WO2019201703A1 - Eolienne flottante a turbines jumelles et a axe vertical - Google Patents

Eolienne flottante a turbines jumelles et a axe vertical Download PDF

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WO2019201703A1 PCT/EP2019/059086 EP2019059086W WO2019201703A1 WO 2019201703 A1 WO2019201703 A1 WO 2019201703A1 EP 2019059086 W EP2019059086 W EP 2019059086W WO 2019201703 A1 WO2019201703 A1 WO 2019201703A1
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wind
turbines
wind turbine
axis
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Stéphane BARRE
Guillaume MAURICE
Guillaume BALARAC
Jean-Luc Achard
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a floating wind turbine comprising a floating platform on which rests a turbomachine comprising two turbines with vertical axis.
  • the turbines are carried by a vertical median pylon, rotatably mounted relative to the floating platform, and connecting members connecting and holding at a distance the rotation shafts of the turbines with respect to the pylon.
  • the wind turbine includes:
  • an active control servo-control device in the yaw of the pylon acting on the pivot shaft of the pylon the servo-control device being arranged and configured so that, in case of activation, the latter sets the pylon in motion; way to place a plane containing the axes of rotation of the first and second turbines substantially perpendicular to the direction of the wind.
  • the field of the invention is in particular that of wind turbines in a marine environment.
  • HAWT horizontal axis wind turbine
  • VAWT vertical axis wind turbine
  • wind turbines currently in operation are installed in shallow water depths, of the order of a few tens of meters: they are so-called "laid” wind turbines.
  • the lower end of the mast of such wind turbines is fixed rigidly to the seabed.
  • conflicts of use coastal fishing zones, signaling service areas and radars
  • tourism tourism (recreational activities and recreation) some projects based on this type of wind turbines find blocked.
  • the number of low-slope and shallow-bottomed wind power sites, such as the North Sea which are the only ones suitable for the installation of this type of rigid-anchor wind turbine, is reduced.
  • the slopes are generally much higher, significantly limiting the establishment of this type of wind turbine on a relatively narrow coastal strip. In the Mediterranean, for example, this band also corresponds to a zone of heavy maritime traffic.
  • the current literature recommends the use of holding structures that include at least one float and are usually attached to the seabed by one or more mooring lines. They can be stabilized, if necessary by submerged weights housed in the funds of the structure. Unlike rigid anchor wind turbines, they can move relative to the seabed, and are sensitive, in particular, to the horizontal forces of the wind on the wind turbine (together with at least the turbines and electrical machines), the horizontal forces of the current on the holding structure, the horizontal and vertical alternating forces of the waves, the currents, the restoring forces of the mooring lines (horizontal and vertical), the buoyancy of Archimedes on the floats, the forces of gravity on all elements.
  • the type of mooring used represents a significant part of the total investment of a marine wind turbine and also ensures its reliability.
  • patent FR 3,048,740 describes a wind turbine composed of two vertical turbines contrarotative rectangular torque master, supported by upper and lower transverse elements held together by a single median mast.
  • the interactions of turbines with straight blades sufficiently close together indeed increase the yield of each;
  • This turbomachine is mounted on a pivot relative to the mast and pivots freely around the vertical axis of the mast. This axis is located upstream of the center of aerodynamic thrust so that the whole is naturally oriented towards the wind.
  • An object of the invention is to further reduce the costs of manufacture and installation of floating wind turbine, without reducing the performance thereof, for example aerodynamic and / or energy performance.
  • Another object of the invention is to facilitate the maintenance of wind turbines. It also aims to propose a wind turbine improving the aerodynamic characteristics and / or energy performance of wind turbines. Presentation of the invention
  • a floating wind turbine comprising a floating platform and a turbomachine resting on the platform, the turbomachine comprising at least:
  • each turbine comprising blades
  • a turbine holding structure comprising:
  • a vertical median pylon the longitudinal axis of which is included in the first plane of symmetry, rotatably mounted along a pivot axis with respect to the floating platform, and up and down link members, which rigidly hold the turbines by their axis of rotation and keep them away from the pylon.
  • the wind turbine includes:
  • a servo-control device in active yaw of the pylon acting on the pivot shaft of the pylon according to the direction of the wind for example of a known type.
  • control device is arranged and configured so that, in case of activation, the latter sets the pylon in motion so as to place a second plane containing the axes of rotation of the first and second turbines substantially perpendicularly. in the direction of the wind.
  • the floating wind turbine according to the invention aims at a better stabilization so as to improve its positioning and / or its orientation with respect to the wind and thus to improve its efficiency.
  • the proposed solution provides a compromise between manufacturing costs, installation and maintenance, and electrical power returned to the network.
  • the floating wind turbine can then accept stronger winds and thus produce more energy compared to floating wind turbines of the prior art.
  • the proposed solution makes it possible to obtain a wind turbine whose turbines start to turn as soon as the wind blows at a speed of 3 m / s (meters per second) and continue to turn up to a wind speed of 24 m / s ( meters per second), the second plane containing the axes of rotation of the first and second turbines facing the wind; the nominal power of the wind turbine being obtained when the wind reaches 12 m / s (meters per second).
  • transverse flow turbines turbines arranged and configured to receive a flow of air in a direction substantially perpendicular to the axis of rotation of the turbines.
  • the turbines used respectively have a substantially vertical axis of rotation.
  • each turbine comprises several rigid blades, distributed around its vertical axis and extending between the upper link member and the lower link member.
  • Each blade has for example a vertical portion remote from the axis and rigidly connected to the center of rotation at its end.
  • each turbine comprises at least two blades.
  • the blades extend in a vertical direction.
  • Each blade is extended at each of its two ends by an arm.
  • the blades extend mainly in a longitudinal direction and the arms extend mainly in a transverse direction.
  • the blades describe rotating cylinders.
  • the arms are connected to shaft members by pivoting links forming a blade rotation axis.
  • each turbine comprises two blades.
  • each turbine comprises three blades.
  • the yaw control device is arranged and configured, in the event of activation, to set the pylon in motion so as to place the second plane containing the axes of rotation of the first and second turbines substantially perpendicular to the direction of rotation. wind and arrange the second plane facing the wind.
  • This embodiment has the advantage of having the wind turbines facing the wind and thus stabilize the wind turbine.
  • the servocontrol device active yaw control is placed at the lower end of the pivot axis of the pylon. It is placed for example under the turbines and / or near the floating platform.
  • the lace servo device comprises a cylindrical portion corresponding to a male portion of a pivot connection, said portion being arranged and configured to penetrate into a cylindrical opening provided in the foot of the pylon, the opening cylindrical corresponding to the female part of said pivot connection in the foot of the pylon. This positioning has the advantage of being easily accessible because at the platform, and allow cooling and natural thermal stabilization due to the proximity to water.
  • control device in active yaw control is arranged and configured so that, in case of inactivation, the pylon is free to rotate.
  • the axis of rotation of the holding structure with respect to the platform is not disposed upstream of the plane of the axes of the turbines, but it is disposed in this plane or downstream from this plane with respect to the wind.
  • the holding structure a rigid assembly that contains the turbines, pivots relative to the floating platform so that the turbines, and their centers of vane force, meet the wind before the pivot pylon.
  • the turbines in the invention are not “downwind" of the mast.
  • the veil assembly of the invention can not be naturally oriented under the support of the wind.
  • the invention thus provides an operation that does not have the same natural stability vis-à-vis the wind direction.
  • this orientation "facing the wind” is maintained continuously through the orientation control and its active control.
  • the connecting members are arranged and configured so that the longitudinal axis of the holding structure is distinct from the second plane containing the axes of rotation of the turbines.
  • the servo-control device active yaw control is arranged and configured to move the pylon so as to place, relative to the floating platform, the longitudinal axis of the holding structure downstream of the second plane with respect to the direction and direction of the wind.
  • the servo-control device active yaw control is arranged and configured to place the second plane containing the axes of rotation of the turbines, and / or the aerodynamic thrust center of the turbomachine, substantially perpendicular to the wind direction .
  • the wind turbine is arranged and configured so that the position of the elements of the turbomachine on the platform so that the center of gravity of the turbomachine is offset and outside the pivot axis of the tower, and located upstream of this axis of pylon pivot relative to the wind.
  • “Turbomachinery elements” means at least the turbines, or the set of turbines, generators, equipment various electrical and maintenance structure, including the pylon itself.
  • center of gravity means the point of application of the resultant forces of gravity or gravity
  • center of buoyancy the point of application of the resultant force forces of Archimedes, and also corresponds to the geometric center of the immersed volume (displaced fluid volume); in static equilibrium, the center of buoyancy and the center of gravity of a floating object are in the same vertical direction.
  • the center of gravity of the turbomachine is such that, when the wind turbine is disposed on a horizontal ground, the vertical direction passing through the center of gravity of the turbomachine is offset from the longitudinal axis of symmetry of the floating platform. It is considered that the center of gravity of the floating platform is located on the longitudinal axis of symmetry of the floating platform.
  • the wind turbine tends to recover towards or in a substantially vertical position due to the action of the wind on the turbines; the longitudinal axis of symmetry of the floating platform forms an angle, called "rectifying angle", less than the angle of insertion or a zero angle with respect to the vertical direction.
  • This piercing moment by construction is thus opposed to the effects of the winds, and thus allows the machine to withstand stronger wind forces than if it was balanced to be vertical in zero wind.
  • this configuration of turbines, offset upstream with respect to the pivot axis of the tower is particularly favorable for obtaining such an offset center of gravity, while maintaining a centered and symmetrical architecture for the float, and therefore simple and compact and economical, for example by simply placing the pivot axis of the pylon in the center of the float.
  • the connecting members are arranged and configured so that the longitudinal axis of the tower is included in the second plane containing the axes of rotation of the turbines.
  • the axis of pivoting of the pylon coincides with the longitudinal axis of the pylon.
  • the longitudinal axis of the pylon coincides with the axis of symmetry longitudinal or central to the floating platform. This saves material, as well as simplicity, compactness and robustness.
  • the pivot axis of the pylon extends in the vertical direction passing through the center of gravity of the floating platform.
  • the pivot axis of the tower extends in a vertical direction that does not pass through the center of gravity of the floating platform.
  • the pylon has a "bayonet" shape, so that the pylon comprises a vertical main portion and a connecting portion connected to the pivot axis, so that the pivot axis of the pylon is distinct from the longitudinal axis of the pylon.
  • This embodiment makes it possible, for example, to further shift the center of gravity of the turbomachine with respect to the center of gravity of the floating platform.
  • the main part makes a rotary connection of the turbomachine with respect to the connection part, about a pivot axis of the turbomachine, which is vertical and located upstream of the wind with respect to the pivot axis of the pylon.
  • the main part is pivotally connected to the connecting part.
  • the main part rotates freely with respect to the connecting part. This rotation thus provides a natural orientation with respect to the pylon, for example for wind direction variations which are of short duration and / or of small magnitude.
  • the active yaw control servo device acts only on the connection portion relative to the floating platform. It is thus possible to limit the operation of the slave control.
  • the aerodynamic thrust center and / or the second plane of the turbomachine is placed downwind, downstream (of the longitudinal axis of the main vertical part), with respect to the axis of pivoting of the turbomachine on the connecting part, and to the wind, upstream, with respect to the axis of pivoting of the bayonet pylon on the floating base.
  • This arrangement makes it possible to obtain both a certain self-alignment of the turbomachine with respect to the wind as well as a gravitational return torque ("piercing moment") allowing a certain compensation of the pitching moment (“pulling moment”) applied. by the wind to the floating platform.
  • the downstream offset of the axis of pivoting of the turbomachine with respect to the pivot axis of the pylon may be less than, equal to, or greater than the offset created by the bayonet.
  • the link members comprise members link up and down, each link member holding an end of an axis of rotation of a turbine.
  • the upper and lower link members extend on both sides of the pylon.
  • the lower link members hold the lower ends of the axes of rotation of the first and second turbines.
  • the upper link members hold the upper ends of the axes of rotation of the first and second turbines.
  • a connecting member may be a rib or a spar. It extends substantially transversely and / or horizontally.
  • the link members allow to maintain each turbine by a pivot connection. They eliminate the need for a central drive shaft. They make it possible to place the straight blades of the turbines sufficiently close to each other so as to increase the efficiency of each of the turbines.
  • the upper and lower link members extend on either side of the pylon so as to have a V shape in a third plane perpendicular to the axis of the pylon.
  • the V-shape of the connecting members makes it possible to shift the axes of rotation of the first and second turbines.
  • This has the advantage of placing the two turbines and thus the center of aerodynamic thrust upstream or downstream of the pivot axis of the tower by the servo-control device in active yaw control so that the plane containing the axes of rotation Turbines (second geometric plane) is oriented with respect to the wind.
  • the pylon has a thin and streamlined shape. This makes it possible to limit the drag of the latter as much as possible, to optimize its quadratic bending moment in order to maintain maximum rigidity and to minimize the consumption of raw material.
  • the pylon will be profiled either with an elliptical shape aspect ratio close to two or following a symmetrical NACA profile 4 rather thick digits (relative thickness greater than 20%).
  • FIGS. 1, 2a, 2b and 2c show a first embodiment of a floating wind turbine according to the invention in which the longitudinal axis of the pylon is distinct from a geometric plane containing the axes of rotation of the two turbines, and in which the pivot axis of the pylon coincides with the longitudinal axis of said pylon;
  • FIG. 1 being a perspective view of the wind turbine
  • FIG. 2a being a diagram of the arrangement of the various axes and planes according to the first embodiment, the wind turbine being seen from above
  • FIGS. 2b and 2c being lateral views in a geometric plane perpendicular to the geometric plane containing the axes of rotation of the turbines
  • FIG. 2b represents the floating wind turbine in an inclined state on a body of water in the absence of wind
  • FIGS. 3, 4a and 4b show a second embodiment of a floating wind turbine according to the invention in which the longitudinal axis of the pylon is included in the geometric plane containing the axes of rotation of the two turbines, and in which the pivot axis of the pylon coincides with the longitudinal axis of said pylon;
  • FIG. 3 being a perspective view of the wind turbine
  • FIG. 4a being a diagram of the arrangement of the various axes and planes according to the second embodiment, the wind turbine being seen from above
  • FIG. 4b being a side view. in a geometric plane perpendicular to the geometric plane containing the axes of rotation of the turbines;
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a floating wind turbine according to the invention in which the longitudinal axis of the pylon is distinct from a geometrical plane containing the axes of rotation of the two turbines, and in which the axis of pivoting of the pylon is distinct from the longitudinal axis of said pylon;
  • Figure 5 is a side view in a geometric plane perpendicular to the geometric plane containing the axes of rotation of the turbines;
  • FIGS. 6a and 6b are diagrams in plan view of the arrangement of the various axes and planes according to the third embodiment, the wind turbine being seen from above, FIG. 6a illustrating the rotation of the holding structure of the turbines according to FIG. the longitudinal axis of the tower, relative to the main vertical portion of the tower and the connecting portion, and Figure 6b further illustrating the rotation of the connection portion of Figure 6a relative to the floating platform along the axis of pivoting of the pylon;
  • FIG. 7 is a photograph showing an example of a turbine with two blades.
  • FIGS. 1, 3 and 5 respectively illustrate a floating wind turbine 10 according to three embodiments which will be described individually below.
  • the wind turbine 10 is of the vertical axis type (VAWT abbreviation of "vertical-axis wind turbine") and is arranged and configured to float on a body of water at great depth, especially at sea far from the shore.
  • the wind turbine 10 comprises a floating platform 14 ensuring the buoyancy of the entire device and serving as a support. Tie rods or cables (not shown) are used to hold the wind turbine in position on the water and prevent it from drifting.
  • FIGS. 1 and 3 show wind turbines out of water.
  • the floating wind turbine 10 comprises a turbomachine resting on the platform 14.
  • the turbine engine also called a wind turbine generator, comprises a vertical pylon 20 fixed to the floating platform 14.
  • the pylon 20 is rotatably mounted according to a pylon pivot axis M (see FIGS. 2b, 2c, 4b and 5) with respect to the floating platform 14.
  • the pylon 20 is intended to support turbines.
  • the floating wind turbine 10 comprises two juxtaposed and counter-rotating vertical-axis turbines 30 with transverse flux.
  • the two turbines 30 have vertical axes of rotation A and A 'parallel to one another.
  • Said axes of rotation are arranged symmetrically with respect to a first geometric plane of symmetry PI.
  • Said axes of rotation A and A ' are parallel to the longitudinal axis L of the pylon.
  • the longitudinal axis L of the pylon extends in the plane of symmetry P 1 so that the longitudinal axis of the pylon is situated between the turbines 30.
  • a geometrical plane P2 containing the two axes of rotation A and A 'of the turbines see FIGS. 2a and 4a.
  • each turbine 30 comprises two blades 32 extending vertically and which, in operation, are subjected to the action of the wind to rotate the turbine.
  • the blades 32 extend parallel to the axis of rotation of the turbine A or A 'and are arranged diametrically opposite with respect to said axes of rotation A or A'.
  • each blade 32 is extended at each of its two ends, an upper end and a lower end, by an arm. At the upper end, each blade 32 is extended by an upper arm 33. At the lower end, each blade 32 is extended by a lower arm 31. The upper arms 33 and lower 31 are respectively connected to the blade 32 by a rounded elbow.
  • the blades of each turbine describe a cylinder in their rotation, see Figures 2a, 4a and 6a.
  • each turbine 30 comprises two turbine axle hubs, an upper hub 36 and a lower hub 34.
  • the hubs 36 and 34 are rotatable about tree elements of reduced height of axis A or A '.
  • Each upper arm 33 is attached to an upper hub 36 and each lower arm 31 is attached to a lower hub 34.
  • the floating wind turbine 10 comprises link members, high link members 43 and low link members 41, fixedly connected to the pylon and carrying and holding remote turbine rotation shafts.
  • the upper link members 43 extend from the top of the pylon; the lower link members 41 extend from the pylon in the vicinity of the floating platform 14.
  • the low link members 41 extend in the vicinity of the water line, away from the waves .
  • each link member 41 maintains each turbine by a pivot connection, eliminating the need for a central drive shaft.
  • Each link member connects the pylon 20 to a hub 34 or 36.
  • the wind turbine further comprises generators (not shown) in order to transform the mechanical energy of rotation of the turbines into electrical energy.
  • Each generator is connected in a known manner to a turbine.
  • the generators are arranged under the lower link members and / or near the floating platform.
  • the floating wind turbine 10 comprises a wind direction detection device (not shown) and a control device in yaw control 50 of the pivot axis M of the pylon.
  • the servo device 50 is disposed near the pivot shaft of the tower to act thereon. It is further disposed near the floating platform 14 to facilitate installation and eventual maintenance.
  • the servocontrol device active yaw control 50 is arranged and configured so that, in case of activation of said device, move the pylon 20 so as to place the second plane P2, containing the axes of rotation A and A turbines 30, substantially perpendicular to the direction of the wind.
  • the wind direction is assumed to be substantially horizontal or parallel to the body of water on which the floating wind turbine is located. In case of inactivation of the servo device, the pylon is left free to rotate.
  • the floating wind turbine is arranged and configured to dispose the pylon 20 downstream of the second plane P2 containing the axes of rotation A and A 'of the turbines relative to the wind direction.
  • the link members 41 and 43 are arranged and configured to place the turbines in the position making it possible to obtain an offset of the longitudinal axis L of the pylon relative to the plane P2 containing the axes of rotation A and A 'of the turbines. so that said longitudinal axis is outside the plane P2, as in Figure 2a.
  • the offset is represented by the distance or the spacing "X".
  • the upper and lower link members 43 extend on either side of the pylon 20 so as to have a V shape.
  • This offset has the effect that the center of gravity CT of the turbomachine is located outside the longitudinal axis L of the pylon which is itself placed in the axis of symmetry of the floating platform 14.
  • the center of gravity CT of the turbomachine is substantially in the plane P2.
  • the center of gravity of the entire wind turbine is at the point CT.
  • the wind turbine is thus maintained in position due to the opposite forces: firstly the weight P applying to the center of gravity CT of the wind turbine, and secondly the buoyancy of Archimedes B applying in the center of buoyancy, represented by the point CP in Figure 2b.
  • the floating platform is at least ten times heavier than the turbomachine.
  • the direction of the wind is represented by the arrows V oriented from left to right.
  • the device for detecting the direction and direction of the wind (not shown) makes it possible to inform the active control servo device in yaw in order to act on the pivot shaft of the pylon to place the plane.
  • FIG. 2a there is illustrated the pivoting of the turbomachine around the pivot axis M of the pylon, from a first position in which a plane P2a (corresponding to the plane P2 before adjustment and represented diagrammatically in dotted lines) is not perpendicular to the wind direction to a second position in which plane P2 (shown schematically in solid lines) is perpendicular to the wind direction.
  • a plane P2a corresponding to the plane P2 before adjustment and represented diagrammatically in dotted lines
  • plane P2 shown schematically in solid lines
  • Figure 2c shows the forces acting on the floating wind turbine when the wind is blowing and according to the direction and direction of the wind.
  • the center of gravity of the turbomachine is located upstream of the pylon relative to the direction of the wind, that is to say to left of the pylon in Figure 2c.
  • the resultant of the wind forces (represented by the arrow Ft) applies to the point T or "center of aerodynamic thrust" on the pylon 20.
  • the point T is located substantially on the longitudinal axis L of the pylon.
  • the pitching moment transmitted to the floating platform by the turbomachine assembly is thus reduced.
  • a significant gain on the dimensions of the float is obtained. This is important considering the cost and raw material consumption related to the float manufacturing (the float cost is estimated at between 15 and 20% of the total cost of a floating offshore wind turbine installation). This arrangement further allows the wind turbine to accept higher wind speeds than the wind turbines of the prior art.
  • the servocontrol device in active yaw control placed in the vicinity of the point O, makes it possible to rotate the turbomachine / aerogenerator unit allowing on the one hand to place it facing the wind and on the other hand to balance the assembly of the wind turbine when the wind blows, see Figures 2a and 2c.
  • FIGS. 3, 4a and 4b the longitudinal axis of the tower L is located or installed in the second plane P2 containing the axes of rotation A. and A 'turbines 30.
  • Figure 4b shows the forces acting on the floating wind turbine when the wind is blowing and depending on the direction and direction of the wind.
  • the center of gravity CT of the turbomachine assembly and the center of gravity of the flotation platform are in the same vertical direction, so that the wind turbine remains substantially vertical in the absence of wind.
  • the active feedback control device in lace 50 placed in the vicinity of the point O, makes it possible to rotate the turbomachine / wind turbine assembly allowing it to be placed facing the wind, see FIG. 4a.
  • the longitudinal axis L of the pylon 20 coincides with the pivot axis M of said pylon, the pivot axis M being understood as the axis of pivoting of the turbomachine with respect to the platform.
  • the axis of rotation of the pylon M is distinct from both the longitudinal axis L of the pylon 20 and of the second plane P2 containing the rotation axes A and A 'of the turbines.
  • the set of turbines 30 and upper link members 43 and bottom 41 is identical to the first embodiment as its arrangement relative to the pylon.
  • the pylon has a bayonet or "L" shape and a free axis of rotation N.
  • the pylon 20 comprises:
  • connecting portion 21 connecting the lower end of the main portion 22 to the platform 14, extending substantially horizontally and perpendicular to the portion main, to carry said main portion 22 and connect to the platform.
  • the longitudinal axis L of the portion 22 of the tower coincides with the axis of free rotation N.
  • the mechanical connection between the main portion 22 and the connecting portion 21 is an axis pivot connection N. No pivotal servocontrol of the main portion 22 relative to the connecting portion 21 is provided.
  • the turbines 30 can pivot relatively around the axis of free rotation N.
  • the plane P2 is not shown in FIGS. 6a and 6b for ease of reading. In replacement, it is represented by two lines forming a "V" high connecting members 43 connecting the turbine rotation shafts to the pylon.
  • the pivot axis of the pylon M is unchanged while the longitudinal axis L of the pylon is cantilever with respect to the floating platform. It should be noted that the dimensions represented here for the floating platform are not necessarily representative, and may vary according to the embodiments.
  • the main part 22 of the pylon may be positioned upstream of the plane P2 containing the axes of rotation A and A 'of the turbines because of the free rotation.
  • This arrangement makes it possible to obtain both a self-alignment of the turbines 30 or of the plane P2 facing the wind by virtue of the free rotation axis N, as well as a gravitational return torque ("piercing moment") allowing a decrease the pitch moment transmitted to the floating wind turbine by means of the servo-control device 50 acting around the pivot axis M.
  • FIG. 6b it is illustrated the pivoting of the connecting part 21 about the axis pivoting M of the pylon.
  • the servocontrol device in active yaw control acts on the pivot axis M so as to place the connecting portion 21, from a first position in which a plane Pl (the plane PI before adjustment) is not parallel to the wind direction, see Figure 6b, to a second position in which the plane PI is parallel to the wind direction, see Figure 6a.

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Abstract

La présente invention concerne une éolienne flottante (10) comprenant une plateforme flottante (14) sur laquelle repose une turbomachine comprenant deux turbines (30) à axe vertical.Les turbines sont portées par un pylône médian vertical (20), monté rotatif par rapport à la plateforme flottante, et par des membres de liaison (41,43) reliant et tenant à distance les arbres de rotation des turbines par rapport au pylône. L'éolienne comprend: - un dispositif de détection de la direction et du sens du vent et - un dispositif (50) d'asservissement de commande active en lacet du pylône agissant sur l'arbre de pivotement du pylône, le dispositif d'asservissement étant agencé et configuré pour qu'en cas d'activation, celui-ci met en mouvement le pylône de façon à placer un plan (P2) contenant les axes de rotation (A,A') des première et deuxième turbines sensiblement perpendiculairement à la direction du vent. Le domaine de l'invention est en particulier celui des éoliennes en milieu marin.

Description

« Eolienne flottante à turbines jumelles et à axe vertical »
La présente invention concerne une éolienne flottante comprenant une plateforme flottante sur laquelle repose une turbomachine comprenant deux turbines à axe vertical. Les turbines sont portées par un pylône médian vertical, monté rotatif par rapport à la plateforme flottante, et par des membres de liaison reliant et tenant à distance les arbres de rotation des turbines par rapport au pylône.
L'éolienne comprend :
- un dispositif de détection de la direction et du sens du vent, et
- un dispositif d'asservissement de commande active en lacet du pylône agissant sur l'arbre de pivotement du pylône, le dispositif d'asservissement étant agencé et configuré pour qu'en cas d'activation, celui-ci met en mouvement le pylône de façon à placer un plan contenant les axes de rotation des première et deuxième turbines sensiblement perpendiculairement à la direction du vent.
Le domaine de l'invention est en particulier celui des éoliennes en milieu marin. Etat de la technique antérieure
La production d'électricité est de nos jours un enjeu crucial. Des technologies de production à partir d'énergies renouvelables ont été développées pour d'une part diversifier les sources d'approvisionnement en énergie et d'autre part produire de l'énergie électrique de manière écologique. Ainsi, des éoliennes ont été développées et installées en particulier sur des terres présentant pas ou très peu d'obstacles et présentant un réseau électrique facilement accessible. En outre, des installations d'éoliennes en milieu marin sont de plus en plus envisagées car le vent y est plus intense et plus constant, du fait de l'absence totale de reliefs. Sur une année, des vitesses moyennes de vent supérieures à 8m/s peuvent ainsi être assurées, permettant d'atteindre plus de 30% de la puissance nominale des éoliennes, valeurs qui sont difficilement atteignables pour les installations terrestres.
Dans le domaine des éoliennes en général, il est connu deux types d'installation : les éoliennes type à axe horizontal (dites HAWT abréviation de "horizontal-axis wind turbine") et les éoliennes type à axe vertical (dites VAWT abréviation de "vertical-axis wind turbine").
En mer, les éoliennes actuellement en activité sont installées sur des profondeurs d'eau peu importantes, de l'ordre de quelques dizaines de mètres : ce sont des éoliennes dites « posées ». L'extrémité inférieure du mât de telles éoliennes est fixée au fond marin de manière rigide. Pour un ensemble de raisons liées à l'écologie, aux conflits d'usage (zones de pêches côtières, zones de servitudes sémaphores et radars), ou au tourisme (activités de plaisance et loisirs) certains projets fondés sur ce type d'éoliennes se trouvent bloqués. En outre le nombre de sites éoliens de faible pente et à faible fond, comme peut en offrir par exemple la mer du Nord, qui sont les seuls propices à l’installation de ce type d’éoliennes à ancrage rigide, est réduit. En revanche, pour la plupart des autres mers et océans, les pentes sont généralement bien supérieures, limitant sensiblement la mise en place de ce type d’éoliennes sur une bande côtière relativement étroite. En méditerranée, par exemple, cette bande correspond également à une zone de fort trafic maritime.
Or il est aujourd'hui envisagé de s'éloigner du rivage en concevant des éoliennes flottantes, qui sont encore au stade de projet voire d'étude papier. L'impact visuel quasi-nul de ces éoliennes permet notamment d’installer des machines plus puissantes et des parcs plus importants évitant le mitage. Aux raisons qui viennent d'être évoquées s'ajoutent des raisons économiques. La ressource en vent est en effet généralement maximale en des sites éloignés du rivage. Un optimum est à rechercher systématiquement entre le gain du à l'accroissement de cette ressource en de tels sites et les surcoûts évidents qu'entraîne l'éloignement du rivage : augmentation de la longueur des câbles électriques et augmentation des coûts de transport et de maintenance. Certains avancent enfin que la fabrication d'une éolienne flottante serait moins coûteuse (à cause des fondations posées au sol) que celle d'une éolienne posée mais cela demande encore des études.
De nouveaux défis techniques se manifestent en effet pour de telles éoliennes. Pour de grandes profondeurs d'eau, la littérature actuelle préconise l’utilisation de structures de maintien qui comportent au moins un flotteur et sont généralement fixées au fond marin par une ou plusieurs lignes d'amarrage. Elles peuvent être stabilisées, le cas échéant par des lests immergés logés dans les fonds de la structure. Contrairement aux éoliennes à ancrage rigide, elles peuvent se déplacer par rapport au fond marin, et sont sensibles, notamment, aux forces horizontales du vent sur l'aérogénérateur (ensemble comprenant au moins les turbines et machines électriques), aux forces horizontales du courant sur la structure de maintien, aux forces alternatives horizontales et verticales des vagues, des courants, aux forces de rappel des lignes d’amarrage (horizontales et verticales), à la poussée d’Archimède sur les flotteurs, aux forces de la pesanteur sur tous les éléments. Le type d’amarrage utilisé représente une part significative de l’investissement total d’une éolienne marine et par ailleurs assure sa fiabilité.
Dans le domaine des éoliennes en milieu aquatique, il est également connu deux types d'installation pouvant être mise en place : les éoliennes type à axe horizontal et les éoliennes type à axe vertical.
Pour améliorer les écoulements de l’air, le brevet FR 3 048 740 décrit une éolienne composée de deux turbines verticales contrarotatives de maître couple rectangulaire, soutenues par des éléments transversaux supérieurs et inférieurs maintenus ensemble par un mât médian unique. Les interactions de turbines à pales droites suffisamment rapprochées accroissent en effet le rendement de chacune ; de plus il a été montré qu'avec de telles turbines jumelles, les parcs d'éoliennes peuvent être densifiés par suite de sillages aérauliques plus resserrés. Cette turbomachine est montée sur un pivot relativement au mât et pivote librement autour de l’axe vertical du mât. Cet axe est situé en amont du centre de poussée aérodynamique de manière que l’ensemble s'oriente naturellement face au vent.
Un but de l'invention est de réduire encore les coûts de fabrication et ou d'installation d'éolienne flottante, sans réduire les performances de celle- ci, par exemple aérodynamiques et/ou de performances énergétiques. Un autre but de l'invention est de faciliter la maintenance des éoliennes. Elle a encore pour but de proposer une éolienne améliorant les caractéristiques aérodynamiques et/ou de performances énergétiques des éoliennes. Exposé de l'invention
Selon l'invention, on atteint au moins l'un des buts précités avec une éolienne flottante comprenant une plateforme flottante et une turbomachine reposant sur la plateforme, la turbomachine comprenant au moins :
des première et deuxième turbines à axe vertical et flux transverse disposées de façon symétrique par rapport à un premier plan de symétrie vertical, chaque turbine comprenant des pales,
une structure de maintien des turbines comprenant :
o un pylône médian vertical, dont l'axe longitudinal est compris dans le premier plan de symétrie, monté rotatif selon un axe de pivotement par rapport à la plateforme flottante, o des membres de liaison haut et bas, qui maintiennent rigidement les turbines par leur axe de rotation et les tiennent à distance du pylône.
L'éolienne comprend :
un dispositif de détection ou de prise en compte de la direction et du sens du vent, et
un dispositif d'asservissement en commande active en lacet du pylône agissant sur l'arbre de pivotement du pylône en fonction de la direction du vent, par exemple d’un type connu.
Selon l’invention, le dispositif d'asservissement est agencé et configuré pour qu'en cas d'activation, celui-ci met en mouvement le pylône de façon à placer un deuxième plan contenant les axes de rotation des première et deuxième turbines sensiblement perpendiculairement à la direction du vent.
Il est possible par exemple de placer les turbines face au vent et de maintenir constamment le deuxième plan face au vent de façon plus précise et plus stable ce qui permet d'améliorer le rendement de l'éolienne. Cela permet aussi d'améliorer la stabilité de l'éolienne en minimisant les oscillations de l'ensemble aérogénérateur autour de l'axe de pivotement du pylône, et de diminuer certaines instabilités de l'éolienne flottante qui peuvent se produire dans le cas d’une régulation passive en lacet telle que connue dans l'art antérieur. L'éolienne flottante selon l'invention vise une meilleure stabilisation de manière à améliorer son positionnement et/ou son orientation par rapport au vent et ainsi améliorer son rendement.
La solution proposée apporte un compromis entre coûts de fabrication, d'installation et de maintenance, et puissance électrique restituée au réseau. En outre, en améliorant la stabilité (en particulier en diminuant le tangage), l'éolienne flottante peut alors accepter des vents plus forts et donc produire plus d’énergie par rapport aux éoliennes flottantes de l'art antérieur. La solution proposée permet d'obtenir une éolienne dont les turbines commencent à tourner dès que le vent souffle à une vitesse de 3 m/s (mètres par seconde) et continuent à tourner jusqu'à une vitesse de vent de 24 m/s (mètres par seconde), le deuxième plan contenant les axes de rotation des première et deuxième turbines étant face au vent ; la puissance nominale de l'éolienne étant obtenue lorsque le vent atteint 12 m/s (mètres par seconde).
On entend par turbines à flux transverse, des turbines agencées et configurées pour recevoir un flux d'air dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation des turbines. Ici, les turbines utilisées présentent respectivement un axe de rotation sensiblement vertical.
Typiquement, chaque turbine comprend plusieurs pales rigides, réparties autour de son axe vertical et qui s'étendent entre le membre de liaison haut et le membre de liaison bas. Chaque pale présente par exemple une partie verticale éloignée de l'axe et reliée rigidement au centre de rotation par son extrémité.
Selon un mode de réalisation, chaque turbine comprend au moins deux pales. Les pales s'étendent selon une direction verticale. Chaque pale se prolonge à chacune de ses deux extrémités par un bras. Les pales s'étendent principalement dans une direction longitudinale et les bras s'étendent principalement dans une direction transversale. Les pales décrivent en rotation des cylindres. Les bras sont reliés à des éléments d'arbre par des liaisons pivotantes formant axe de rotation de pale. Selon un premier exemple, chaque turbine comprend deux pales. Selon un deuxième exemple, chaque turbine comprend trois pales. De préférence, le dispositif d'asservissement en lacet est agencé et configuré pour, en cas d'activation, mettre en mouvement le pylône de façon à placer le deuxième plan contenant les axes de rotation des première et deuxième turbines sensiblement perpendiculairement à la direction du vent et disposer le deuxième plan face au vent.
Ce mode de réalisation a pour avantage de disposer les turbines face au vent et ainsi stabiliser l'éolienne.
De préférence, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est placé à l'extrémité inférieure de l'axe de pivotement du pylône. Il est placé par exemple sous les turbines et/ou près de la plateforme flottante. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'asservissement en lacet comprend une portion cylindrique correspondant à une portion mâle d'une liaison pivot, ladite portion étant agencée et configurée pour pénétrer dans une ouverture cylindrique prévue dans le pied du pylône, l'ouverture cylindrique correspondant à la partie femelle de ladite liaison pivot dans le pied du pylône. Ce positionnement a pour avantage d'être facilement accessible, car au niveau de la plateforme, et de permettre un refroidissement et une stabilisation thermique naturelle du fait de la proximité avec l'eau.
De préférence, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est agencé et configuré pour que, en cas d'inactivation, le pylône soit libre en rotation.
De préférence, et en particulier dans les familles de modes de réalisation exposées ici, l’axe de rotation de la structure de maintien par rapport à la plateforme n’est pas disposé en amont du plan des axes des turbines, mais il est disposé dans ce plan ou en aval de ce plan par rapport au vent.
La structure de maintien, ensemble rigide qui contient les turbines, pivote par rapport à la plateforme flottante pour que les turbines, et leurs centres de poussée vélique, rencontrent le vent avant le pylône de pivotement.
Comme on le comprend, à la différence de l’art antérieur, les turbines dans l’invention ne sont pas "sous le vent" du mât. A la différence de l’art antérieur, l'ensemble vélique de l'invention ne peut donc pas s'orienter naturellement sous l'appui du vent.
L'invention propose ainsi un fonctionnement qui ne présente pas la même stabilité naturelle vis-à-vis de l'orientation du vent. Dans l'invention, cette orientation "face au vent" est maintenue de façon continue grâce à la commande d'orientation et sa régulation active.
Bien que cette configuration implique des contraintes spécifiques et une certaine complexité, elle permet cependant des avantages nouveaux et porteurs d'avenir.
Selon un premier mode de réalisation, les membres de liaison sont agencés et configurés pour que Taxe longitudinal de la structure de maintien soit distinct du deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines. En outre, en cas d'activation, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est agencé et configuré pour mettre en mouvement le pylône de façon à placer, par rapport à la plateforme flottante, l'axe longitudinal de la structure de maintien en aval du deuxième plan par rapport à la direction et au sens du vent.
De manière préférentielle, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est agencé et configuré pour placer le deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines, et/ou le centre de poussée aérodynamique de la turbomachine, sensiblement perpendiculairement à la direction du vent.
Dans cette configuration, on notera que le pivot du pylône est "sous le vent" des turbines, c’est à dire en aval. Dans certaines circonstances, cette configuration est donc susceptible de présenter une instabilité de son orientation, contre laquelle devra alors lutter la commande d’orientation asservie.
De préférence, l'éolienne est agencée et configurée pour que la position des éléments de la turbomachine sur la plateforme de telle façon que le centre de gravité de la turbomachine est décalé et en-dehors de l'axe de pivotement du pylône, et se situe en amont de cet axe de pivotement de pylône par rapport au vent. On entend par « éléments de la turbomachine » au moins les turbines, ou l'ensemble turbines, génératrices, équipement électriques divers et structure de maintien, voire incluant le pylône lui- même.
Pour ce qui précède et pour la suite de la description, on entend par :
- « centre de poussée aérodynamique » le point d'application de la résultante des efforts appliqués par le vent sur la turbomachine ;
- « centre de gravité » le point d’application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur ;
- « centre de flottabilité » le point d’application de la résultante des forces de la poussée d'Archimède, et correspond aussi au centre géométrique du volume immergé (volume du fluide déplacé) ; en équilibre statique, le centre de flottabilité et le centre de gravité d'un objet flottant se situent dans la même direction verticale.
Le centre de gravité de la turbomachine est tel que, lorsque l'éolienne est disposée sur un sol horizontal, la direction verticale passant par le centre de gravité de la turbomachine est décalé de l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante. Il est considéré que le centre de gravité de la plateforme flottante est situé sur l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante. Lorsque l'éolienne flottante est à poste, si l’on considère que la partie "avant" de l’éolienne flottante est celle qui fait face au vent, cet agencement créé un moment, dit moment « piqueur », s'exerçant sur l'éolienne.
Lorsque les forces appliquées sur l'éolienne sont la poussée d'Archimède et la gravité (pas de vent), l'éolienne a tendance à être inclinée du fait dudit décalage ; l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante forme un angle non nul, dit « angle piqueur », par rapport à la direction verticale (qui passe constamment par le centre de flottabilité). Lorsque les forces appliquées sur l'éolienne sont la poussée d'Archimède, la gravité et l'action du vent, l'action du vent créé un moment, dit moment « cabreur » qui compense ledit moment piqueur. L'éolienne a tendance à se redresser vers ou dans une position sensiblement verticale du fait de l'action du vent sur les turbines ; l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante forme un angle, dit « angle redresseur », inférieur à l'angle piqueur ou un angle nul par rapport à la direction verticale. Ce moment piqueur par construction vient ainsi s'opposer aux effets des vents, et permet donc à la machine de supporter des forces de vents plus importantes que si elle était équilibrée pour être verticale par vent nul.
On notera que cette configuration de turbines, décalées vers l'amont par rapport à l'axe de pivotement du pylône, est particulièrement favorable pour l'obtention d'un tel centre de gravité décalé, tout en conservant une architecture centrée et symétrique pour le flotteur, et donc simple et compacte et économique, par exemple en disposant simplement l'axe de pivotement de pylône au centre du flotteur.
Selon un deuxième mode de réalisation alternatif, les membres de liaison sont agencés et configurés pour que Taxe longitudinal du pylône est compris dans le deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines. Ceci a pour avantages d'obtenir une structure plus simple, robuste, compacte et économe en matière première, et d'obtenir une structure plus rigide ce qui permet d'augmenter le seuil des fréquences propres vibratoires et ainsi augmenter l'éloignement avec la fréquence maximale des pales.
Typiquement, selon le premier ou le deuxième mode de réalisation, l'axe de pivotement du pylône est confondu avec l'axe longitudinal du pylône. De préférence, l'axe longitudinal du pylône est confondu avec l'axe de symétrie longitudinal voire central de la plateforme flottante. Ceci permet d'économiser de la matière, ainsi que simplicité, compacité et robustesse.
Selon un mode de réalisation, l'axe de pivotement du pylône s'étend dans la direction verticale passant par le centre de gravité de la plateforme flottante.
Selon un autre mode de réalisation, l'axe de pivotement du pylône s'étend dans une direction verticale qui ne passe pas par le centre de gravité de la plateforme flottante.
Selon un troisième mode de réalisation, le pylône présente une forme en « baïonnette », de sorte que le pylône comprend une partie principale verticale et une partie de raccordement reliée à l'axe de pivotement, de sorte que l'axe de pivotement du pylône est distinct de l'axe longitudinal du pylône.
Ce mode de réalisation permet par exemple de décaler davantage le centre de gravité de la turbomachine par rapport au centre de gravité de la plateforme flottante.
De préférence, la partie principale réalise une liaison rotative de la turbomachine par rapport à la partie de raccordement, autour d'un axe de de pivotement de la turbomachine, lequel est vertical et situé en amont du vent par rapport à l'axe de pivotement du pylône. La partie principale est en liaison pivot par rapport à la partie de raccordement. La partie principale tourne librement par rapport à la partie de raccordement. Cette rotation fournit ainsi une orientation naturelle par rapport au pylône, par exemple pour les variations d’orientation du vent qui sont de courte durée et/ou de faible ampleur. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'asservissement de commande active en lacet agit seulement sur la partie de raccordement relativement à la plateforme flottante. Il est ainsi possible de limiter le fonctionnement de la régulation asservie.
De manière préférentielle, le centre de poussée aérodynamique et/ou le deuxième plan de la turbomachine est placé sous le vent, en aval (de l'axe longitudinal de la partie principale verticale), par rapport à l'axe de pivotement de la turbomachine sur la partie de raccordement, et au vent, en amont, par rapport à l'axe de pivotement du pylône en baïonnette sur la base flottante.
Cet agencement permet d'obtenir à la fois un certain auto-alignement de la turbomachine par rapport au vent ainsi qu'un couple de rappel gravitaire (moment "piqueur") permettant une certaine compensation du moment de tangage (« moment cabreur ») appliqué par le vent à la plateforme flottante.
Selon les configurations, le décalage aval de l’axe de pivotement de la turbomachine par rapport à l’axe de pivotement du pylône peut être inférieur, égal, ou supérieur au décalage créé par la baïonnette.
Selon un mode de réalisation compatible avec tous les modes de réalisation déjà évoqués, les membres de liaison comprennent des membres de liaison hauts et bas, chaque membre de liaison tenant une extrémité d'un axe de rotation d'une turbine. Les membres de liaison hauts et bas s'étendent de part et d'autre du pylône.
Les membres de liaison bas tiennent les extrémités inférieures des axes de rotation des première et deuxième turbines. Les membres de liaison hauts tiennent les extrémités supérieures des axes de rotation des première et deuxième turbines.
Par exemple, un membre de liaison peut être une nervure ou un longeron. Il s'étend sensiblement de manière transversale et/ou horizontale.
Les membres de liaison permettent de maintenir chaque turbine par une liaison pivot. Ils permettent d'éliminer la nécessité d'un arbre central d'entrainement. Ils permettent de placer les pales droites des turbines suffisamment rapprochées l'une de l'autre de manière à accroître le rendement de chacune des turbines.
De préférence, les membres de liaison hauts et bas s'étendent de part et d'autre du pylône de façon à présenter une forme en V dans un troisième plan perpendiculaire à l'axe du pylône.
La forme en V des membres de liaison permet de décaler les axes de rotation des première et deuxième turbines. Ceci a pour avantage de placer les deux turbines et donc le centre de poussée aérodynamique en amont ou en aval de l'axe de pivotement du pylône par le dispositif d'asservissement en commande active en lacet de manière que le plan contenant les axes de rotation des turbines (deuxième plan géométrique) s'oriente par rapport au vent.
Selon un mode de réalisation compatible avec tous les modes de réalisation déjà évoqués, le pylône présente une forme fine et profilée. Ceci permet de limiter au maximum la traînée de celui-ci, d'optimiser son moment quadratique de flexion pour conserver une rigidité maximale et de minimiser la consommation de matière première. Selon une réalisation particulière, le pylône sera profilé soit avec une forme elliptique de rapport d'aspect proche de deux soit suivant un profil NACA symétrique à 4 chiffres plutôt épais (épaisseur relative supérieure à 20%). Description des figures et des modes de réalisation
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1, 2a, 2b et 2c montrent un premier mode de réalisation d'une éolienne flottante selon l'invention dans lequel l'axe longitudinal du pylône est distinct d'un plan géométrique contenant les axes de rotation des deux turbines, et dans lequel l'axe de pivotement du pylône est confondu avec l'axe longitudinal dudit pylône ; la figure 1 étant une vue en perspective de l'éolienne , la figure 2a étant un schéma de la disposition des différents axes et plans conforme au premier mode de réalisation, l'éolienne étant vue de dessus, et les figure 2b et 2c étant des vues latérales selon un plan géométrique perpendiculaire au plan géométrique contenant les axes de rotation des turbines ; la figure 2b représentant l'éolienne flottante dans un état incliné sur un plan d'eau en l'absence de vent et, la figure
2c représentant l'éolienne de la figure 2b dans un état sensiblement horizontal en présence de vent ;
- les figures 3, 4a et 4b montrent un deuxième mode de réalisation d'une éolienne flottante selon l'invention dans lequel l'axe longitudinal du pylône est compris dans le plan géométrique contenant les axes de rotation des deux turbines, et dans lequel l'axe de pivotement du pylône est confondu avec l'axe longitudinal dudit pylône ; la figure 3 étant une vue en perspective de l'éolienne, la figure 4a étant un schéma de la disposition des différents axes et plans conforme au deuxième mode de réalisation, l'éolienne étant vue de dessus, et la figure 4b étant une vue latérale selon un plan géométrique perpendiculaire au plan géométrique contenant les axes de rotation des turbines ;
- la figure 5 montre un troisième mode de réalisation d'une éolienne flottante selon l'invention dans lequel l'axe longitudinal du pylône est distinct d'un plan géométrique contenant les axes de rotation des deux turbines, et dans lequel l'axe de pivotement du pylône est distinct de l'axe longitudinal dudit pylône ; la figure 5 étant une vue latérale selon un plan géométrique perpendiculaire au plan géométrique contenant les axes de rotation des turbines ; - les figures 6a et 6b sont des schémas en vue de dessus de la disposition des différents axes et plans conformément au troisième mode de réalisation, l'éolienne étant vue de dessus, la figure 6a illustrant la rotation de la structure de maintien des turbines selon l'axe longitudinal du pylône, relativement à la partie principale verticale du pylône et à la partie de raccordement, et la figure 6b illustrant en outre la rotation de la partie de raccordement de la figure 6a relativement à la plateforme flottante selon l'axe de pivotement du pylône ;
- la figure 7 est une photo montrant un exemple de turbine à deux pales.
Description d'exemples de mode de réalisation
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Les figures 1, 3 et 5 illustrent respectivement une éolienne flottante 10 selon trois modes de réalisation qui seront décrits individuellement ci- dessous. L'éolienne 10 est du type à axe vertical (dites VAWT abréviation de "vertical-axis wind turbine") et est agencée et configurée pour flotter sur un plan d'eau à grande profondeur, en particulier en mer loin du rivage. L'éolienne 10 comprend une plateforme flottante 14 assurant la flottabilité de l'ensemble du dispositif et servant de support. Des tirants ou des câbles (non représentés) sont utilisés pour maintenir en position l'éolienne sur le plan d'eau et éviter qu'elle dérive. Pour la suite de la description, les figures 1, et 3 montrent des éoliennes hors d'eau.
L'éolienne flottante 10 comprend une turbomachine reposant sur la plateforme 14. En référence aux figures 1, 3 et 5, la turbomachine, appelée aussi aérogénérateur, comprend un pylône vertical 20 fixé à la plateforme flottante 14. Le pylône 20 est monté rotatif selon un axe de pivotement M de pylône (voir figures 2b, 2c, 4b et 5) par rapport à la plateforme flottante 14. Le pylône 20 est destiné à supporter des turbines.
En référence aux figures 1 et 3, l'éolienne flottante 10 comprend deux turbines 30 à axe vertical juxtaposées et contrarotatives à flux transverse. En référence aux figures 2a et 4a, les deux turbines 30 présentent des axes de rotation verticaux A et A' parallèles entre eux. Lesdits axes de rotation sont disposés de façon symétrique par rapport à un premier plan géométrique de symétrie PI. Lesdits axes de rotation A et A' sont parallèles à l'axe longitudinal L du pylône. Selon tous les modes de réalisation, l'axe longitudinal L du pylône s'étend dans le plan de symétrie PI de sorte que l'axe longitudinal du pylône se situe entre les turbines 30. En outre, il est défini un plan géométrique P2 contenant les deux axes de rotation A et A' des turbines, voir figures 2a et 4a.
Dans cet exemple, chaque turbine 30 comprend deux pales 32 s'étendant verticalement et qui, en fonctionnement, sont soumises à l'action du vent afin de mettre en rotation la turbine. Les pales 32 s'étendent parallèlement à l'axe de rotation de la turbine A ou A' et sont disposées de manière diamétralement opposées par rapport auxdits axes de rotation A ou A'.
En référence aux figures 1, 3, 5 et 7, chaque pale 32 se prolonge à chacune de ses deux extrémités, une extrémité haute et une extrémité basse, par un bras. A l'extrémité haute, chaque pale 32 se prolonge par un bras supérieur 33. A l'extrémité basse, chaque pale 32 se prolonge par un bras inférieur 31. Les bras supérieur 33 et inférieur 31 sont raccordés respectivement à la pale 32 par un coude arrondi. Les pales de chaque turbine décrivent un cylindre dans leur rotation, voir figures 2a, 4a et 6a.
Les bras sont reliés à des éléments d'arbre par des liaisons pivotantes formant axe de rotation de pale. En référence à la figure 7, chaque turbine 30 comprend deux moyeux d'axe de turbine, un moyeu supérieur 36 et un moyeu inférieur 34. Les moyeux 36 et 34 sont rotatifs autour d'éléments d'arbres de hauteur réduite d'axe A ou A'. Chaque bras supérieur 33 est fixé à un moyeu supérieur 36 et chaque bras inférieur 31 est fixé à un moyeu inférieur 34.
En référence aux figures 1, 2b, 2c, 3, 4b et 5, l'éolienne flottante 10 comprend des membres de liaison, des membres de liaison hauts 43 et des membres de liaison bas 41, reliés fixement au pylône et, portant et tenant à distance les arbres de rotation des turbines. Pour chaque turbine, il est nécessaire d'un membre de liaison haut 43 et d'un membre de liaison bas 41 pour porter celle-ci. Les membres de liaison hauts 43 s'étendent à partir du sommet du pylône ; les membres de liaison bas 41 s'étendent à partir du pylône au voisinage de la plateforme flottante 14. Selon un mode de réalisation non représenté, les membres de liaison bas 41 s'étendent au voisinage de la ligne de flottaison, à distance des vagues.
Ainsi les membres de liaison hauts 43 et bas 41 maintiennent chaque turbine par une liaison pivot, éliminant la nécessité d'un arbre central d'entrainement. Chaque membre de liaison relie le pylône 20 à un moyeu 34 ou 36.
L'éolienne comprend en outre des génératrices (non représentées) afin de transformer l'énergie mécanique de rotation des turbines en énergie électrique. Chaque génératrice est reliée de manière connue à une turbine. Les génératrices sont disposées sous les membres de liaison inférieurs et/ou près de la plateforme flottante.
L'éolienne flottante 10 comprend un dispositif de détection de la direction du vent (non représenté) et un dispositif d'asservissement en commande en lacet 50 de l'axe de pivotement M du pylône. En référence aux figures 2b, 2c, 4b et 5, le dispositif d'asservissement 50 est disposé près de l'arbre de pivotement du pylône afin d'agir sur celui-ci. Il est en outre disposé près de la plateforme flottante 14 afin de faciliter l'installation et la maintenance éventuelle. Le dispositif d'asservissement en commande active en lacet 50 est agencé et configuré pour, qu'en cas d'activation dudit dispositif, mettre en mouvement le pylône 20 de façon à placer le deuxième plan P2, contenant les axes de rotation A et A' des turbines 30, sensiblement perpendiculairement à la direction du vent. La direction du vent est supposée être sensiblement horizontale ou parallèle au plan d'eau sur lequel se trouve l'éolienne flottante. En cas d'inactivation du dispositif d'asservissement, le pylône est laissé libre en rotation.
Il va maintenant être détaillé différents exemples de modes de réalisation.
Selon un premier mode de réalisation représenté par les figures 1, 2a, 2b et 2c, l'éolienne flottante est agencée et configurée pour disposer le pylône 20 en aval du deuxième plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines relativement au sens du vent. Les membres de liaison 41 et 43 sont agencés et configurés pour placer les turbines dans la position permettant d'obtenir un décalage de l'axe longitudinal L du pylône par rapport au plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines, de sorte que ledit axe longitudinal est en-dehors du plan P2, comme en figure 2a. En référence aux figures 2a et 2b, le décalage est représenté par la distance ou l'écartement « X ». En référence à la figure 1, les membres de liaison hauts 43 et bas 41 s'étendent de part et d'autres du pylône 20 de façon à présenter une forme en V.
Ce décalage a pour effet que le centre de gravité CT de la turbomachine se situe en dehors de l'axe longitudinal L du pylône qui est lui-même placé dans l'axe de symétrie de la plateforme flottante 14. On entend par le centre de gravité de la turbomachine, l'ensemble comprenant les turbines, les génératrices avec les équipements électriques (non représentés). Le centre de gravité CT de la turbomachine se situe sensiblement dans le plan P2.
Or le centre de gravité de la plateforme flottante se situe dans le prolongement de l'axe longitudinal L du pylône, de sorte que le centre de gravité, représenté par le point CT, de l'ensemble turbomachine est décalé et en dehors de la direction verticale passant par le centre de gravité de la plateforme flottante 14. En l'absence de vent, il en résulte qu'il existe un moment gravitaire, dit moment « piqueur », qui provoque, lorsque l'éolienne flottante 10 est placée sur un plan d'eau W comme sur la figure 2b, l'inclinaison de l'éolienne. L'éolienne 10 se maintient en équilibre dans cette position inclinée du fait d'une part de l'effet de pesanteur s'appliquant à la fois sur la turbomachine et la plateforme flottante, et d'autre part de la poussée d'Archimède. Pour simplifier la lecture de la figure 2b, on considère que le centre de gravité de l'ensemble de l'éolienne se situe au point CT. L'éolienne se maintient donc en position du fait des forces opposées : d'une part le poids P s'appliquant au centre de gravité CT de l'éolienne, et d'autre part la poussée d'Archimède B s'appliquant au centre de flottabilité, représenté par le point CP sur la figure 2b. Par exemple, la plateforme flottante est au moins dix fois plus lourde que la turbomachine.
En référence aux figures 2a et 2c, le sens du vent est représenté par les flèches V orientées de la gauche vers la droite. Lorsque le vent souffle, le dispositif de détection de la direction et du sens du vent (non représenté) permet de renseigner le dispositif d'asservissement de commande active en lacet afin d'agir sur l'arbre de pivotement du pylône pour placer le plan P2 contenant les axes de rotation A et A' en amont de l'axe de pivotement M du pylône relativement au sens du vent, voir figures 2a et 2c.
En référence à la figure 2a, il est illustré le pivotement de la turbomachine autour de l'axe de pivotement M du pylône, depuis une première position dans laquelle un plan P2a (correspondant au plan P2 avant réglage et représenté schématiquement en pointillés) n'est pas perpendiculaire à la direction du vent jusqu'à une deuxième position dans laquelle le plan P2 (représenté schématiquement en trait plein) est perpendiculaire à la direction du vent.
La figure 2c représente les forces s'exerçant sur l'éolienne flottante lorsque le vent souffle et en fonction de la direction et du sens du vent. En considérant le point d'appui du pylône sur la plateforme flottante (point O) indiqué sur la figure 2c, le centre de gravité de la turbomachine est situé en amont du pylône relativement au sens du vent, c'est-à-dire à gauche du pylône sur la figure 2c. Lorsque le vent souffle sur l'éolienne, une nouvelle action mécanique s'exerce sur l'éolienne due à la traînée. La résultante des forces du vent (représentée par la flèche Ft) s'applique au point T ou « centre de poussée aérodynamique » sur le pylône 20. Le point T se situe sensiblement sur l'axe longitudinal L du pylône. Cette action entraîne un moment aérodynamique de tangage induit par la traînée, dit moment « cabreur ». Le moment « piqueur » (en raison du poids de l'ensemble turbomachine) permet de compenser tout ou partie le moment aérodynamique de tangage induit par la traînée des rotors en présence de vent, dit moment « cabreur », de sorte qu'en fonctionnement l'éolienne flottante 10 est sensiblement horizontale sur le plan d'eau W.
Cet effet est obtenu en considérant des vitesses moyennes de vent supérieures à 8m/s. Selon les caractéristiques dimensionnelles de la turbomachine, il est déterminé la force Ft, et ainsi le moment « cabreur » estimé. Il est ensuite déterminé le décalage du centre de gravité CT de la turbomachine qui créera un moment « piqueur » compensant le moment « cabreur » estimé. Enfin les membres de liaison 41 et 43 sont agencés et configurés pour placer les turbines dans la position permettant d'obtenir le décalage du centre de gravité CT escompté.
En tout état de cause, le moment de tangage transmis à la plateforme flottante par l'ensemble turbomachine se trouve ainsi réduit. En outre un gain non négligeable sur les dimensions du flotteur est obtenu. Ce point est important sachant le coût et la consommation de matières premières liée à la fabrication du flotteur (le coût du flotteur est estimé entre 15 et 20% du coût total d'une installation éolienne offshore flottante). Cet agencement permet en outre à l'éolienne d'accepter des vitesses de vent plus importantes que les éoliennes de l'art antérieur.
Le dispositif d'asservissement en commande active en lacet, placé au voisinage du point O, permet de faire pivoter l'ensemble turbomachine/aérogénérateur permettant d'une part de le placer face au vent et d'autre part d'équilibrer l'ensemble de l'éolienne lorsque le vent souffle, voir figures 2a et 2c.
Selon un second mode de réalisation représenté par les figures 3, 4a et 4b, décrit par ses différences avec le premier mode de réalisation, l'axe longitudinal du pylône L se situe ou est installé dans le deuxième plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines 30. La figure 4b représente les forces s'exerçant sur l'éolienne flottante lorsque le vent souffle et en fonction de la direction et du sens du vent. Dans ce mode de réalisation, le centre de gravité CT de l'ensemble turbomachine et le centre de gravité de plateforme de flottaison se situent dans la même direction verticale, de sorte que l'éolienne reste sensiblement verticale en l'absence de vent. L'avantage de cette variante par rapport au premier mode de réalisation est d'obtenir une structure plus économe en matière première mais aussi beaucoup plus rigide ce qui permettra d'augmenter les fréquences propres vibratoires du système afin de les éloigner au maximum de celles des pales. Ces avantages sont obtenus au dépend d'une perte du moment gravitaire piqueur sur l'axe de tangage. Lors de vents faibles à modérés, l'éolienne flottante demeure sensiblement verticale, comme représentée sur la figure 4b.
Le dispositif d'asservissement de commande active en lacet 50, placé au voisinage du point O, permet de faire pivoter l'ensemble turbomachine/aérogénérateur permettant de le placer face au vent, voir figure 4a.
Dans le premier et le deuxième mode de réalisation, l'axe longitudinal L du pylône 20 est confondu avec l'axe de pivotement M dudit pylône, l'axe de pivotement M étant entendu comme l'axe de pivotement de la turbomachine par rapport à la plateforme.
Selon un troisième mode de réalisation représenté par les figures 5, 6a et 6b, décrit par ses différences avec le premier mode de réalisation, l'axe de pivotement du pylône M est distinct à la fois de l'axe longitudinal L du pylône 20 et du deuxième plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines. L'ensemble turbines 30 et membres de liaison hauts 43 et bas 41 est identique au premier mode de réalisation comme sa disposition par rapport au pylône.
Le pylône présente une forme en baïonnette ou en « L » et un axe de rotation libre N.
Le pylône 20 comprend :
une partie principale verticale 22, dont l'axe longitudinal est l'axe longitudinal L défini auparavant, sur laquelle sont fixés les membres de liaison 43 et 41 comme précédemment, formant la structure de maintien pour les turbines, et
une partie de raccordement 21, reliant l'extrémité inférieure de la partie principale 22 à la plateforme 14, s'étendant sensiblement horizontalement et perpendiculairement par rapport à la partie principale, pour porter ladite partie principale 22 et se raccorder à la plateforme.
L'axe longitudinal L de la partie 22 du pylône est confondu avec l'axe de rotation libre N. La liaison mécanique entre la partie principale 22 et la partie de raccordement 21 est une liaison pivot d'axe N. Aucun asservissement en pivotement de la partie principale 22 relativement à la partie de raccordement 21 n'est prévu. En référence aux figures 6a et 6b, les turbines 30 peuvent pivoter relativement autour de l'axe de rotation libre N. Le plan P2 n'est pas représenté sur les figures 6a et 6b pour faciliter la lecture. En remplacement, il est représenté par deux traits formant un « V » les membres de liaison hauts 43 reliant les arbres de rotation des turbines au pylône.
L'axe de pivotement du pylône M est inchangé alors que l'axe longitudinal L du pylône est en porte-à-faux par rapport à la plateforme flottante. On notera que les dimensions représentées ici pour la plateforme flottante ne sont pas nécessairement représentatives, et peuvent varier selon les réalisations.
Dans ce mode de réalisation, la partie principale 22 du pylône peut être positionnée en amont du plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines du fait de la rotation libre. En fonctionnement, lorsque le vent souffle, l’ensemble s'oriente naturellement face au vent. Cet agencement permet d'obtenir à la fois un auto-alignement des turbines 30 ou du plan P2 face au vent grâce à l'axe de rotation libre N, ainsi qu'un couple de rappel gravitaire (moment « piqueur ») permettant une baisse du moment de tangage transmis à l'éolienne flottante grâce au dispositif d'asservissement 50 agissement autour de l'axe de pivotement M. En référence à la figure 6b, il est illustré le pivotement de la partie de raccordement 21 autour de l'axe de pivotement M du pylône. Le dispositif d'asservissement en commande active en lacet agit sur l'axe de pivotement M de manière à placer la partie de raccordement 21, depuis une première position dans laquelle un plan Pla (le plan PI avant réglage) n'est pas parallèle à la direction du vent, voir figure 6b, jusqu'à une deuxième position dans laquelle le plan PI est parallèle à la direction du vent, voir figure 6a.

Claims

Revendications
1. Eolienne flottante (10) comprenant une plateforme flottante (14) et une turbomachine reposant sur la plateforme flottante (14), la turbomachine comprenant au moins :
des première et deuxième turbines (30) à axe vertical et flux transverse disposées de façon symétrique par rapport à un premier plan de symétrie vertical (PI), chaque turbine comprenant des pales (32),
une structure de maintien (40) des turbines comprenant :
• un pylône médian vertical (20), dont l'axe longitudinal (L) est compris dans le premier plan de symétrie (PI), monté rotatif selon un axe de pivotement (M) de pylône par rapport à la plateforme flottante (14),
• des membres de liaison hauts (43) et bas (41), qui maintiennent rigidement les turbines par leur axe de rotation et les tiennent à distance du pylône (20),
caractérisé en ce qu'elle comprend :
un dispositif de détection ou de prise en compte de la direction et du sens du vent et
un dispositif d'asservissement en commande active en lacet (50) du pylône (20) agissant sur l'arbre de pivotement, le dispositif d'asservissement étant agencé et configuré pour qu'en cas d'activation, celui-ci met en mouvement le pylône (20) de façon à placer un deuxième plan (P2) contenant les axes de rotation (A, A') des première et deuxième turbines (30) sensiblement perpendiculairement à la direction du vent.
2. Eolienne (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'asservissement en commande active en lacet (50) est agencé et configuré pour que, en cas d'inactivation dudit dispositif d'asservissement, le pylône (20) soit libre en rotation.
3. Eolienne (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe de pivotement (M) est confondu avec l'axe longitudinal (L) du pylône (20).
4. Eolienne (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pylône (20) présente une forme « en baïonnette », de sorte que le pylône (20) comprend une partie principale verticale (22) et une partie de raccordement (21) reliée à l'axe de pivotement (M), de sorte que l'axe de pivotement (M) du pylône est distinct de l'axe longitudinal (L) du pylône (20).
5. Eolienne (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie principale verticale (22) réalise une liaison rotative de la turbomachine par rapport à la partie de raccordement (21), autour d’un axe de pivotement de la turbomachine, lequel est vertical et situé en amont du vent par rapport à l’axe de pivotement (M) du pylône.
6. Eolienne (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le centre de poussée aérodynamique et/ou le deuxième plan (P2) de la turbomachine est placé sous le vent par rapport à l’axe de pivotement/longitudinal (L) de la turbomachine sur la partie de raccordement, et au vent par rapport à l’axe de pivotement (M) du pylône en baïonnette sur la base flottante.
7. Eolienne (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les membres de liaison (41, 43) sont agencés et configurés pour que l'axe longitudinal (L) de la structure de maintien soit distinct du deuxième plan (P2) et, en cas d'activation dudit dispositif d'asservissement en lacet (50), celui-ci met en mouvement le pylône (20) de façon à placer, par rapport à la plateforme flottante (14), l'axe longitudinal (L) de la structure de maintien en aval du deuxième plan (P2) par rapport à la direction et au sens du vent.
8. Eolienne (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la position au moins des turbines de la turbomachine sur la plateforme (14) est telle que le centre de gravité de la turbomachine est décalé et en-dehors de l'axe de pivotement (M).
9. Eolienne (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les membres de liaison (41, 43) comprennent des membres de liaison hauts (43) et bas (41), chaque membre de liaison tenant une extrémité d'un axe de rotation d'une turbine, et en ce que les membres de liaison hauts (43) et bas (41) s'étendent de part et d'autre du pylône (20) de façon à présenter une forme en V .
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