WO2012123209A1 - Dispositif flottant avec systeme d'ancrage particulier - Google Patents

Dispositif flottant avec systeme d'ancrage particulier Download PDF

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WO2012123209A1
WO2012123209A1 PCT/EP2012/052629 EP2012052629W WO2012123209A1 WO 2012123209 A1 WO2012123209 A1 WO 2012123209A1 EP 2012052629 W EP2012052629 W EP 2012052629W WO 2012123209 A1 WO2012123209 A1 WO 2012123209A1
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WO
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Prior art keywords
elastic
anchor
floating device
float
anchor line
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/052629
Other languages
English (en)
Inventor
Alexander Mitzlaff
Cyril Bourgoin
Original Assignee
Nass&Wind Industrie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2013557030A priority Critical patent/JP2014510665A/ja
Priority to EP12704279.4A priority patent/EP2683603A1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B21/00—Tying-up; Shifting, towing, or pushing equipment; Anchoring
    • B63B21/50—Anchoring arrangements or methods for special vessels, e.g. for floating drilling platforms or dredgers

Definitions

  • the present invention relates to a floating device comprising a float and an anchoring system for anchoring the float to the sea floor.
  • the invention relates more particularly to a floating device for a wind turbine, forming an offshore floating wind turbine device, in which at least one wind turbine is mounted on said float.
  • Floating devices comprising a float and an anchoring system for anchoring the float to the seabed, comprising anchor lines, each anchor line being associated with an anchor on the seabed and comprising a first portion comprising a first chain connected to an anchor by a first end, and a second elastic portion comprising at least one elastic cord connected by a first end to the second end of the first portion and connected by its second end to a point of float connection.
  • Anchoring lines with elastic ropes have been used in the offshore field and have demonstrated that they can be sustainable and cost-effective alternatives to conventional anchor lines of chains. / or metal cables.
  • the use of elastic cords allows for more flexible anchoring characteristics, thus avoiding the curve describing the tension in the lines as a function of the float offset from its nominal position. does not have a high derivative.
  • the elastic rope helps cushion the movement of the float.
  • the elastic rope In this type of system, in order to avoid frictional deterioration of the elastic rope, it must never be in contact with the seabed, and must always remain under tension.
  • the elastic rope is connected to the float via a cable or connection chain, and adjustment weights, conventionally known as "clump weights", and / or spring-type or damping elements, must be provided along the length of the rope.
  • anchor line For example, a weight is placed at the junction of the elastic rope and the connecting chain, in order to keep the anchor line under tension. The weights pull towards the down the elastic rope, thus reducing the angle between the anchor line and the seabed.
  • Such weights significantly increase the cost of the anchor line, complicate and increase the costs of installation, maintenance and inspection of anchor lines.
  • the object of the present invention is to provide a low cost anchoring system, with simple components, and which is simple to install, maintain and inspect.
  • the subject of the present invention is a floating device, for example an offshore floating wind turbine device, comprising a float, for example of the semi-submersible type, and an anchoring system, for anchoring the float to the bottom under -marin, said anchoring system comprising at least two anchor lines and at least two anchors on the sea floor, each anchor line being associated with an anchor and comprising
  • a first portion comprising a first chain and / or a wire rope, preferably a first metal chain, connected to an anchor by a first end, and
  • an elastic portion comprising at least one elastic cord, connected by a first end to the second end of the first portion, and connected, directly or indirectly, by its second end to a point of connection of the float,
  • the elongation under load ( c ) of the elastic portion is between 4.10 “ 3 and 10.10 " 3 m / kN, preferably between 5.10 "3 and 8.10 " 3 m / kN.
  • each anchor line comprises an elastic portion having an elongation under particular load, which is greater than that of the elastic portions of the prior art.
  • Such particular elongation properties of the elastic portion make it possible to pre-tension the elastic portion so as to maintain the anchor line in a tensioned configuration, while maintaining good characteristics in terms of tension in the lines.
  • the new anchoring system according to the invention proves lighter than those of the prior art. Indeed, thanks to its modularity, the anchoring system can be adapted to expected efforts by increasing / decreasing the number of elastic ropes of the elastic portion of an anchor line.
  • the maximum tension in the anchor line can be reduced, and a reduced length of first portion will prevent the anchor from rising.
  • the elasticity of the elastic portion makes it possible to damp the movements of the float while not restricting the movements of the float said to be first-order or uncontrollable.
  • the anchor line according to the invention provides a better damping characteristic of the movements of the float and a better tension-offset characteristic than it is possible to obtain by lifting.
  • weight in an anchor line of the prior art for example consisting solely of chain.
  • the elongation ( ⁇ ) and the elongation under load ( ⁇ ⁇ ) expressed in m / kN are defined as follows:
  • L 0 is the length of the elastic portion, at rest
  • AL (L-Lo) is the length variation of the elastic portion
  • F is the reaction force or tensile force of the elastic portion, in response to a force applied to said elastic portion.
  • the ranges of values are inclusive limits, the ranges of values denominated in the form “from ... to " or “between ... and " including the specified terminals.
  • the ratio of the total length of the anchor line to the sum of the water depth below the point of connection to the float, which corresponds to the distance between the point connection point and the point of projection to the sea floor, and the distance from the first end of the first portion to the point of projection is between 0.75 and 0.90, preferably between 0.78 and 0.88 more preferably between 0.80 and 0.85, such a ratio defining the pre-tension of the elastic portion in the anchor line.
  • the pre-tension of the anchor line is defined so that, for a maximum expected displacement of the float, the elastic portion does not rest on the seabed.
  • the ratio of the length of the first portion to the length of the elastic portion is between 0.05 and 0.30, preferably between 0.10 and 0.25. better still between 0.15 and 0.20.
  • the ratio of the mass of the first portion to the pre-tension force in an anchor line is between 1 and 10 kg / kN, preferably between 1 and 10 kg / kN, preferably between 1 and 10 kg / kN, preferably between 1 and 10 kg / kN. 5 kg kN, better still between 2 and 3 kg kN.
  • the ratio of the total length of the anchor line to the distance between the connection point and the projection point on the sea floor is between 3.5 and 6.5, preferably between 4.5 and 5.5, more preferably between 4.8 and 5.2.
  • the ratio of the length of the elastic portion to the total length of the anchor line is between 0.7 and 0.8.
  • the stiffness of the elastic portion is between 3.10 4 and 7.10 4 kN, preferably between 3, 5.10 4 and 6.0 ⁇ 10 4 kN.
  • the indicated stiffness is the stiffness at 50% of the minimum breaking force of the elastic portion.
  • the stiffness of the resilient portion of the invention is significantly lower than that of elastic ropes used to date in the anchoring system, which is typically between 10 .10 and 40 .10 5 kN 5 kN.
  • the linear density of the first portion is between 400 and 650 kg / m.
  • This first portion must prevent any lifting of the anchor.
  • this first portion is formed of a metal chain.
  • each anchor line further comprises a third portion for connecting the elastic portion to the float, comprising a connection chain and / or a metal connection cable.
  • a third portion for connecting the elastic portion to the float comprising a connection chain and / or a metal connection cable.
  • Chains or wire ropes for connection to the float are particularly advantageous because of the large hydrodynamic forces present in this area which could damage the elastic ropes.
  • the elastic portion comprises at least two elastic cords, each elastic cord being connected by a first end to the second end of the first portion, and by its second end to the float, directly or indirectly, preferably indirectly via the aforesaid third portion.
  • the number of elastic cords per elastic portion depends on the environmental conditions that will be encountered by the floating device in operation.
  • each elastic rope is formed of a polyester fiber rope.
  • the anchoring system comprises at least three anchor lines.
  • the anchoring system preferably comprises three anchor lines, but may include more than three anchor lines.
  • the float is of semi-submersible type, comprising at least three columns, rigidly connected to each other by connection elements, each anchor line preferably being connected to a column, the connection point an anchor line being preferably disposed on a submerged portion of the column, for example substantially at the lower end of the column.
  • the floating device further comprises at least one wind turbine mounted on said float, said wind turbine comprising blades, a rotor, preferably with a horizontal axis of rotation, a nacelle and a mast, the mast being connected to said float.
  • the anchoring system is particularly suitable for floating devices intended to be anchored on sites of shallow depths, less than 300 meters deep, which can be as small as 25 meters, and particularly for wind turbine applications on floating sites. sites ranging from 30 to 200 meters deep, preferably from 50 to 150 meters deep, with semi-submersible floats of the order of 10 to 30 meters of draft.
  • FIG. 1 is a partial schematic perspective view of a floating device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a partial side view of the floating device of Figure 1 in its nominal position, illustrating an anchor line of its anchoring system;
  • FIG. 3 is a side view of the floating device of Figure 1, in its nominal position and in a remote position;
  • FIG. 4 is a curve illustrating the offset of the floating device according to the invention as a function of the tension force in an anchor line;
  • FIG. 5 is a curve illustrating the elongation in% of an elastic rope of an elastic portion of the anchoring system as a function of the force applied on said elastic rope expressed as a percentage of the minimum breaking force of said elastic rope; rope.
  • the floating device 1 is intended to receive a wind turbine, and constitutes a floating wind turbine device.
  • the device 1 of a floating wind turbine comprises a wind turbine 10 and a hull or float 20 of the semi-submersible type.
  • the wind turbine 10 comprises in known manner blades 11, a hub or rotor 12 with a horizontal axis of rotation, a nacelle 13 and a mast 14.
  • the wind turbine further comprises a generator, placed in the nacelle to produce electrical energy from the rotation of the blades, electric conversion means for converting the electrical energy produced by the generator into an electrical energy having a given frequency, and electrical transformation means for transforming the voltage between the phases of the electrical energy delivered by the conversion means to bring it to a higher voltage, for example of the order of 33 000 volts.
  • the float 20 comprises three cylindrical vertical columns 21a, 21b, 21c external, arranged at regular angular spaces around the vertical central axis of the float, and interconnected by connecting elements .
  • the float is for example that described in the French patent application, filed in the name of the applicant on November 22, 2010, under No. 1059603, and entitled "Offshore wind turbine device with special semi-submersible float".
  • the connecting elements comprise fully submerged horizontal beams or pontoons 22, upper beams 23, also called bridges or bridges, and a central junction piece.
  • the lower pontoons 22, for example of rectangular section connect the columns two by two in the lower part, in particular at lower portions of said stabilization portion 211, of larger section.
  • the upper beams 23, for example of rectangular section are arranged in the upper part of the columns. Each upper beam extends radially from the central axis of the float to one of the columns.
  • the three beams 23 are connected at the central axis to the connecting piece 24.
  • a vertical intermediate piece 27 is assembled to the connecting piece 24 for supporting the mast 14 of the wind turbine.
  • the columns 21a, 21b, 21c, the pontoons 22, the beams 23 and the intermediate piece 27 are interconnected with a lattice structure comprising primary struts and secondary struts 26.
  • the float comprises more than three outer columns, and / or a central column on which rests the mast of the wind turbine.
  • the columns form advantageously ballasts.
  • the interior volume of the columns is compartmentalized to form separate ballast compartments.
  • Each pontoon may also constitute a separate ballast compartment.
  • the wind turbine device is connected by an electric cable (not shown), said umbilical cable or dynamic cable, to an underwater power cable for conveying the electrical energy produced by the wind turbine to the electrical distribution network.
  • the device also includes an anchoring system for positioning the floating wind turbine device at the production site.
  • the anchoring system comprises three anchor lines 3a, 3b, 3c.
  • Each anchor line is anchored to the seabed 9 via an anchor 31, and is connected to a column, the deployment angle of each anchor line being about 120 °.
  • each anchor line is associated with an anchor 31 on the seabed 9 and comprises a first portion consisting of a first heavy metal chain 32, an elastic portion 33 composed of at least one rope elastic, and a portion 34 of connection.
  • the anchor is for example constituted according to the type of soil encountered on the installation site, a conventional anchor or a drilled pile, or a gravity anchor.
  • the first heavy chain 32 is connected by a first end to the anchor 31.
  • the elastic portion 33 is connected by a first end to the second end of the first heavy chain, and its second end is connected to a first end of the portion. 34 connection, the second end of the connecting portion being attached to a column 21a of the float.
  • the anchoring system is in particular defined so that the offset of the floating device relative to its nominal position is acceptable with respect to the possibilities of static and dynamic displacement of the dynamic cable and so that the yaw stiffness provided by the system of anchorage is sufficient to allow the nacelle to function properly.
  • the offset is the average displacement due to efforts the average static forces induced by the wind turbine, the average static forces induced by the wind acting on the mast and the float, the average static forces induced by the current acting on the float and the anchor lines and the average static forces of drift due to to the swell.
  • the anchoring system must allow, without constraining, the first-order movements induced by the swell and the wind turbine, as well as a part of the second-order movements, and this even under extreme conditions.
  • the offset thus corresponds to the average displacement due to the aforementioned static forces, as well as the dynamic forces induced by the wind turbine and the swell. All components must have sufficient resistance against the static forces induced by the wind turbine, the wind, the current and the drift due to the swell, and with respect to the dynamic forces induced by the wind turbine and the swell.
  • the anchoring system is designed for a range of depths between 40 and 300 m.
  • the elastic portion always works in tension, while the first chain still works by weight.
  • the first chain connected to the anchor prevents the anchor from lifting and chasing.
  • the weight of the first chain is defined primarily by the average drifting forces and the movements of the float in the waves.
  • the angle of the anchor lines to the horizontal must not exceed 6 ° at the anchor.
  • the elastic portion is formed of a single elastic rope or several elastic cords.
  • the elastic cords are connected by their first end to the first chain and by their second end to the connecting portion, the elastic cords being preferably identical and of substantially the same length.
  • the elastic cords may for example be arranged substantially parallel to each other, or be braided.
  • Elastic cords are ropes of synthetic fibers, preferably made of polyester fibers.
  • Such synthetic elastic ropes generally have quadratic stiffness characteristics.
  • the elastic cord is chosen such that the maximum load expected on the elastic cord, including maximum static forces and maximum dynamic forces, does not exceed 50% of the minimum tensile strength of the elastic cord.
  • the stiffness can be considered as being limited to its linear component:
  • the elastic portion is formed of two or three elastic polyester fiber strings, having a diameter of 128 mm, and a minimum breaking force of approximately 3850 kN, each elastic cord being characterized by its elongation curve. expressed in%, as a function of the forces applied on the rope, expressed in% of the minimum breaking force (MBS), as illustrated in FIG. 5.
  • MFS minimum breaking force
  • Each elastic cord has a stiffness of about 1.9.10 4 kN, at 50% of its minimum breaking force.
  • the stiffness of an elastic portion composed of three elastic cords is approximately 5.7 ⁇ 10 4 kN, and the stiffness of an elastic portion composed of two elastic cords is about 3.8 ⁇ 10 4 kN.
  • the elongation under load of the elastic portion is defined by the following formula, assuming a linear approximation of the stiffness:
  • the elongation under a load £ c to an elastic portion formed of three elastic ropes is about 5,2.10 "m / kN, and elongation under load £ c to a resilient portion formed of two elastic cords is approximately 7 , 8.10 ° m / kN.
  • the connecting portion 34 for example formed of a metal connection chain, provides a robust connection between the anchor line and the metal structure of the float.
  • This connection chain passes through a fairlead disposed on a submerged portion of the column extending below the level of the sea, for example disposed at the lower end of the column of the floating device.
  • a first part of the connection chain extends under the fairlead, while a second part of the connection chain extending along the column serves to connect the anchor line to an anchor equipment disposed on the upper deck of the float.
  • connection point C of the anchor line to the float corresponds to said fairlead, the total length of the anchor line being equal to the length of the first chain, plus the length of the elastic portion and the length the first part of the connection chain under the fairlead.
  • the distance referenced di is the distance between the connection point C and the projection point P, which is the vertical projection of the connection point on the bottom 9 underwater.
  • the connection point is arranged at the lower end of the column, the distance di corresponds to the water depth below the float.
  • the distance referenced d 2 is the distance between the projection point P and the first end of the first chain 32 connected to the anchor 31.
  • the floating device In the absence of static and dynamic forces applied to the floating device, the floating device is in a nominal position. In this nominal position, the elastic portions of the anchor lines are claimed.
  • FIG. 3 illustrates two of the three anchoring lines of the floating device, for example the anchoring lines 3a and 3b.
  • the floating device shown in dotted lines represents a remote position of the floating device when horizontal forces F are applied to the float, for example substantially in the axis of the anchor line 3a, so that these efforts are taken up substantially entirely by this anchor line 3a.
  • the elastic portions 33 of the anchor lines never rest on the sea bed 9, in particular the anchor lines which are not subjected to horizontal forces, such as the line 3b in Figure 3.
  • the so-called anchor lines avoid fouling by marine fouling elastic portions and friction on the seabed.
  • the anchoring system is defined so as to have a maximum offset due to the average static forces of about 15 m, and a maximum offset due to the average and dynamic static forces of about 25 m.
  • Two examples of anchoring system are defined in Table 1 below. Table 1
  • the curve of FIG. 4 illustrates the offset (D) of the floating device of Example 2 with respect to its nominal position as a function of the tension force (F T ) in an anchor line, when the forces are in force. axis of said anchor line and are entirely taken over by the latter.
  • the offset (Dmoyen) is approximately 13.5 m and for maximum efforts expected in survival conditions (maximum static forces + forces dynamic maximum) of about 475 t, the offset (Dmax) is about 22.5 m. It appears that this curve does not have a steep slope area, which reduces the risk of breakage of the anchor line in case of harsher environmental conditions than expected.
  • the anchor line of Example 1 comprising an elastic portion formed of two elastic cords, is provided for a system for anchoring a float intended to be placed on a site whose maximum efforts in survival conditions are the order of 300 t.
  • a drop in the tension in the anchor line can be obtained by increasing the length of the elastic portion, this increase in length being 10 to 20 times less expensive than an increase in length of a anchor line made only from warp.

Abstract

La présente invention concerne dispositif flottant comprenant un flotteur et un système d'ancrage comprenant au moins deux lignes d'ancrage 3a et au moins deux ancres 31 sur le fond 9 sous-marin, chaque ligne d'ancrage étant associée à une ancre et comprenant - une première portion (32), comprenant une première chaîne et/ou un câble métallique connectée à une ancre (31) par une première extrémité, et - une deuxième portion, appelée portion (33) élastique, comprenant au moins une corde élastique, connectée par une première extrémité à la seconde extrémité de la première portion, et connectée par sa seconde extrémité à un point (C) de connexion du flotteur, caractérisé en ce que l'allongement sous charge (εc) de la portion (33) élastique est comprise entre 4,0.10-3 et 10,0.10-3 m/kN.

Description

DISPOSITIF FLOTTANT AVEC SYSTEME D'ANCRAGE
PARTICULIER
La présente invention concerne un dispositif flottant comprenant un flotteur et un système d'ancrage pour ancrer le flotteur au fond sous- marin. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif flottant pour éolienne, formant un dispositif d'éolienne flottante offshore, dans lequel au moins une éolienne est montée sur ledit flotteur.
Il est connu des dispositifs flottants comprenant un flotteur et un système d'ancrage pour ancrer le flotteur au fond sous-marin, comprenant des lignes d'ancrage, chaque ligne d'ancrage étant associée à une ancre sur le fond sous-marin et comprenant une première portion comprenant une première chaîne connectée à une ancre par une première extrémité, et une deuxième portion élastique comprenant au moins une corde élastique connectée par une première extrémité à la seconde extrémité de la première portion et connectée par sa seconde extrémité à un point de connexion du flotteur.
Les lignes d'ancrage comprenant des cordes élastiques, généralement fabriquées à partir de fibres synthétiques, ont été utilisées dans le domaine offshore et ont démontrées qu'elles pouvaient constituer des alternatives durables et rentables par rapport aux lignes d'ancrages classiques formées de chaînes et/ou de câbles métalliques. Par rapport aux lignes d'ancrage classiques, l'utilisation de cordes élastiques permet d'obtenir des caractéristiques d'ancrage plus souples, évitant ainsi que la courbe décrivant la tension dans les lignes en fonction du déport du flotteur par rapport à sa position nominale ne présente de dérivée trop élevée. La corde élastique permet d'amortir le mouvement du flotteur.
Dans ce type de système, afin d'éviter une détérioration par frottement de la corde élastique, celle-ci ne doit jamais être en contact avec le fond sous-marin, et doit donc toujours rester sous tension. La corde élastique est dans ce but connectée au flotteur via un câble ou chaîne de connexion, et des poids d'ajustement, classiquement appelés « clump weights », et/ou des éléments de type ressort ou amortisseur, doivent être prévus le long de la ligne d'ancrage. Par exemple un poids est placé à la jonction de la corde élastique et de la chaîne de connexion, afin de maintenir la ligne d'ancrage sous tension. Les poids tirent vers le bas la corde élastique, réduisant ainsi l'angle entre la ligne d'ancrage et le fond sous-marin. De tels poids augmentent de façon significative le coût de la ligne d'ancrage, compliquent et augmentent les coûts d'installation, de maintenance et d'inspection des lignes d'ancrage.
Le but de la présente invention est de proposer un système d'ancrage à coûts réduits, avec des composants simples, et qui soit simple d'installation, de maintenance et d'inspection.
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif flottant, par exemple un dispositif d'éolienne flottante offshore, comprenant un flotteur, par exemple de type semi-submersible, et un système d'ancrage, pour ancrer le flotteur au fond sous-marin, ledit système d'ancrage comprenant au moins deux lignes d'ancrage et au moins deux ancres sur le fond sous-marin, chaque ligne d'ancrage étant associée à une ancre et comprenant
- une première portion, comprenant une première chaîne et/ou un câble métallique, de préférence une première chaîne métallique, connectée à une ancre par une première extrémité, et
- une deuxième portion, appelée portion élastique, comprenant au moins une corde élastique, connectée par une première extrémité à la seconde extrémité de la première portion, et connectée, directement ou indirectement, par sa seconde extrémité à un point de connexion du flotteur,
caractérisé en ce que l'allongement sous charge (£c) de la portion élastique est comprise entre 4.10" 3 et 10.10" 3 m/kN, de préférence entre 5.10"3 et 8.10"3 m/kN.
Selon l'invention, chaque ligne d'ancrage comprend une portion élastique ayant un allongement sous charge particulier, qui est supérieur à celui des portions élastiques de l'art antérieur. De telles propriétés d'allongement particulières de la portion élastique permettent d'effectuer une pré-tension de la portion élastique de manière à maintenir la ligne d'ancrage dans une configuration tendue, tout en maintenant de bonnes caractéristiques en termes de tension dans les lignes d'ancrage en fonction du déport du flotteur, sans utiliser de poids et/ou d'éléments de type ressort ou amortisseur. Cette configuration "tendue" de la ligne d'ancrage permet d'améliorer considérablement la tenue en position du flotteur. De telles lignes d'ancrage selon l'invention, réalisées avec des composants simples et d'installation offshore aisée, permettent de proposer un système d'ancrage à coûts réduits.
Pour des efforts attendus pour un flotteur donné sur un site donné, le nouveau système d'ancrage selon l'invention s'avère moins lourd que ceux de l'art antérieur. En effet, grâce à sa modularité, le système d'ancrage peut être adapté à des efforts attendus en augmentant/diminuant le nombre de cordes élastiques de la portion élastique d'une ligne d'ancrage.
En adaptant l'élasticité de la portion élastique, la tension maximale dans la ligne d'ancrage peut être réduite, et une longueur réduite de première portion empêchera l'ancre de se lever.
L'élasticité de la portion élastique permet d'amortir les mouvements du flotteur tout en ne restreignant pas les mouvements du flotteur dits du premier ordre ou incoercibles. En adaptant l'élasticité de la portion élastique, la ligne d'ancrage selon l'invention confère une meilleure caractéristique d'amortissement des mouvements du flotteur et une meilleure caractéristique tension-déport que ce qu'il est possible d'obtenir par le soulèvement de poids dans une ligne d'ancrage de l'art antérieur, par exemple constituée uniquement de chaîne.
Dans la présente invention, l'allongement (ε), et l'allongement sous charge (ες) exprimée en m/kN sont définis comme suit:
AL dans laquelle L0 est la longueur de la portion élastique, au repos, et AL = (L - Lo) est la variation de longueur de la portion élastique,
Lo
£c = εχ— ,
F
dans laquelle, F est la force de réaction ou Force de tension de la portion élastique, en réaction à un effort appliqué sur ladite portion élastique.
Dans le cas d'une approche linéaire, la raideur (k) de la portion élastique, exprimée en kN est définie par la formule suivante :
k _ F x Lo _ F
AL ~ ε
et l'allongement sous charge (ες) peut être défini comme suit : Lo
8c =
k
Dans la présente description, les plages de valeurs s'entendent bornes incluses, les plages de valeurs libellées sous la forme « de... à ... » ou « entre ...et... » incluant les bornes précisées.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, le rapport de la longueur totale de la ligne d'ancrage sur la somme de la hauteur d'eau sous le point de connexion au flotteur, qui correspond à la distance entre le point de connexion et le point de projection au fond sous-marin, et de la distance de la première extrémité de la première portion au point de projection est compris entre 0,75 and 0,90, de préférence entre 0,78 et 0,88, mieux encore entre 0,80 et 0,85, un tel ratio définissant la pré-tension de la portion élastique dans la ligne d'ancrage. La pré-tension de la ligne d'ancrage est définie de sorte que, pour un déplacement maximal prévu du flotteur, la portion élastique ne repose pas sur le fond sous-marin.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, le rapport de la longueur de la première portion sur la longueur de la portion élastique est compris entre 0,05 et 0,30, de préférence entre 0,10 et 0,25, mieux encore entre 0,15 et 0,20.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, le rapport de la masse de la première portion sur la force de pré-tension dans une ligne d'ancrage est compris entre 1 et 10 kg/kN, de préférence entre 1 et 5 kg kN, mieux encore entre 2 et 3 kg kN.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, le rapport de la longueur totale de la ligne d'ancrage sur la distance entre le point de connexion et le point de projection au fond sous-marin est compris entre 3,5 et 6,5, de préférence entre 4,5 et 5,5, mieux encore entre 4,8 et 5,2.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, le rapport de la longueur de la portion élastique sur la longueur totale de la ligne d'ancrage est compris entre 0,7 et 0,8.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, la raideur de la portion élastique est comprise entre 3.104 et 7.104 kN, de préférence entre 3 ,5.104 et 6,0.104 kN.
Dans la présente, la raideur indiquée est la raideur à 50% de la force de rupture minimale de la portion élastique. La raideur de la portion élastique selon l'invention est significativement inférieure à celle de cordes élastiques utilisées à ce jour dans les systèmes d'ancrage, qui est typiquement comprise entre 10 .105 kN et 40 .105 kN.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, la masse linéique de la première portion est comprise entre 400 et 650 kg/m. Cette première portion doit empêcher tout soulèvement de l'ancre. De préférence, cette première portion est formée d'une chaîne métallique.
Selon un mode de réalisation, chaque ligne d'ancrage comprend en outre une troisième portion pour connecter la portion élastique au flotteur, comprenant une chaîne de connexion et/ou un câble de connexion métallique. Des chaînes ou des câbles métalliques pour la connexion au flotteur sont particulièrement avantageux en raison des efforts hydrodynamiques importants présents dans cette zone qui pourraient endommager les cordes élastiques.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ligne d'ancrage, la portion élastique comprend au moins deux cordes élastiques, chaque corde élastique étant connectée par une première extrémité à la deuxième extrémité de la première portion, et par sa seconde extrémité au flotteur, directement ou indirectement, de préférence indirectement via la troisième portion précitée. Le nombre de cordes élastiques par portion élastique dépend des conditions environnementales qui seront rencontrées par le dispositif flottant en opération.
Selon un mode de réalisation, chaque corde élastique est formée d'une corde en fibre polyester.
Selon un mode de réalisation, le système d'ancrage comprend au moins trois lignes d'ancrage. Le système d'ancrage comprend de préférence trois lignes d'ancrage, mais peut comprendre plus de trois lignes d'ancrage.
Selon un mode de réalisation, le flotteur est de type semi- submersible, comprenant au moins trois colonnes, rigidement connectées les unes aux autres par des éléments de connexion, chaque ligne d'ancrage étant de préférence connectée à une colonne, le point de connexion d'une ligne d'ancrage étant de préférence disposé sur une portion immergée de la colonne, par exemple sensiblement à l'extrémité inférieure de la colonne. Selon un mode de réalisation, pour former un dispositif d'éolienne flottante offshore, le dispositif flottant comprend en outre au moins une éolienne montée sur ledit flotteur, ladite éolienne comprenant des pales, un rotor, de préférence à axe de rotation horizontal, une nacelle et un mât, le mât étant connecté audit flotteur.
Le système d'ancrage est particulièrement adapté pour des dispositifs flottants destinés à être ancrés sur des sites de profondeurs peu importantes, de moins de 300 mètres de profondeur, pouvant être aussi réduites que 25 mètres, et notamment pour des applications en éolien flottant sur des sites allant de 30 à 200 mètres de profondeur, de préférence de 50 à 150 mètres de profondeur, avec des flotteurs de type semi submersible ayant de l'ordre de 10 à 30 mètres de tirant d'eau.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'un dispositif flottant selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle de côté du dispositif flottant de la figure 1 dans sa position nominale, illustrant une ligne d'ancrage de son système d'ancrage ;
- la figure 3 est une vue de côté du dispositif flottant de la figure 1 , dans sa position nominale et dans une position déportée ;
- la figure 4 est une courbe illustrant le déport du dispositif flottant selon l'invention en fonction de la force de tension dans une ligne d'ancrage ;
- la figure 5 est une courbe illustrant l'allongement en % d'une corde élastique d'une portion élastique du système d'ancrage en fonction de l'effort appliqué sur ladite corde élastique exprimé en pourcentage de la force de rupture minimale de ladite corde.
Dans le mode de réalisation illustré, le dispositif 1 flottant est destiné à recevoir une éolienne, et constitue un dispositif d'éolienne flottante.
Le dispositif 1 d'éolienne flottante comprend une éolienne 10 et une coque ou flotteur 20 de type semi-submersible. L' éolienne 10 comprend de manière connue des pales 11, un moyeu ou rotor 12 à axe de rotation horizontal, une nacelle 13 et un mât 14. L'éolienne comprend en outre une génératrice, placée dans la nacelle pour produire de l'énergie électrique à partir du mouvement de rotation des pales, des moyens de conversion électrique pour convertir l'énergie électrique produite par la génératrice en une énergie électrique ayant une fréquence donnée, et des moyens de transformation électrique pour transformer la tension entre les phases de l'énergie électrique délivrée par les moyens de conversion pour l'amener à une tension plus élevée, par exemple de l'ordre de 33 000 volts.
Dans le présent mode de réalisation illustré, le flotteur 20 comprend trois colonnes 21a, 21b, 21c verticales externes, de forme cylindrique, disposées à espaces angulaires réguliers autour de l'axe central vertical du flotteur, et reliées entre elles par des éléments de liaison. Le flotteur est par exemple celui décrit dans la demande de brevet français, déposée au nom de la demanderesse le 22 novembre 2010, sous le n ° 1059603, et intitulée « Dispositif d'éolienne offshore avec flotteur semi-submersible particulier ». Les éléments de liaison comprennent des poutres inférieures ou pontons 22 horizontaux entièrement immergés, des poutres 23 supérieures, appelées également passerelles ou ponts, et une pièce de jonction 24 centrale. Les pontons 22 inférieurs, par exemple de section rectangulaire, relient les colonnes deux à deux en partie inférieure, en particulier au niveau de portions 211 inférieures dite de stabilisation, de section plus importante. Les poutres 23 supérieures, par exemple de section rectangulaire sont disposées en partie supérieure des colonnes. Chaque poutre supérieure s'étend radialement depuis l'axe central du flotteur vers l'une des colonnes. Les trois poutres 23 sont reliées au niveau de l'axe central à la pièce de jonction 24. Une pièce intermédiaire 27 verticale est assemblée à la pièce de jonction 24 pour le support du mât 14 de l'éolienne. Pour une meilleure résistance structurelle et une meilleure rigidité, les colonnes 21a, 21b, 21c, les pontons 22, les poutres 23 et la pièce intermédiaire 27 sont interconnectés avec une structure en treillis comprenant des entretoises 25 primaires et des entretoises 26 secondaires. En variante, le flotteur comprend plus de trois colonnes extérieures, et/ou une colonne centrale sur laquelle repose le mât de l'éolienne. Les colonnes forment avantageusement des ballasts. De préférence, le volume intérieur des colonnes est compartimenté afin de former des compartiments de ballast séparés. Chaque ponton peut également constituer un compartiment de ballast séparé.
Sur le site de production, le dispositif d'éolienne est relié par un câble électrique (non représenté), dit câble ombilical ou câble dynamique, à un câble de puissance sous-marin destiné à acheminer l'énergie électrique produite par l'éolienne vers le réseau de distribution électrique.
Le dispositif comprend également un système d'ancrage, pour le positionnement du dispositif d'éolienne flottante sur le site de production.
Dans le mode de réalisation illustré, le système d'ancrage comprend trois lignes d'ancrage 3a, 3b, 3c. Chaque ligne d'ancrage est ancrée au fond 9 sous-marin via une ancre 31 , et est reliée à une colonne, l'angle de déploiement de chaque ligne d'ancrage étant d'environ 120°.
En référence à la figure 2, chaque ligne d'ancrage est associée à une ancre 31 sur le fond 9 sous-marin et comprend une première portion consistant en une première chaîne 32 lourde métallique, une portion 33 élastique composée d'au moins une corde élastique, et une portion 34 de connexion.
L'ancre est par exemple constituée selon le type de sol rencontré sur le site d'installation, d'une ancre conventionnelle ou d'un pieu foré, ou d'une ancre gravitaire.
La première chaîne 32 lourde est connectée par une première extrémité à l'ancre 31. La portion 33 élastique est connectée par une première extrémité à la seconde extrémité de la première chaîne lourde, et sa seconde extrémité est connectée à une première extrémité de la portion 34 de connexion, la seconde extrémité de la portion de connexion étant fixée à une colonne 21a du flotteur.
Le système d'ancrage est notamment défini de sorte que le déport du dispositif flottant par rapport à sa position nominale soit acceptable vis à vis des possibilités de déplacement statique et dynamique du câble dynamique et de sorte que la raideur en lacet apportée par le système d'ancrage soit suffisante pour permettre le bon fonctionnement de la nacelle. Le déport est le déplacement moyen dû notamment aux efforts statiques moyens induits par l'éolienne, aux efforts statiques moyens induits par le vent agissant sur le mât et le flotteur, aux efforts statiques moyens induits par le courant agissant sur le flotteur et les lignes d'ancrages et aux efforts statiques moyens de dérive dus à la houle. D'autre part, le système d'ancrage doit autoriser, sans les contraindre, les mouvements du premier ordre induits par la houle et l'éolienne, ainsi qu'une partie des mouvements de second ordre, et ceci même dans les conditions extrêmes. Le déport correspond ainsi au déplacement moyen dû aux efforts statiques précités, ainsi qu'aux efforts dynamiques induits par l'éolienne et la houle. Tous les composants doivent avoir des résistances suffisantes vis-à-vis des efforts statiques induits par l'éolienne, le vent, le courant et la dérive due à la houle, et vis-à-vis des efforts dynamiques induits par l'éolienne et la houle.
Le système d'ancrage est conçu pour une plage de profondeurs entre 40 et 300 m. La portion élastique travaille toujours en tension, tandis que la première chaîne travaille toujours en poids.
La première chaîne connectée à l'ancre empêche l'ancre de se soulever et de chasser. Le poids de la première chaîne est défini principalement par les efforts de dérive moyens et les mouvements du flotteur dans les vagues. L'angle des lignes d'ancrage par rapport à l'horizontal ne doit pas excéder 6° au niveau de l'ancre.
La portion élastique est formée d'une seule corde élastique ou de plusieurs cordes élastiques. Dans ce dernier cas, les cordes élastiques sont connectées par leur première extrémité à la première chaîne et par leur seconde extrémité à la portion de connexion, les cordes élastiques étant de préférence identiques et sensiblement de même longueur. Les cordes élastiques peuvent par exemple être disposées sensiblement parallèlement les unes à côté des autres, ou être tressées. Les cordes élastiques sont des cordes de fibres synthétiques, de préférence fabriquées de fibres polyester.
De telles cordes élastiques synthétiques ont généralement des caractéristiques de raideur quadratiques. La corde élastique est choisie de sorte que la charge maximale attendue sur la corde élastique, comprenant les efforts statiques maximum et les efforts dynamiques maximum, n'excède pas 50% de la force de rupture minimale de la corde élastique. Comme approximation, la raideur peut être considérée comme étant limitée à sa composante linéaire :
k _ F x Lo _ F
AL ~ ε
A titre d'exemple, la portion élastique est formée de deux ou trois cordes élastiques en fibre polyester, ayant un diamètre de 128mm, et une force de rupture minimale d'environ 3850 kN, chaque corde élastique étant caractérisée par sa courbe d'allongement exprimée en %, en fonction des efforts appliqués sur la corde, exprimée en % de la force de rupture minimale (MBS) , telle qu'illustrée à la figure 5.
Chaque corde élastique a une raideur d'environ 1,9.104 kN, à 50% de sa force de rupture minimale. La raideur d'une portion élastique composée de trois cordes élastiques est d'environ 5,7.104 kN, et la raideur d'une portion élastique composée de deux cordes élastiques est d'environ 3,8.104 kN.
Pour une portion élastique ayant une longueur L0 au repos d'environ 300 mètre (m), l'allongement sous charge de la portion élastique est défini par la formule suivante, dans l'hypothèse d'une approximation linéaire de la raideur :
Lo Lo
£c = ε x— -—
F k
L'allongement sous charge £c pour une portion élastique formée de trois cordes élastiques est d'environ 5,2.10" m/kN, et l'allongement sous charge £c pour une portion élastique formée de deux cordes élastiques est d'environ 7,8.10° m/kN.
La portion 34 de connexion, par exemple formée d'une chaîne de connexion métallique, procure une connexion robuste entre la ligne d'ancrage et la structure métallique du flotteur. Cette chaîne de connexion passe dans un chaumard disposé sur une portion immergée de la colonne s'étendant sous le niveau 8 de la mer, par exemple disposé à l'extrémité inférieure de la colonne du dispositif flottant. Une première partie de la chaîne de connexion s'étend sous le chaumard, tandis qu'une deuxième partie de la chaîne de connexion s'étendant le long de la colonne sert à connecter la ligne d'ancrage à un équipement d'ancrage disposé sur le pont supérieur du flotteur. Dans le présent mode de réalisation, le point de connexion C de la ligne d'ancrage au flotteur correspond audit chaumard, la longueur totale de la ligne d'ancrage étant égale à la longueur de la première chaîne, additionnée de la longueur de la portion élastique et de la longueur de la première partie de la chaîne de connexion sous le chaumard.
En référence à la figure 2, la distance référencée di est la distance entre le point de connexion C et le point de projection P, qui est la projection verticale du point de connexion sur le fond 9 sous-marin. Dans le mode de réalisation illustré, le point de connexion est disposé à l'extrémité inférieure de la colonne, la distance di correspond à la hauteur d'eau sous le flotteur. La distance référencée d2 est la distance entre le point de projection P et la première extrémité de la première chaîne 32 connectée à l'ancre 31.
En l'absence d'efforts statiques et dynamiques appliqués sur le dispositif flottant, le dispositif flottant est dans une position nominale. Dans cette position nominale, les portions élastiques des lignes d'ancrage sont prétendues.
La figure 3 illustrent deux des trois lignes d'ancrage du dispositif flottant, par exemple les lignes d'ancrages 3a et 3b. Le dispositif flottant illustré en pointillés représente une position déportée du dispositif flottant lorsque des efforts F horizontaux sont appliqués sur le flotteur, par exemple sensiblement dans l'axe de la ligne d'ancrage 3a, de sorte que ces efforts soient repris sensiblement en totalité par cette ligne d'ancrage 3a. Grâce à la pré-tension des lignes d'ancrage, les portions 33 élastiques des lignes d'ancrage ne reposent jamais sur le fond 9 sous- marin, notamment les lignes d'ancrages qui ne sont pas soumises aux efforts horizontaux, telle que la ligne 3b sur la figure 3. Les lignes d'ancrage ainsi prétendues évitent l'encrassement par des salissures marines des portions élastiques et le frottement sur le fond sous-marin.
A titre d'exemple, le système d'ancrage est défini de manière à avoir un déport maximal dû aux efforts statiques moyens d'environ 15 m, et un déport maximal dû aux efforts statiques moyens et dynamiques d'environ 25 m. Deux exemples de système d'ancrage sont définis dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1
Figure imgf000014_0001
La courbe de la figure 4 illustre le déport (D) du dispositif flottant de l'Exemple 2 par rapport à sa position nominale en fonction de la force de tension (FT) dans une ligne d'ancrage, lorsque les efforts sont dans l'axe de ladite ligne d'ancrage et sont entièrement repris par cette dernière. Pour des efforts statiques moyens attendus d'environ 225 t, le déport (Dmoyen) est d'environ 13,5 m et pour des efforts maximum attendus en conditions de survie (efforts statiques maximum + efforts dynamiques maximum) d'environ 475 t, le déport (Dmax) est d'environ 22,5 m. Il ressort que cette courbe ne présente pas de zone à forte pente, ce qui réduit les risques de rupture de la ligne d'ancrage en cas de conditions environnementales plus dures que celles prévues.
La ligne d'ancrage de l'Exemple 1, comprenant une portion élastique formée de deux cordes élastiques, est prévue pour un système d'ancrage d'un flotteur destiné à être placé sur un site dont les efforts maximum en conditions de survie sont de l'ordre de 300 t.
Pour un déport donné souhaité, une baisse de la tension dans la ligne d'ancrage peut être obtenue en augmentant la longueur de la portion élastique, cette augmentation de longueur étant de 10 à 20 fois moins chère qu'une augmentation de longueur d'une ligne d'ancrage fabriquée uniquement à partir de chaîne.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) flottant comprenant un flotteur (20) et un système d'ancrage comprenant au moins deux lignes d'ancrage (3a, 3b, 3c) et au moins deux ancres (31) sur le fond (9) sous-marin, chaque ligne d'ancrage étant associée à une ancre et comprenant
- une première portion (32), comprenant une première chaîne et/ou un câble métallique connectée à une ancre (31) par une première extrémité, et
- une deuxième portion, appelée portion (33) élastique, comprenant au moins une corde élastique, connectée par une première extrémité à la seconde extrémité de la première portion, et connectée par sa seconde extrémité à un point (C) de connexion du flotteur,
caractérisé en ce que l'allongement sous charge (8C) de la portion (33) élastique est comprise entre 4,0.10'3 et ΙΟ,Ο.ΙΟ"3 m/kN.
2. Dispositif flottant selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage (3a, 3b, 3c), le rapport (Rj) de la longueur totale (LT) de la ligne d'ancrage sur la somme de la hauteur d'eau sous le point de connexion (C) au flotteur, qui correspond à la distance (dj) entre le point de connexion (C) et le point de projection (P) au fond sous-marin, et de la distance (d2) de la première extrémité de la première portion (32) au point de projection est compris entre 0,75 and 0,90.
3. Dispositif flottant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage (3a, 3b, 3c), le rapport (R2) de la longueur de la première portion (32) sur la longueur de la portion (33) élastique est compris entre 0,05 et 0,30.
4. Dispositif flottant selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage, le rapport (R3) de la masse de la première portion (32) sur la force de pré-tension (Fp) dans une ligne d'ancrage est compris entre 1 et 10 kg/kN.
5. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage (3a, 3b, 3c), le rapport (Rt) de la longueur totale (LT) de la ligne d'ancrage sur la distance (dj) entre le point de connexion (C) et le point de projection (P) au fond sous- marin est compris entre 3,5 et 6,5.
6. Dispositif flottant selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage (3a, 3b, 3c), le rapport ( 5) de la longueur (L0) de la portion (33) élastique sur la longueur totale (LT) de la ligne d'ancrage est compris entre 0,7 et 0,8.
7. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage, la raideur (k) de la portion (33) élastique est comprise entre 3.104 et 7.104 kN.
8. Dispositif flottant selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que, pour chaque ligne d'ancrage, la masse linéique (W) de la première portion (32) est comprise entre 400 et 650 kg/m.
9. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque ligne d'ancrage (3a, 3b, 3c) comprend en outre une troisième portion (34), pour connecter la portion (33) élastique au flotteur, comprenant une chaîne de connexion et/ou un câble de connexion métallique.
10. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la portion élastique (33) comprend au moins deux cordes élastiques.
11. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque corde élastique est formée d'une corde en fibre polyester.
12. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le système d'ancrage comprend au moins trois lignes d'ancrage (3a, 3b, 3c).
13. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le flotteur (20) est de type semi-submersible, comprenant au moins trois colonnes (21a, 21b, 21c), chaque ligne d'ancrage (3a, 3b, 3c) étant connectée à une colonne.
14. Dispositif flottant selon l'une des revendications 1 à 13, pour former un dispositif (1) d'éolienne flottante offshore, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une éolienne (10) montée sur ledit flotteur (20).
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