WO2018015642A1 - Structure de tour pour supporter au moins un rotor d'eolienne a axe vertical - Google Patents

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wind turbine
tower
central axis
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Raphaël MENARD
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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a tower structure for supporting one or more vertical axis wind turbine rotors.
  • the resistance of such load-bearing structures which are reduced to a fixed central mast, for vertical axis wind turbines may be insufficient with respect to the weight of the rotors or against the wind pressure, and more generally insufficient with respect to horizontal, static and dynamic forces that are generated by the wind turbines, especially when the wind turbine height is large and / or that several vertical axis wind turbine rotors are superimposed along the mast.
  • each vertical axis wind turbine rotor is supported in the hollow structure by two sets of radial bars that support rotating bearings. The rotor is thus secured to a rotatable central portion of each bearing, and the peripheral portion of the bearing is integral with the radial bars which are also connected to the hollow structure.
  • Such a level rotary is mounted at the lower end of each rotor, and another rotatable bearing is mounted at the upper end of the rotor.
  • the two bearings together support the weight of the rotor, and are themselves supported by the radial bars which are connected to the hollow structure outside the volume swept by the rotor.
  • Two sets of radial bars, called diaphragms, are thus arranged above and below each rotor, respectively.
  • Each diaphragm therefore has the three functions of supporting the weight of a rotor, maintaining the centering of this rotor relative to the hollow structure, and transmitting the horizontal forces to the hollow structure.
  • the radial bars of each diaphragm must be sufficiently robust, and therefore heavier, contributing to increase the requirement of robustness of the hollow structure.
  • the cost of the wind tower is therefore increased accordingly, and the assembly of the complete tower structure is also more complex.
  • a tower structure which is thus reinforced has a higher wind grip, requiring to strengthen even more.
  • a first aspect of the invention provides a novel tower structure for supporting at least one vertical axis wind turbine rotor, comprising a hollow structure that extends vertically. and which is intended to rest on the ground by feet of the latter angularly distributed about a central vertical axis of the hollow structure, said central axis.
  • the hollow structure laterally limits the tower structure in planes that are parallel to the ground at varying height levels.
  • the tower structure of the invention further comprises:
  • a fixed mast structure which is intended to axially support each wind turbine rotor, and which is arranged on the central axis; a set of support relay segments, which are each arranged obliquely with respect to the central axis, and which connect a lower part of the mast structure to locations of the hollow structure which are angularly distributed about the central axis, said bearing relay segments being connected to the hollow structure at the feet or above the feet, so as to support at least a portion of a weight of the structure mast and each rotor, and to transfer this portion of weight to the hollow structure; and
  • a set of holding bars for each wind turbine rotor which are distributed angularly around the central axis and which laterally connect a portion of the mast structure situated above the wind turbine rotor, to the hollow structure of in order to maintain a centering of the mast structure with respect to the hollow structure.
  • Each set of holding bars constitutes a diaphragm as introduced previously. Due to the fact that the weight of each wind turbine rotor is largely supported by the mast structure, and that this mast structure is itself supported by the bearing relay segments, the diaphragms essentially have a function of centering of the mast structure with respect to the hollow structure, possibly with a residual weight support function but not necessarily, so that the support bars can be simplified and lightened. With this architecture modification, each diaphragm can have a reduced weight and have a lower wind hold. The simplified and lightened tower structure also disturbs the flow of wind on each rotor to a lesser extent, and may be easier to assemble.
  • this geometric and constructive arrangement contributes to the overall stability of the hollow structure, in particular with respect to buckling instabilities.
  • the use of the support relay segments prevents the mast structure from standing on the ground by itself, so that the preparation of the ground at the location of the tower structure is not made more complex.
  • the tower structure When the tower structure is intended to support a plurality of vertical axis wind turbine rotors, which are superimposed along the central axis and all carried by the mast structure, it may comprise several sets of support bars, each set of holding bars being disposed between two wind turbine rotors which are successive along the central axis, or above the highest wind turbine rotor in the tower structure.
  • Each holding bar is preferably horizontal, so that each set of holding bars, or diaphragm, is contained in a horizontal plane which is located above the corresponding wind turbine rotor.
  • the wind catch of the tower structure is thus reduced, with respect to holding bars which would be oblique with respect to the central axis.
  • At least one of the holding bars can be connected to the mast structure in a manner that is at least partially tangential to the mast structure. In this way, a resistance of the tower structure against torsional deformations about the central axis can be increased. Such torsional deformations are indeed likely to occur during braking of the wind turbine, in particular.
  • the tower structure may have sections that have any shapes in horizontal planes, including irregular polygon-shaped sections.
  • the tower structure including the bearing relay segments and the holding bars, can be invariant by rotation of order N about the central axis, N being an integer between 2 and 9.
  • the sections of the tower structure in the horizontal planes may have regular polygon shapes with N sides.
  • N-rotation rotation invariance around the central axis is understood to mean the property of the tower structure to be superimposed on itself after having been rotated by an angle of 360 / N, expressed in degrees, around the central axis.
  • the following improvements can be implemented separately or in combination of several of them:
  • the support relay segments can compete on the mast structure at the same level of height above the ground, forming an apex of conical geometry
  • the tower structure can be adapted to support three, four, five or six vertical axis wind turbine rotors, which are superimposed along the axis central and all carried by the mast structure;
  • the hollow structure may comprise uprights each extending from one of the legs to an apex of the tower, and also comprise rigid segments which connect the uprights so as to set spacing distances between those -this ;
  • the mast structure may comprise several mast segments which are arranged in alignment with each other on the central axis, with connecting elements between two successive mast segments, and the bars of each set of holding bars can be connected to the mast structure by the connecting elements.
  • the connecting elements between two mast segments which are successive in the mast structure may each comprise a fixed central part of an upper rotary bearing intended to prevent a rotor which extends below the connecting member laterally tilts and also comprises a fixed central portion of a lower rotatable bearing for at least partially supporting a rotor which extends above this connecting member.
  • a tower which comprises:
  • At least one vertical axis wind turbine rotor which is supported by the tower structure so that the axis of the rotor is superimposed with the central axis of the hollow structure.
  • each rotor may be integral with respective movable peripheral portions of a lower rotary bearing and an upper rotary bearing, these bearings being dedicated to the rotor.
  • the respective fixed central portions of these lower and upper bearings can then be integral with the mast structure.
  • FIG. 1 shows a vertical axis wind turbine tower, according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 corresponds to FIG. 1 for a second embodiment of the invention
  • FIG. 5a corresponds to FIG. 3 for alternative embodiments of the invention
  • FIG. 5b is a sectional view in a horizontal plane of a connecting element which is in accordance with FIG. 5a.
  • the tower structure 100 comprises the hollow structure 10, the mast structure 20, the bearing relay segments 25, and the diaphragms 30. It forms a wind turbine tower with the wind turbine rotors 40 which are assembled together. above the others in the tower structure 100.
  • the hollow structure 10 comprises for example three uprights January 1 which can each extend from the floor on which the tower is installed, to an apex of the tower. It also comprises the feet 12 at the junction of the uprights 1 1 with the ground, as well as the rigid segments 13. These rigid segments 13 are intended to impose desired spacings between the uprights 1 1, and to ensure rigidity to the 10 for the sake of clarity of the figures, all the rigid segments 13 of the illustrated embodiments have not been shown, since these rigid segments 13 are not concerned by the invention.
  • the mast structure 20 is vertical and supports the rotors 40. It is itself supported at its lower end by the bearing relay segments 25, in a position which is preferably centered with respect to the hollow structure 10.
  • the bearing relay segments 25 are oblique, with their lower ends fixed on the structure 10, and their upper ends which are connected to the lower end of the mast structure 20.
  • the bearing relay segments 25 are identical and arranged regularly around a central vertical axis AA of the hollow structure , to distribute the weight of the mast structure 20 and the rotors 40 in a manner which is balanced between the legs 12.
  • the bearing relay segments 25 may form with the central axis AA, at the interior of meridian planes, angles which are all equal and between 30 ° and 60 ° (degree).
  • the point of the mast structure 20 to which the bearing relay segments 25 are connected forms a vertex of conical geometry which is denoted S in FIGS. 1, 2 and 4.
  • Each diaphragm 30 is constituted by several holding bars 31 which each connect the mast structure 20 to the hollow structure 10, according to holding directions.
  • the holding bars 31 are horizontal, so that each diaphragm 30 is contained in a horizontal plane.
  • the holding bars 31 of the same diaphragm may also be identical to each other by being angularly distributed around the central axis A-A.
  • Each diaphragm 30 is located above a rotor 40, so that the first rotor from the bottom of the tower is located between the vertex S which is formed by the bearing relay segments 25 and the first diaphragm 30 then the upper rotors 40 are each located between two successive diaphragms 30.
  • the holding bars 31 directly connect the mast structure 20 to the uprights 1 1 of the structure hollow 10, inside each diaphragm 30.
  • three rigid segments 13 interconnect the amounts 1 1 two-to-two in the plane of the diaphragm 30.
  • the diaphragm 30 appears as an equilateral triangle with three radii which come from the vertices of this triangle.
  • the bearing relay segments 25 can be connected to the uprights 11 of the hollow structure 10, in this embodiment of FIG.
  • the uprights 1 1 are connected in pairs by pairs of rigid segments 13 which are connected end-to-end between two uprights.
  • Six rigid segments 13 thus form a horizontal regular hexagon at each diaphragm 30, with a vertex on two of this hexagon which is connected to one of the uprights 1 1, and vertices which are intermediate between those connected to the uprights 1 1 .
  • These intermediate vertices may also be connected to the uprights 1 1 by additional rigid segments which are oblique (not shown), to maintain them in the plane of the diaphragm.
  • SC the hex vertices that are connected to the uprights 1 1
  • SI intermediate vertices
  • the diaphragm 30 may comprise three holding bars 31 which each connect one of the intermediate tops SI to the mast structure 20.
  • the bearing relay segments 25 can be connected to intermediate peaks SP of a horizontal hexagon of rigid segments 13, whose other vertices SM are connected to the uprights 11.
  • the mast structure 20 is fixed with respect to the hollow structure 10, that is to say it does not rotate, while each rotor 40 rotates around the mast structure 20 and inside the structure dig 10, under the effect of the wind.
  • each rotor 40 is hooked to the mast structure 20 by rotary bearings, whose axis of rotation is superimposed on the central axis AA vertical.
  • two rotary bearings are dedicated to each rotor 40: the lower bearing 41 and the upper bearing 42.
  • Each bearing 41, 42 may have a central portion which is fixed, referenced respectively 41a, 42a, and a mobile peripheral part, referenced respectively 41b, 42b, which is capable of rotating around the corresponding fixed bearing portion.
  • the fixed central portions 41a, 42a of the rotary bearings 41, 42 are rigidly connected to the mast structure 20 at two levels of height thereof.
  • the mobile peripheral portions 41b, 42b may have annular shapes around the corresponding fixed parts, and are each connected to a rotor 40.
  • the mast structure 20 may be formed of several mast segments 21 which are assembled end-to-end by connecting elements 22.
  • Retention bars 31 of the same diaphragm 30 may be connected to the connecting element 22 which is situated between two successive mast segments 21, at the level of the height of the diaphragm 30 in the tower structure 100.
  • this element connection 22 can carry the fixed central portion 42a of an upper rotary bearing 42 for a rotor 40 which is located just below the connecting element.
  • the connecting member 22 is not located just above the last rotor 40 towards the top of the wind turbine tower, it can also carry the fixed central portion 41a of a lower rotary bearing 41 for another rotor 40 which would be located just above the connecting element.
  • Such a design of the separate segmented mast structure 20 which is connected end-to-end facilitates the manufacture, transportation and on-site assembly of the tower structure 100.
  • FIG. 4 shows a possible method of connection between the mast structure 20 and the bearing relay segments 25.
  • the first mast segment 21 from the bottom of the wind turbine tower can be mounted on an element of mast foot 23, to which the bearing relay segments 25 are connected.
  • each rotor 40 the lower plate 43 connects the blades 45 to the movable peripheral portion 41b of the lower rotary bearing 41, and the upper plate 44 connects the blades 45 to the movable peripheral portion 42b of the upper rotary bearing 42.
  • the design of each lower rotary bearing 41 is adapted to transmit the weight load rotor 40 corresponding to the connecting member 22, or to the mast foot member 23 for the lowest rotor in the wind turbine tower, in addition to the function of guiding the rotation of the rotor.
  • the function of each upper rotational bearing 42 may be limited to the function of guiding the rotation of the rotor, by preventing the rotor from tilting to one side of the tower structure 100.
  • each holding bar 31 of the same diaphragm 30 may be radial relative to the central axis AA, regardless of being horizontal or not.
  • a holding bar which is radial is meant a holding bar orientation in which the longitudinal axis of the bar intersects the central axis AA.
  • each holding bar 31 is contained in a meridian plane with respect to the central axis AA.
  • Figure 3 corresponds to such an embodiment, when the mast structure 20 consists of mast segments 21 which are connected end-to-end.
  • the holding bars 31 are not only horizontal, but also radial and connected to a connecting element 22.
  • each holding bar 31 is no longer radial, but may be connected to the periphery of the mast structure 20 in a manner which is less partially tangential.
  • connection is meant that which is at least partially tangential a configuration according to which a holding bar 31 is connected to the mast structure 20 away from the central axis AA, and the longitudinal direction of this holding bar 31 forms an angle which is non-zero, in projection in a horizontal plane, that is to say in a plane which is perpendicular to the central axis AA, with a direction which connects this central axis AA to the point of connection of the holding bar 31 with such mast structures 20.
  • Such configurations with at least partially tangential connections of the holding bars 31 to the mast structure 20 make it possible to increase the resistance of the tower structure 100 against deformations. by twisting around the central axis AA.
  • FIGS. 5a and 5b show a connecting element 22 which is further adapted to a constitution of the mast structure 20 in segments which are connected end-to-end, but with tangential connections of the holding bars 31 to the mast structure 20.
  • the connecting element 22 may be provided with a flange 22a to which the holding bars 31 are connected.
  • CX denotes the point of connection of one of the retaining bars 31 to the flange 22a
  • ⁇ denotes the angle between, on the one hand, the horizontal direction which connects the central axis AA to the connection point CX, and on the other hand the longitudinal direction of the holding bar 31.
  • each holding bar 31 is said tangential when the angle ⁇ is close to or equal to ⁇ / 2, and partially tangential when the angle ⁇ is less than ⁇ / 2, while being non-zero.
  • a zero value for the angle ⁇ corresponds to retaining bars 31 which are radial, without component which is tangential in their connections to the mast structure 20.
  • the invention is not limited to the embodiments which have been described in detail above.
  • secondary aspects of these embodiments can be modified or adapted according to particular constraints.
  • the number of amounts 1 1 can be any, although preferably between three and nine, including the numbers three and nine.
  • the number of rotors 40 which are superimposed in the wind turbine tower may also be any, although preferably between two and six, including two and six.
  • the hollow structure 10 with the bearing relay segments 25 and the holding bars 31 may or may not be N-rotation invariant about the AA axis, where N is an integer greater than or equal to 2.
  • the radial, tangential or partially tangential connection modes of the support bars to the mast structure are independent of the constitution of the latter, in particular independent of a constitution that can be segmented or monoblock for the mast structure.

Abstract

Une structure de tour (100) pour supporter au moins un rotor (40) d'éolienne à axe vertical, comprend une structure creuse (10) et une structure de mât (20) sur laquelle est monté chaque rotor. La structure de mât est fixe, et est supportée par la structure creuse à travers des segments de relais d'appui (25). En outre, la structure de mât est maintenue verticale par des barres de maintien (31) qui sont situées au-dessus de chaque rotor d'éolienne (40). Les barres de maintien peuvent être allégées dans une telle structure de tour, en en facilitant l'assemblage tout en réduisant la prise au vent.

Description

STRUCTURE DE TOUR POUR SUPPORTER AU MOINS UN ROTOR D'EOLIENNE A AXE VERTICAL
La présente invention concerne une structure de tour pour supporter un ou plusieurs rotors d'éolienne à axe vertical.
Les éoliennes à axe vertical sont aussi connues sous l'appellation d'éoliennes de Darrieus. Leurs rotors doivent être supportés au-dessus du sol de façon à maintenir verticalement l'axe de ces rotors. Pour cela, il est connu de disposer un mât vertical qui est fixe, et d'assembler chaque rotor sur le mât de sorte que l'axe de rotation du rotor soit superposé à l'axe du mât. Des paliers rotatifs de chaque rotor entourent extérieurement le mât de façon à ce que la rotation du rotor autour du mât soit guidée, et que le rotor reste constamment centré par rapport au mât. Mais, la résistance de telles structures porteuses qui sont réduites à un mât central fixe, pour des éoliennes à axe vertical, peut être insuffisante par rapport au poids des rotors ou contre la pression du vent, et plus généralement insuffisante vis-à-vis des efforts horizontaux, statiques et dynamiques, qui sont générés par les éoliennes, surtout quand la hauteur d'éolienne est importante et/ou que plusieurs rotors d'éolienne à axe vertical sont superposés le long du mât.
Pour augmenter la résistance contre la pression du vent et ses effets induits, notamment les sollicitations dynamiques, il est aussi connu, notamment des documents FR 2 945 325 et WO 201 6/034818, d'utiliser des structures de tour qui sont creuses pour supporter les rotors d'éolienne à axe vertical. De telles structures creuses sont disposées autour des rotors, et présentent des résistances contre la pression du vent qui sont très supérieures, sans perturber significativement l'écoulement du vent sur chaque rotor. Le rendement de production énergétique de l'éolienne n'est alors pas réduit de façon significative. Chaque rotor d'éolienne à axe vertical est supporté dans la structure creuse par deux ensembles de barres radiales qui soutiennent des paliers rotatifs. Le rotor est ainsi solidaire d'une partie centrale rotative de chaque palier, et la partie périphérique du palier est solidaire des barres radiales qui sont connectées par ailleurs à la structure creuse. Un tel palier rotatif est monté à l'extrémité inférieure de chaque rotor, et un autre palier rotatif est monté à l'extrémité supérieure du rotor. Les deux paliers supportent ensemble le poids du rotor, et sont eux-mêmes supportés par les barres radiales qui sont connectées à la structure creuse à l'extérieur du volume balayé par le rotor. Deux ensembles de barres radiales, appelés diaphragmes, sont ainsi disposés au-dessus et au-dessous de chaque rotor, respectivement. Chaque diaphragme possède donc les trois fonctions de support du poids d'un rotor,de maintien du centrage de ce rotor par rapport à la structure creuse, et de transmission des efforts horizontaux à la structure creuse. Notamment à cause de la fonction de support pondéral, les barres radiales de chaque diaphragme doivent être suffisamment robustes, donc plus lourdes, contribuant à augmenter l'exigence de robustesse de la structure creuse. Le coût de la tour d'éolienne est donc augmenté en conséquence, et l'assemblage de la structure de tour complète est aussi plus complexe. En outre, une structure de tour qui est ainsi renforcée présente une prise au vent supérieure, nécessitant de la renforcer encore plus.
A partir de cette situation, l'invention a pour but de fournir une nouvelle structure de tour pour éolienne à axe vertical, qui ne présente pas les inconvénients précités. Pour atteindre l'un au moins de ces buts ou d'autre, un premier aspect de l'invention propose une nouvelle structure de tour pour supporter au moins un rotor d'éolienne à axe vertical, comprenant une structure creuse qui s'étend verticalement et qui est destinée à reposer au sol par des pieds de celle-ci répartis angulairement autour d'un axe vertical central de la structure creuse, dit axe central. La structure creuse limite latéralement la structure de tour dans des plans qui sont parallèles au sol à des niveaux de hauteur variables. La structure de tour de l'invention comprend en outre :
- une structure fixe de mât, qui est destinée à supporter axialement chaque rotor d'éolienne, et qui est disposée sur l'axe central ; - un ensemble de segments de relais d'appui, qui sont disposés chacun obliquement par rapport à l'axe central, et qui relient une partie inférieure de la structure de mât à des endroits de la structure creuse qui sont répartis angulairement autour de l'axe central, ces segments de relais d'appui étant connectés à la structure creuse au niveau des pieds ou au-dessus des pieds, de façon à supporter une partie au moins d'un poids de la structure de mât et de chaque rotor, et à transférer cette partie de poids à la structure creuse ; et
- un ensemble de barres de maintien pour chaque rotor d'éolienne, qui sont réparties angulairement autour de l'axe central et qui relient latéralement une partie de la structure de mât située au-dessus du rotor d'éolienne, à la structure creuse de façon à maintenir un centrage de la structure de mât par rapport à la structure creuse.
Chaque ensemble de barres de maintien constitue un diaphragme tel qu'introduit précédemment. Grâce au fait que le poids de chaque rotor d'éolienne soit en grande partie supporté par la structure de mât, et que cette structure de mât soit elle-même supportée par les segments de relais d'appui, les diaphragmes ont essentiellement une fonction de centrage de la structure de mât par rapport à la structure creuse, possiblement avec une fonction résiduelle de support pondéral mais pas nécessairement, si bien que les barres de maintien peuvent être simplifiées et allégées. Grâce à cette modification d'architecture, chaque diaphragme peut avoir un poids réduit et présenter une prise au vent qui est inférieure. La structure de tour simplifiée et allégée perturbe aussi l'écoulement du vent sur chaque rotor dans une moindre mesure, et peut être plus simple à assembler. Enfin, cette disposition géométrique et constructive contribue à la stabilité générale de la structure creuse, en particulier vis-à-vis des instabilités de flambement. En outre, l'utilisation des segments de relais d'appui évite que la structure de mât repose par elle-même sur le sol, si bien que la préparation du sol à l'emplacement de la structure de tour n'est pas rendue plus complexe.
Lorsque la structure de tour est destinée à supporter plusieurs rotors d'éolienne à axe vertical, qui sont superposés le long de l'axe central et tous portés par la structure de mât, elle peut comprendre plusieurs ensembles de barres de maintien, chaque ensemble de barres de maintien étant disposé entre deux rotors d'éolienne qui sont successifs le long de de l'axe central, ou au-dessus du rotor d'éolienne le plus élevé dans la structure de tour.
Chaque barre de maintien est préférentiellement horizontale, de sorte que chaque ensemble de barres de maintien, ou diaphragme, soit contenu dans un plan horizontal qui est situé au-dessus du rotor d'éolienne correspondant. La prise au vent de la structure de tour est ainsi diminuée, par rapport à des barres de maintien qui seraient obliques par rapport à l'axe central.
En outre, l'une au moins des barres de maintien peut être connectée à la structure de mât d'une façon qui est au moins partiellement tangentielle à cette dernière. De cette façon, une résistance de la structure de tour contre des déformations par torsion autour de l'axe central, peut être augmentée. De telles déformations par torsion sont en effet susceptibles de se produire en cas de freinage de l'éolienne, en particulier.
De façon générale pour l'invention, la structure de tour peut avoir des sections qui ont des formes quelconques dans des plans horizontaux, y compris des sections en forme de polygones irréguliers. Mais préférentiellement, la structure de tour, y compris les segments de relais d'appui et les barres de maintien, peut être invariante par rotation d'ordre N autour de l'axe central, N étant un nombre entier compris entre 2 et 9. Dans ce cas, les sections de la structure de tour dans les plans horizontaux peuvent avoir des formes de polygones réguliers à N côtés. On entend par invariance par rotation d'ordre N autour de l'axe central la propriété de la structure de tour à se superposer à elle-même après avoir été tournée d'un angle de 360/N, exprimé en degré, autour de l'axe central. Dans des réalisations préférées de l'invention, les perfectionnements suivants peuvent être mis en œuvre, séparément ou en combinaison de plusieurs d'entre eux :
- les segments de relais d'appui peuvent concourir sur la structure de mât à un même niveau de hauteur au-dessus du sol, en formant un sommet de géométrie conique ;
- la structure de tour peut être adaptée pour supporter trois, quatre, cinq ou six rotors d'éolienne à axe vertical, qui sont superposés le long de l'axe central et tous portés par la structure de mât ;
- la structure creuse peut comprendre des montants qui s'étendent chacun à partir d'un des pieds jusqu'à un sommet de la tour, et comprendre aussi des segments rigides qui relient les montants de façon à fixer des distances d'écartement entre ceux-ci ;
- la structure de mât peut comprendre plusieurs segments de mât qui sont disposés en alignement les uns par rapport aux autres sur l'axe central, avec des éléments de raccordement entre deux segments de mât successifs, et les barres de chaque ensemble de barres de maintien peuvent être connectées à la structure de mât par les éléments de raccordement. En particulier, certains au moins des éléments de raccordement entre deux segments de mât qui sont successifs dans la structure de mât, peuvent comprendre chacun une partie centrale fixe d'un palier rotatif supérieur destiné à éviter qu'un rotor qui s'étend en dessous de l'élément de raccordement bascule latéralement, et comprendre aussi une partie centrale fixe d'un palier rotatif inférieur destiné à supporter au moins partiellement un rotor qui s'étend au-dessus cet élément de raccordement.
Par ailleurs, un second aspect de l'invention propose une tour qui comprend :
- une structure de tour qui est conforme au premier aspect de l'invention ; et
- au moins un rotor d'éolienne à axe vertical, qui est supporté par la structure de tour de sorte que l'axe du rotor soit superposé avec l'axe central de la structure creuse.
Dans des réalisations préférées, chaque rotor peut être solidaire de parties périphériques mobiles respectives d'un palier rotatif inférieur et d'un palier rotatif supérieur, ces paliers étant dédiés au rotor. Des parties centrales fixes respectives de ces paliers inférieur et supérieur peuvent alors être solidaires de la structure de mât.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une tour d'éolienne à axe vertical, conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 correspond à la figure 1 pour un second mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 3 et 4 montrent des éléments de raccordement qui peuvent être utilisés dans des réalisations particulières de l'invention ; et
- la figure 5a correspond à la figure 3 pour des réalisations alternatives de l'invention, et la figure 5b est une vue en coupe dans un plan horizontal d'un élément de raccordement qui est conforme à la figure 5a.
Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.
Dans ces figures, les références citées maintenant ont les significations suivantes :
100 structure de tour
10 structure creuse
1 1 montants de la structure creuse
12 pieds de la structure creuse
13 segments rigides de la structure creuse
20 structure de mât
21 segments de mât
22 élément de raccordement
23 élément de pied de mât
25 segments de relais d'appui
30 diaphragme 31 barres de maintien
40 rotors d'éolienne à axe vertical
41 palier rotatif inférieur du rotor 40
41 a partie centrale fixe du palier rotatif 41 41 b partie périphérique mobile du palier rotatif 41
42 palier rotatif supérieur du rotor 40 42a partie centrale fixe du palier rotatif 42
42b partie périphérique mobile du palier rotatif 42
43 platine inférieure de rotor 44 platine supérieure de rotor
45 pale de rotor à axe vertical
La structure de tour 100 comprend la structure creuse 10, la structure de mât 20, les segments de relais d'appui 25, et les diaphragmes 30. Elle forme une tour d'éolienne avec les rotors d'éolienne 40 qui sont assemblés les uns au-dessus des autres dans la structure de tour 100.
La structure creuse 10 comprend par exemple trois montants 1 1 qui peuvent s'étendre chacun depuis le sol sur lequel la tour est installée, jusqu'à un sommet de la tour. Elle comprend aussi les pieds 12 au niveau de la jonction des montants 1 1 avec le sol, ainsi que les segments rigides 13. Ces segments rigides 13 sont destinés à imposer des écartements voulus entre les montants 1 1 , et à assurer une rigidité à l'ensemble de la structure creuse 10. Pour raison de clarté des figures, tous les segments rigides 13 des modes de réalisation illustrés n'ont pas été représentés, étant donné que ces segments rigides 13 ne sont pas concernés par l'invention. La structure de mât 20 est verticale et supporte les rotors 40. Elle est elle-même supportée au niveau de son extrémité inférieure par les segments de relais d'appui 25, dans une position qui est préférentiellement centrée par rapport à la structure creuse 10. Les segments de relais d'appui 25 sont obliques, avec leurs extrémités inférieures qui sont fixées sur la structure creuse 10, et leurs extrémités supérieures qui sont connectées à l'extrémité inférieure de la structure de mât 20. De préférence, les segments de relais d'appui 25 sont identiques et disposés régulièrement autour d'un axe central vertical A-A de la structure creuse, pour répartir le poids de la structure de mât 20 et des rotors 40 d'une façon qui est équilibrée entre les pieds 12. De plus, les segments de relais d'appui 25 peuvent former avec l'axe central A-A, à l'intérieur de plans méridiens, des angles qui sont tous égaux et compris entre 30° et 60° (degré). Ainsi, le point de la structure de mât 20 auquel sont connectés les segments de relais d'appui 25, forme un sommet de géométrie conique qui est noté S dans les figures 1 , 2 et 4.
Chaque diaphragme 30 est constitué par plusieurs barres de maintien 31 qui relient chacune la structure de mât 20 à la structure creuse 10, selon des directions de maintien. De préférence, les barres de maintien 31 sont horizontales, si bien que chaque diaphragme 30 est contenu dans un plan horizontal. Les barres de maintien 31 d'un même diaphragme peuvent aussi être identiques les unes aux autres en étant réparties angulairement autour de l'axe central A-A. Chaque diaphragme 30 est situé au-dessus d'un rotor 40, de sorte que le premier rotor à partir du bas de la tour est situé entre le sommet S qui est formé par les segments de relais d'appui 25 et le premier diaphragme 30, puis les rotors 40 supérieurs sont chacun situés entre deux diaphragmes 30 successifs. De cette façon, l'ensemble des segments de relais d'appui 25 supporte entièrement ou presqu'entièrement le poids de la structure de mât 20 et des rotors 40, en transmettant cette charge pondérale à la structure creuse 10. Les diaphragmes 30 qui sont formés par les barres de maintien 31 n'ont alors presque uniquement qu'une fonction de maintien du centrage de la structure de mât 20 par rapport à la structure creuse 10, à plusieurs niveaux de hauteur. Ainsi, la structure de mât 20 est maintenue verticalement superposée à l'axe central A-A de la structure creuse 10. Des fonctions supplémentaires des barres de maintien 31 peuvent aussi être de transmettre des efforts horizontaux à la structure creuse 10, ainsi que de stabiliser cette dernière d'une façon supplémentaire par rapport aux segments rigides 13.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 , les barres de maintien 31 relient directement la structure de mât 20 aux montants 1 1 de la structure creuse 10, à l'intérieur chaque diaphragme 30. En outre, trois segments rigides 13 relient entre eux les montants 1 1 deux-à-deux dans le plan du diaphragme 30. Ainsi, le diaphragme 30 apparaît comme un triangle équilatéral avec trois rayons qui sont issus des sommets de ce triangle. De la même façon, les segments de relais d'appui 25 peuvent être connectés aux montants 1 1 de la structure creuse 10, dans ce mode de réalisation de la figure 1 .
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les montants 1 1 sont reliés deux-à-deux par des paires de segments rigides 13 qui sont connectés bout-à- bout entre deux montants. Six segments rigides 13 forment ainsi un hexagone régulier horizontal au niveau de chaque diaphragme 30, avec un sommet sur deux de cet hexagone qui est connecté à l'un des montants 1 1 , et des sommets qui sont intermédiaires entre ceux connectés aux montants 1 1 . Ces sommets intermédiaires peuvent par ailleurs être connectés aux montants 1 1 par des segments rigides supplémentaires qui sont obliques (non représentés), pour les maintenir dans le plan du diaphragme. Sur la figure 2, les sommets d'hexagone qui sont connectés aux montants 1 1 sont notés SC, et les sommets intermédiaires sont notés SI. Alors le diaphragme 30 peut comprendre trois barres de maintien 31 qui connectent chacune l'un des sommets intermédiaires SI à la structure de mât 20. D'une façon similaire dans ce mode de réalisation de la figure 2, les segments de relais d'appui 25 peuvent être connectés à des sommets intermédiaires SP d'un hexagone horizontal de segments rigides 13, dont les autres sommets SM sont connectés aux montants 1 1 .
La structure de mât 20 est fixe par rapport à la structure creuse 10, c'est-à-dire qu'elle ne tourne pas, alors que chaque rotor 40 tourne autour de la structure de mât 20 et à l'intérieur de la structure creuse 10, sous l'effet du vent.
Pour cela, chaque rotor 40 est accroché à la structure de mât 20 par des paliers rotatifs, dont l'axe de rotation est superposé à l'axe central A-A vertical. De préférence, deux paliers rotatifs sont dédiés à chaque rotor 40 : le palier inférieur 41 et le palier supérieur 42. Chaque palier 41 , 42 peut posséder une partie centrale qui est fixe, référencée respectivement 41 a, 42a, et une partie périphérique mobile, référencée respectivement 41 b, 42b, qui est capable de tourner autour de la partie fixe de palier correspondante. Les parties centrales fixes 41 a, 42a des paliers rotatifs 41 , 42 sont rigidement connectées à la structure de mât 20 à deux niveaux de hauteur de celle-ci. Les parties périphériques mobiles 41 b, 42b peuvent avoir des formes annulaires autour des parties fixes correspondantes, et sont connectées chacune à un rotor 40.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention qui est illustré par la figure 3, la structure de mât 20 peut être formée de plusieurs segments de mât 21 qui sont assemblés bout-à-bout par des éléments de raccordement 22. Alors, les barres de maintien 31 d'un même diaphragme 30 peuvent être connectées à l'élément de raccordement 22 qui est situé entre deux segments de mât 21 successifs, au niveau de hauteur du diaphragme 30 dans la structure de tour 100. En outre, cet élément de raccordement 22 peut porter la partie centrale fixe 42a d'un palier rotatif supérieur 42 pour un rotor 40 qui est situé juste en dessous de l'élément de raccordement. Eventuellement, si l'élément de raccordement 22 n'est pas situé juste au-dessus du dernier rotor 40 en direction du haut de la tour d'éolienne, il peut aussi porter la partie centrale fixe 41 a d'un palier rotatif inférieur 41 pour un autre rotor 40 qui serait situé juste au-dessus de l'élément de raccordement.
Une telle conception de la structure de mât 20 en segments séparés qui sont raccordés bout-à-bout facilite la fabrication, le transport et l'assemblage sur site de la structure de tour 100.
Enfin, la figure 4 montre un mode de raccordement possible entre la structure de mât 20 et les segments de relais d'appui 25. Le premier segment de mât 21 à partir du bas de la tour d'éolienne peut être monté sur un élément de pied de mât 23, auquel sont connectés les segments de relais d'appui 25.
Dans les figures 3 et 4, les éléments qui sont représentés en pointillés ne sont pas contenus dans le plan de ces figures. En outre, les logements qui sont marqués d'une croix sont destinés à contenir les composants de conversion de l'énergie mécanique de rotation des rotors en énergie électrique.
Au sein de chaque rotor 40, la platine inférieure 43 relie les pales 45 à la partie périphérique mobile 41 b du palier rotatif inférieur 41 , et la platine supérieure 44 relie les pales 45 à la partie périphérique mobile 42b du palier rotatif supérieur 42. Préférablement, la conception de chaque palier rotatif inférieur 41 est adaptée pour transmettre la charge pondérale du rotor 40 correspondant à l'élément de raccordement 22, ou à l'élément de pied de mât 23 pour le rotor le plus bas dans la tour d'éolienne, en plus de la fonction de guidage de la rotation du rotor. La fonction de chaque palier rotatif supérieur 42 peut être limitée à la fonction de guidage de la rotation du rotor, en empêchant que le rotor puisse basculer vers un côté de la structure de tour 100. Dans des premiers modes de réalisation possibles, les barres de maintien 31 d'un même diaphragme 30 peuvent être radiales par rapport à l'axe central A-A, indépendamment d'être horizontales ou non. On entend par barre de maintien qui est radiale une orientation de barre de maintien selon laquelle l'axe longitudinal de la barre coupe l'axe central A-A. Autrement dit, chaque barre de maintien 31 est contenue dans un plan méridien par rapport à l'axe central A-A. La figure 3 correspond à un tel mode de réalisation, lorsque la structure de mât 20 est constituée de segments de mât 21 qui sont raccordés bout-à-bout. Dans le cas représenté à loa figure 3, les barres de maintien 31 sont non seulement horizontales, mais aussi radiales et connectées à un élément de raccordement 22.
Dans d'autres modes possibles de réalisation de l'invention, et qui peuvent être préférés, chaque barre de maintien 31 n'est plus radiale, mais peut être connectée à la périphérie de la structure de mât 20 d'une façon qui est au moins partiellement tangentielle. On entend par connexion qui est au moins partiellement tangentielle une configuration selon laquelle une barre de maintien 31 est connectée à la structure de mât 20 à distance de l'axe central A-A, et la direction longitudinale de cette barre de maintien 31 forme un angle qui est non nul, en projection dans un plan horizontal, c'est-à-dire dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe central A-A, avec une direction qui relie cet axe central A-A au point de connexion de la barre de maintien 31 avec la structure de mât 20. De telles configurations avec connexions au moins partiellement tangentielles des barres de maintien 31 à la structure de mât 20 permettent d'augmenter la résistance de la structure de tour 100 contre des déformations par torsion autour de l'axe central A-A.
Les figures 5a et 5b montrent un élément de raccordement 22 qui est encore adapté à une constitution de la structure de mât 20 en segments qui sont raccordés bout-à-bout, mais avec des connexions tangentielles des barres de maintien 31 à la structure de mât 20. Pour cela, l'élément de raccordement 22 peut être muni d'une collerette 22a à laquelle sont connectées les barres de maintien 31 . CX désigne le point de connexion de l'une des barres de maintien 31 à la collerette 22a, et Θ désigne l'angle entre, d'une part, la direction horizontale qui relie l'axe central A-A au point de connexion CX, et d'autre part la direction longitudinale de la barre de maintien 31 . La connexion de chaque barre de maintien 31 est dite tangentielle lorsque l'angle Θ est proche de ou égal à ττ/2, et partiellement tangentielle lorsque l'angle Θ est inférieur à ττ/2, tout en étant non nul. Une valeur nulle pour l'angle Θ correspond à des barres de maintien 31 qui sont radiales, sans composante qui soit tangentielle dans leurs connexions à la structure de mât 20.
Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus. En particulier, des aspects secondaires de ces modes de réalisation peuvent être modifiés ou adaptés en fonction de contraintes particulières. Notamment, le nombre des montants 1 1 peut être quelconque, bien que préférentiellement entre trois et neuf, y compris les nombres trois et neuf. Le nombre des rotors 40 qui sont superposés dans la tour d'éolienne peut aussi être quelconque, bien que de préférence entre deux et six, y compris deux et six. De même, la structure creuse 10 avec les segments de relais d'appui 25 et les barres de maintien 31 , peut ou non être invariante par rotation d'ordre N autour de l'axe A-A, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. Enfin, les modes de connexion radial, tangentiel ou partiellement tangentiel des barres de maintien à la structure de mât sont indépendants de la constitution de cette dernière, notamment indépendants d'une constitution qui peut être segmentée ou monobloc pour la structure de mât.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Structure de tour (100) pour supporter au moins un rotor (40) d'éolienne à axe vertical, comprenant une structure creuse (10) qui s'étend verticalement et qui est destinée à reposer au sol par des pieds (12) de ladite structure creuse répartis angulairement autour d'un axe vertical central de la structure creuse, dit axe central (A-A), ladite structure creuse limitant latéralement la structure de tour dans des plans parallèles au sol à des niveaux de hauteur variables, la structure de tour étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :
- une structure fixe de mât (20), destinée à supporter axialement chaque rotor d'éolienne (40), et disposée sur l'axe central (A-A) ;
- un ensemble de segments de relais d'appui (25) qui sont disposés chacun obliquement par rapport à l'axe central (A-A), et qui relient une partie inférieure de la structure de mât (20) à des endroits de la structure creuse (10) qui sont répartis angulairement autour de l'axe central, lesdits segments de relais d'appui étant connectés à la structure creuse au niveau des pieds (12) ou au-dessus des pieds, de façon à supporter une partie au moins d'un poids de la structure de mât et de chaque rotor (40), et à transférer ladite partie de poids à la structure creuse ; et
- un ensemble de barres de maintien (31 ) pour chaque rotor d'éolienne
(40), qui sont réparties angulairement autour de l'axe central (A-A) et qui relient latéralement une partie de la structure de mât (20) située au- dessus du rotor d'éolienne (40), à la structure creuse (10) de façon à maintenir un centrage de la structure de mât par rapport à ladite structure creuse.
2. Structure de tour (100) selon la revendication 1 , destinée à supporter plusieurs rotors (40) d'éolienne à axe vertical, superposés le long de l'axe central (A-A) et tous portés par la structure de mât (20), la structure de tour comprenant plusieurs ensembles de barres de maintien (31 ), chaque ensemble de barres de maintien étant disposé entre deux rotors d'éolienne (40) successifs le long dudit axe central, ou au-dessus du rotor d'éolienne le plus élevé dans la structure de tour.
3. Structure de tour (100) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chaque barre de maintien (31 ) est horizontale, de sorte que chaque ensemble de barres de maintien soit contenu dans un plan horizontal situé au-dessus du rotor d'éolienne (40) correspondant.
4. Structure de tour (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'une au moins des barres de maintien (31 ) est connectée à la structure de mât (20) d'une façon qui est au moins partiellement tangentielle à ladite structure de mât.
5. Structure de tour (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les segments de relais d'appui (25) concourent sur la structure de mât (20) à un même niveau de hauteur au-dessus du sol, en formant un sommet (S) de géométrie conique.
6. Structure de tour (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite structure de tour, y compris les segments de relais d'appui (25) et les barres de maintien (31 ), est invariante par rotation d'ordre N autour de l'axe central (A-A), N étant un nombre entier compris entre 2 et 9.
7. Structure de tour (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, adaptée pour supporter trois, quatre, cinq ou six rotors (40) d'éolienne à axe vertical, qui sont superposés le long de l'axe central (A-A) et tous portés par la structure de mât (20).
8. Structure de tour (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure creuse (10) comprend des montants (1 1 ) qui s'étendent chacun à partir d'un des pieds (12) jusqu'à un sommet de la tour, et des segments rigides (13) qui relient les montants de façon à fixer des distances d'écartement entre lesdits montants.
9. Structure de tour (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure de mât (20) comprend plusieurs segments de mât (21 ) qui sont disposés en alignement les uns par rapport aux autres sur l'axe central (A-A), avec des éléments de raccordement (22) entre deux segments de mât successifs, et les barres de chaque ensemble de barres de maintien (31 ) sont connectées à la structure de mât par les éléments de raccordement.
10. Structure de tour selon la revendication 9, dans laquelle certains au moins des éléments de raccordement (22) entre deux segments de mât (21 ) qui sont successifs dans la structure de mât (20), comprennent chacun une partie centrale fixe (42a) d'un palier rotatif supérieur (42) destiné à éviter qu'un rotor (40) qui s'étend en dessous de l'élément de raccordement bascule latéralement, et aussi une partie centrale fixe (41 a) d'un palier rotatif inférieur (41 ) destiné à supporter au moins partiellement un rotor qui s'étend au-dessus dudit élément de raccordement.
1 1 . Tour comprenant :
- une structure de tour (100) qui est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes ; et
- au moins un rotor (40) d'éolienne à axe vertical, qui est supporté par la structure de tour (100) de sorte qu'un axe du rotor soit superposé avec l'axe central (A-A) de la structure creuse (10).
12. Tour selon la revendication 1 1 , dans laquelle chaque rotor (40) est solidaire de parties périphériques mobiles (41 b, 42b) respectives d'un palier rotatif inférieur (41 ) et d'un palier rotatif supérieur (42), qui sont dédiés audit rotor, et dans laquelle des parties centrales fixes (41 a, 42a) respectives desdits paliers inférieur et supérieur sont solidaires de la structure de mât (20).
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