'une plaque.
  4. 4. Plateforme selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque flotteur comprend, à sa base, des moyens (30) de perte de charge comprenant un élargissement radial (28, 31, 32) et au moins un passage d’eau (33) entre une surface supérieure (31) et une surface inférieure (28) dudit élargissement.
  5. 5. Plateforme selon la revendication 4, caractérisée en ce que la surface périphérique (32) du flotteur est une surface périphérique de l'élargissement radial.
  6. 6. Plateforme selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend seulement trois flotteurs.
  7. 7. Plateforme selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les flotteurs (10) sont sensiblement régulièrement répartis autour de l'axe de plateforme (XI).
    5
  8. 8. Plateforme selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque flotteur (10) est relié à chacun de deux flotteurs voisins, dans leurs parties supérieures (24), par une entretoise supérieure (11), de préférence sensiblement horizontale.
    io
  9. 9. Plateforme selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque entretoise supérieure (11) est soutenue par deux étais (13), chacun desdits étais étant fixé par une première extrémité au voisinage du milieu de ladite entretoise et, par une deuxième extrémité, au flanc d’un flotteur (10) respectif.
  10. 10. Système d'éolienne caractérisé en ce qu'il comprend une plateforme selon l'une des revendications 8 et 9 et une éolienne (2) qui comprend un pylône (6) supportant une génératrice (4), ledit pylône étant supporté par trois pieds (9) et comprenant de préférence trois mâts (7), chaque mât
    20 formant l’un desdits pieds.
  11. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque pied (9) repose sensiblement au milieu d’une entretoise supérieure (11) respective.
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