WO2020012094A1 - Tour d'eolienne comprenant une structure de treillis avec des poteaux en bois et une piece de jonction metallique entre le mat de l'eolienne et lesdits poteaux - Google Patents

Tour d'eolienne comprenant une structure de treillis avec des poteaux en bois et une piece de jonction metallique entre le mat de l'eolienne et lesdits poteaux Download PDF

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WO2020012094A1
WO2020012094A1 PCT/FR2019/051654 FR2019051654W WO2020012094A1 WO 2020012094 A1 WO2020012094 A1 WO 2020012094A1 FR 2019051654 W FR2019051654 W FR 2019051654W WO 2020012094 A1 WO2020012094 A1 WO 2020012094A1
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wind turbine
turbine tower
mast
posts
ground
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PCT/FR2019/051654
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Grégoire Verhaeghe
Stanislas VERHASSELT
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Innovent
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Publication date
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
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    • F05B2240/912—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure on a tower
    • F05B2240/9121—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure on a tower on a lattice tower
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to the field of wind power, and more particularly relates to a tower structure for a wind turbine. We’re talking about a wind turbine tower here.
  • the object of the present invention relates more particularly to a wind turbine tower having a light and easily transportable structure which can be mounted in situ and which offers a reduced environmental and investment cost while optimally distributing the descent of loads exerted on the structure.
  • the present invention will thus find numerous advantageous applications in wind power, and more specifically in the installation of wind turbines having a high mast height and / or a large capacity for energy production in particular in isolated sites (mountains or others) and / or in countries far from manufacturing sites and / or in developing countries.
  • wind turbines have a structure with a steel mast erecting over the entire height from the ground to the nacelle supporting the rotor.
  • Such structures are very heavy especially in the lower sections of the tower and have a significant manufacturing and transport cost. For these reasons, it is very complicated to install a steel wind turbine in an isolated site (mountains or others) and / or in countries far from manufacturing sites and / or in developing countries.
  • the wind turbine tower is completely made of modularized wood and has a deployable structure.
  • This structure is mounted on a tripod with one of the legs that can tilt to stand up to support the nacelle and the rotor.
  • Such a wind turbine tower by its dimensions, shape and completely wooden frame, is not suitable for a large energy production capacity.
  • the Applicant further observes that the lack of precision as to the means for anchoring foundations to the ground does not allow the design of a high capacity wind turbine structure; the efforts undergone by large capacity wind turbines are very high and require a robust anchoring to the ground and a good descent of the loads along the structure.
  • the wind turbine tower comprises a stack of hollow wooden modules having segments made up of wooden plates of trapezoidal shape.
  • the stack of these modules connected together by an adhesive forms a wind turbine tower.
  • the object of the present invention is to improve the situation described above.
  • the present invention therefore aims to remedy the various drawbacks mentioned above by proposing a hybrid wind tower, easily transportable and capable of being mounted in situ, the robust structure of which is made partly of wood and partly of a metallic material, thus allowing load drops to be properly distributed in order to produce a wind turbine with high energy production capacity.
  • the object of the present invention relates more particularly to a wind turbine tower comprising:
  • a structure having at least three wooden posts intended to be anchored to the ground and forming a trellis distributing the descent of loads, and a junction piece between the mast and the trellis structure, said junction piece being formed at at least partially in a metallic material and being configured to join the posts together.
  • the junction piece comprises on its upper portion a flat base intended to come into contact with the lower end of the mast.
  • this base takes a shape and dimensions which are substantially adapted (identical or close) to those of the cross section of the lower end of the mast.
  • assembly means are used at the base for flange-to-flange assembly of the junction piece with the metal mast.
  • the base and the lower end of the mast have a shape and dimensions to establish a flange-to-flange connection. It is then possible to position the two elements one against the other and come to assemble them solidly with each other by assembly means such as for example a bolting system.
  • the metal mast is in the form of a hollow cylindrical barrel and the base of the junction piece has a central opening sized to allow the passage of a person.
  • the junction piece comprises, on its lower portion, mounting tabs oriented substantially downward and each extending in the respective direction of the posts.
  • each mounting tab has at its distal end a housing dimensioned to receive an upper portion of the respective post so that each post is fitted into the housing of the respective mounting tab so that the mounting tabs are in the extension of their respective post.
  • each of the mounting legs extends in the continuity of a post.
  • the continuity of the mounting legs and posts favors the distribution of the descents of loads.
  • the feet of the posts are spaced apart from one another at a determined spacing to ensure optimal distribution of the drops in loads.
  • each of the posts has an external curvature.
  • each of the posts has a radius of curvature respecting a polynomial function of the height of the trellis structure as a function of the spacing from the vertical axis of the tower.
  • this function is calculated according to the following formula:
  • variable H corresponds to the height of the trellis structure
  • variable Dsup corresponds to the upper diameter of the trellis structure
  • variable Dinf corresponds to the ground diameter, called the lower diameter, of the trellis structure.
  • the mast has a height greater than or equal to sixty-five meters
  • the trellis structure has the following dimensions: a height H greater than or equal to twenty-five meters, preferably thirty meters,
  • a greater diameter Dsup greater than or equal to five meters, preferably six meters, and
  • a smaller diameter Dinf greater than or equal to sixteen meters, preferably eighteen meters.
  • each of the feet of the posts is anchored to the ground by means of a foundation stud buried at least partially in the ground.
  • each foundation stud comprises a concrete matrix, preferably scrap.
  • each foundation stud is anchored in the ground by a plurality of first anchor rods each in the form of a free metal rod passing through a metal plate positioned in the matrix and whose anchor head, embedded in inside the matrix, bears against the metal plate.
  • the wind turbine tower according to the present invention comprises, for each post base, second tie rods the first anchor heads of which bear against a metal base receiving the base of the post and the second anchor heads of which are embedded in the concrete matrix.
  • the second anchor heads of the second tie rods are in head-to-tail position relative to the anchor heads of the first tie rods.
  • At least one of the foundation studs comprises a concrete excavation preferably taking the form of an overtaking concrete.
  • the free part of the metal rod of each first tie passes through the concrete excavation to penetrate the ground. It is therefore understood here that the metal rod is taken deep into the ground in a concrete borehole.
  • the matrix has a concrete density substantially greater than or equal to that of the make-up concrete.
  • This configuration of foundation studs provides a solid anchorage to the ground using the resistance of the ground.
  • the trellis structure comprises braces and / or belts connecting the adjacent posts together so as to optimally distribute the load drops.
  • each of said at least three posts is constituted at least partially in a solid wood type wood, glued laminated wood and / or plywood.
  • said junction piece and / or the mast are made at least partially of steel.
  • Figure 1 schematically shows a side view of a wind turbine tower according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 2 schematically shows a perspective view of a wind turbine tower according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 3 shows a schematic perspective view of a metal junction piece according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows another schematic view of a wind turbine tower according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • one of the objectives of the present invention is to design a wind turbine having a great height and a large capacity for electrical production, the structure of which is easily transportable and can be assembled and assembled in situ.
  • One of the other objectives of the present invention is to design a wind turbine whose structure is designed to withstand over time the various stresses exerted on it, in particular during gusts and / or during the rotation of the rotor blades and to ensure a optimal load distribution.
  • One of the other objectives of the present invention is to design a wind turbine which respects the environment and which has a reasonable manufacturing and transport cost. for installations in countries far from manufacturing sites and / or isolated countries and / or developing countries.
  • FIGS. 1 2 and 4 there is a wind turbine tower 100 with, in the upper part, a steel mast 10.
  • such a mast 10 has a height of more than sixty meters (here approximately sixty-five meters).
  • the mast 10 is presented as a hollow cylindrical barrel. Inside, there is a ladder system (not shown here) allowing an operator to hoist himself up to the upper end 10b of the mast 10 in order to access the nacelle and / or the rotor (not shown here) for example during a maintenance operation.
  • a ladder system (not shown here) allowing an operator to hoist himself up to the upper end 10b of the mast 10 in order to access the nacelle and / or the rotor (not shown here) for example during a maintenance operation.
  • the concept underlying the present invention aims here to integrate into the wind tower in the lower part a wooden structure to meet the drawbacks encountered with existing solutions and facilitate transport operations while reducing manufacturing costs in particular.
  • the wind turbine tower 100 has a wooden trellis structure 20 at the bottom 100b.
  • It can be solid wood, glued laminated wood and / or plywood.
  • the trellis structure 20 has a substantially trapezoidal profile view with a smaller diameter Dinf (on the ground) substantially equal to eighteen meters, an upper diameter Dsup substantially equal to six meters and a height H substantially equal to thirty meters.
  • the trellis structure 20 more particularly comprises wooden posts 21 whose feet 2 lb are anchored in the ground S.
  • the feet 2 lb of the posts 21 are spaced apart from one another at a determined spacing of approximately eighteen meters. Designing a large center-to-center distance between the posts 21 allows a significant reduction in the forces at the feet 2lb of the posts 21.
  • Bracing and / or belts 23 are also provided connecting the adjacent posts 21 to one another in order to favor the distribution of the descents of loads.
  • trellis structure 20 comprising four posts 21; this is a quadripod.
  • the trellis structure 20 may alternatively include three posts 21 to form a tripod, five posts 21 to form a pentapod, or even six posts 21 to form a hexapod, or even more.
  • At least three posts 21 are provided to ensure good stability on the ground. Other additional stabilization means could be considered if necessary.
  • a junction piece 30 as illustrated in FIG. 3 is implemented between the mast 10 made of steel and the trellis structure 20 made of wood.
  • This part 30 is characteristic of the present invention.
  • junction piece 30 indeed ensures a good distribution of the load drops, which is desirable for the design of a wind turbine with a large production capacity supporting very many efforts.
  • this junction piece 30 is made at least partially from a metallic material such as steel or any other metallic alloy having good mechanical strength.
  • the junction piece 30 there is provided in the upper portion 30a of the junction piece 30 a flat base 31 whose shape and dimensions are close to those of the cross section of the lower end 10a of the mast 10.
  • the base 31 has substantially the shape of a disc.
  • the part of the barrel which is connected with the base 31 has a diameter of four meters and sixty centimeters. It is thus possible to put the upper face of the base 31 into direct contact with the lower end 10a of the mast 10 in order to assemble the two elements 10 and 30 integrally flange against flange by assembly means 32 such as for example a bolting system 32a.
  • the base 31 has a central opening 3 la; we understand that this opening 3 the passage is dimensioned to allow the passage of a person who wishes to access the interior of the mast 10 to climb the internal ladder in order to reach the nacelle in the upper part 100a of the tower 100.
  • the range of forces developed on each of the posts for a quadripod is between - 8700 kN and + 6300 kN.
  • the junction piece 30 comprises, in the lower portion 30b, mounting tabs 33 which start from the underside of the base 31 and are oriented substantially downwards. each extending in the respective direction of each of the posts 21.
  • This star shape of the base 31 and of the mounting lugs 33 makes it possible to distribute the load drops uniformly in each of the posts 21.
  • the housing 34 is dimensioned to receive each of the posts so that, once embedded one in the other, the mounting tabs 33 are in the extension of their respective post 21.
  • this external curvature follows a polynomial function which is calculated as follows:
  • the length of each of the posts 21 is approximately thirty-two meters and sixty centimeters. According to the above polynomial calculations, we can segment each of the columns according to three intermediate levels.
  • the main coordinates of the nodes of each of the posts are as follows (for a spacing of eighteen meters between the posts - Dinf):
  • the shape of posts 21 obtained with an external curvature according to such a polynomial function makes it possible to optimize the distribution of the loads with in the upper part a curvature serving as a lever arm and in the lower part a substantially vertical descent.
  • One of the objectives of the present invention is to provide robust foundations.
  • seat floor Any structure whatsoever must be able to rest on an S floor, called the seat floor.
  • the wind turbine tower 100 provided in the example described here comprises foundation pads 40 whose function is to act as the interface between the load-bearing structure of the structure, here the wind turbine tower 10, and the ground S.
  • each of the legs 2 lb of the posts 21 is anchored to the ground by means of a foundation stud 40 buried at least partially in the ground S.
  • the foundation pads 40 are all structurally independent from each other.
  • the studs 40 have a specific design which ensures optimal transmission of the loads from the tower 100 on the ground S.
  • first anchors 42 (micropiles) whose heads 42a bear against the metal plate 43 and whose free end 42b passes through the concrete borehole 45 to penetrate the soil S.
  • the matrix 41 has a concrete density greater than that of concrete drilling.
  • anchoring heads 42a of the first tie rods 42 are embedded inside the concrete matrix 41.
  • second tie rods 44 are then positioned, the second anchor heads 44b of which are also embedded in the concrete matrix 41 in head to tail position relative to the heads 42a of the first anchor tie rods 42.
  • the first anchoring heads 44a bear against a metal base 22 receiving the base 2lb of pole 21.
  • This foundation structure provided in the context of the present invention makes it possible to make the best use of the resistance of the soil for a solid anchorage by limiting the volume of concrete used.
  • the present invention in particular by proposing a specific foundation system and by providing a trellis structure with posts having a mathematically determined external curvature, allows the design of a wind turbine tower ensuring a good distribution of the descent of loads.
  • Such a wind turbine tower is offered in the form of a kit to be assembled on site with elements that respect the environment, which are relatively light and easy to transport compared to existing solutions.
  • the wind turbine tower includes a trellis formed by wooden poles spaced apart at the base so as to obtain an optimal descent distribution.
  • the posts of the trellis are taken up on compact foundation studs, which themselves are anchored in the ground (for example a rock mass) by a set of tie rods.
  • the specific arrangement of the tie rods saves a substantial volume of concrete.

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Abstract

La présente invention concerne une tour d'éolienne (100) comprenant :-en partie haute (100a), un mât métallique (10) supportant un rotor, en partie basse (100b), une structure (20) présentant au moins trois poteaux (21) en bois destinés à être ancrés au sol (S) et formant un treillis répartissant les descentes de charges,et-une pièce de jonction (30) entre ledit mât (10) et ladite structure de treillis (20), ladite pièce de jonction (30) étant constituée au moins partiellement dans un matériau métallique et étant configuré pour assembler solidairement entre eux les poteaux (21).

Description

TOUR D’EOLIENNE COMPRENANT UNE STRUCTURE DE TREILLIS AVEC DES POTEAUX EN BOIS ET UNE PIECE DE JONCTION METALLIQUE ENTRE LE MAT DE L’EOLIENNE ET LESDITS POTEAUX
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne le domaine de l’éolien, et porte plus particulièrement sur une structure de tour pour éolienne. On parlera ici de tour d’éolienne.
L’objet de la présente invention porte plus particulièrement sur une tour d’éolienne présentant une structure légère et facilement transportable qui peut être montée in situ et qui offre un coût environnemental et d’investissement réduit tout en répartissant de façon optimale les descentes de charges exercées sur la structure.
Par descentes de charges au sens de la présente invention, on entend dans la description qui suit l’ensemble des forces qui proviennent de l’éolienne et qui sont dues notamment au vent telles que par exemple les différentes forces d’arrachement et/ou de cisaillement exercées sur ladite éolienne par exemple lors de rafales ou encore les forces dues à la rotation des pales du rotor. L’ensemble de ces forces doit descendre le long de la structure de la tour jusqu’aux fondations, et conditionne ainsi son dimensionnement avant d’être repris par le sol.
La présente invention trouvera ainsi de nombreuses applications avantageuses dans l’éolien, et plus précisément dans l’installation d’éoliennes ayant une grande hauteur de mât et/ou une grande capacité de production énergétique notamment dans les sites isolés (montagnes ou autres) et/ou dans les pays éloignés des sites de fabrication et/ou dans les pays en voie de développement.
Classiquement, les éoliennes présentent une structure avec un mât en acier s’érigeant sur toute la hauteur allant du sol jusqu’à la nacelle supportant le rotor.
De telles structures sont très lourdes notamment dans les sections basses de la tour et présentent un coût de fabrication et de transport conséquent. Pour ces raisons, il est très compliqué d’installer une éolienne en acier dans un site isolé (montagnes ou autres) et/ou dans les pays éloignés des sites de fabrication et/ou dans les pays en voie de développement.
On connaît dans l’état de la technique des structures alternatives avec la conception d’une tour d’éolienne réalisée complètement en bois.
L’utilisation du bois pour concevoir une tour d’éolienne permet un assemblage sur site et assure une bonne légèreté de la tour par rapport aux solutions utilisant l’acier. Parmi les solutions existantes, on connaît notamment le document WO 2012/146447 Al qui divulgue une tour pour éolienne à faible capacité de production énergétique. Une telle tour mesure douze mètres de haut.
Dans ce document, la tour d’éolienne est complètement réalisée en bois modularisé et présente une structure déployable. Cette structure est montée sur trépied avec l’un des pieds pouvant basculer pour s’ériger afin de supporter la nacelle et le rotor.
Une telle tour d’éolienne de par ses dimensions, sa forme et son ossature totalement en bois n’est pas adaptée à une grande capacité de production énergétique.
Le Demandeur observe par ailleurs que l’absence de précision quant aux moyens d’ancrage des fondations au sol ne permet pas la conception d’une structure d’éolienne à grande capacité ; les efforts subis par les éoliennes à grande capacité sont très importants et nécessitent un ancrage robuste au sol et une bonne descente des charges le long de la structure.
On connaît également le document WO 2008/095667 A2 qui divulgue lui aussi une structure de tour d’éolienne en bois.
Dans ce document, la tour d’éolienne comprend un empilement de modules en bois creux présentant des segments constitués en plaques de bois de forme trapézoïdale.
L’empilement de ces modules connectés entre eux par un adhésif forme une tour d’éolienne.
La conception d’une telle tour avec un exosquelette en bois reste cependant très coûteuse : elle nécessite beaucoup de bois, mais aussi du béton en partie basse car elle conserve l’inconvénient d’une interface au sol de faible diamètre de sorte que les fondations doivent être dimensionnées en conséquence pour reprendre les moments de grande amplitude en pied de tour.
Le Demandeur soumet que les solutions de l’état de la technique divulguant des tours d’éolienne utilisant une ossature complète en bois ne sont pas pleinement satisfaisantes ; il n’existe pas à ce jour dans l’état de la technique de solution simple et peu coûteuse permettant d’ériger in situ une tour d’éolienne constituée en grande majorité en bois et permettant de répartir de façon optimale les descentes de charges pour concevoir une éolienne ayant une grande capacité de production.
Objet et résumé de la présente invention
L’objet de la présente invention est d’améliorer la situation décrite ci-dessus.
La présente invention vise donc à remédier aux différents inconvénients mentionnés ci- dessus en proposant une tour d’éolienne hybride, facilement transportable et pouvant être montée in situ, dont la structure robuste est réalisée partiellement en bois et partiellement avec un matériau métallique permettant ainsi de répartir correctement les descentes de charges afin de réaliser une éolienne à grande capacité de production énergétique.
L’objet de la présente invention porte plus particulièrement sur une tour d’éolienne comprenant :
en partie haute, un mât métallique supportant un rotor,
en partie basse, une structure présentant au moins trois poteaux en bois destinés à être ancrés au sol et formant un treillis répartissant les descentes de charges, et une pièce de jonction entre le mât et la structure de treillis, ladite pièce de jonction étant constituée au moins partiellement dans un matériau métallique et étant configurée pour assembler solidairement entre eux les poteaux.
Grâce à cette conception combinant un mât supérieur en matériau métallique, une structure de treillis en matériau bois ancrée dans le sol et une pièce de jonction métallique entre le mât et la structure de treillis, il devient possible de réaliser des tours d’éolienne à grande capacité de production capable de supporter les rafales de vent et de répartir de façon optimale l’ensemble des efforts exercés sur la structure pour les faire descendre jusqu’au sol.
Avantageusement, la pièce de jonction comporte sur sa portion supérieure une embase plate destinée à venir en contact avec l’extrémité inférieure du mât.
De préférence, cette embase prend une forme et des dimensions sensiblement adaptées (identiques ou proches) à celles de la section transversale de l’extrémité inférieure du mât.
Avantageusement, des moyens d’assemblage sont mis en œuvre au niveau de l’embase pour un assemblage bride contre bride de la pièce de jonction avec le mât métallique.
L’embase et l’extrémité inférieure du mât présentent une forme et des dimensions permettant d’établir une connexion bride contre bride. Il est alors possible de positionner les deux éléments l’un contre l’autre et de venir les assembler solidairement entre eux par des moyens d’assemblage tels que par exemple un système de boulonnage.
Avantageusement, le mât métallique se présente sous la forme d’un fut cylindrique creux et l’embase de la pièce de jonction comporte une ouverture centrale dimensionnée pour autoriser le passage d’une personne.
Une fois le mât métallique et la pièce de jonction assemblés l’un à l’autre, un opérateur peut ouvrir une trappe ménagée sur l’ouverture centrale et pénétrer à l’intérieur du mât pour accéder par exemple à la nacelle pour une intervention de maintenance. Avantageusement, la pièce de jonction comporte sur sa portion inférieure des pattes d’encastrement orientées sensiblement vers le bas et s’étendant chacune dans la direction respective des poteaux.
Avantageusement, chaque patte d’encastrement comporte en son extrémité distale un logement dimensionné pour recevoir une portion supérieure du poteau respectif de sorte que chaque poteau vient s’encastrer dans le logement de la patte d’encastrement respective afin que les pattes d’encastrement soient dans le prolongement de leur poteau respectif.
On comprend ainsi que chacune des pattes d’encastrement se prolonge dans la continuité d’un poteau. La continuité des pattes d’encastrement et des poteaux favorise la répartition des descentes de charges.
De préférence, les pieds des poteaux sont écartés entre eux selon un écartement déterminé pour assurer une répartition optimale des descentes de charges.
Avantageusement, chacun des poteaux présente une courbure extérieure.
De préférence, la courbure extérieure de chacun des poteaux présente un rayon de courbure respectant une fonction polynomiale de la hauteur de la structure de treillis en fonction de l’écartement à l’axe vertical de la tour.
Dans un mode de réalisation avantageux, cette fonction est calculée selon la formule suivante :
AX2+BX+C
avec :
A = 4H / (Dsup2-Dinfi), B = 0 et C = - ADinfi/4 dans laquelle :
la variable H correspond à la hauteur de la structure de treillis, la variable Dsup correspond au diamètre supérieur de la structure de treillis, et la variable Dinf correspond au diamètre au sol, appelé diamètre inférieur, de la structure de treillis.
En suivant une telle fonction polynomiale, il est possible de concevoir un poteau de forme elliptique permettant d’optimiser la répartition des charges en formant une courbure servant de bras de levier en partie haute des poteaux et une descente sensiblement verticale en partie basse des poteaux.
Dans un mode de réalisation avantageux de la présente invention, le mât présente une hauteur supérieure ou égale à soixante-cinq mètres, et la structure de treillis présente les dimensions suivantes : une hauteur H supérieure ou égale à vingt-cinq mètres, de préférence trente mètres,
un diamètre supérieur Dsup supérieur ou égale à cinq mètres, de préférence six mètres, et
un diamètre inférieur Dinf supérieur ou égal à seize mètres, de préférence dix- huit mètres.
Avantageusement, chacun des pieds des poteaux est ancré au sol par l’intermédiaire d’un plot de fondation enseveli au moins partiellement dans le sol.
De préférence, chaque plot de fondation comporte une matrice béton, de préférence ferraillée.
Avantageusement, chaque plot de fondation est ancré dans le sol par une pluralité de premiers tirants d’ancrage se présentant chacun sous la forme d’une tige métallique libre traversant une platine métallique positionnée dans la matrice et dont la tête d’ancrage, noyée à l’intérieur de la matrice, prend appui contre la platine métallique.
Avantageusement, la tour d’éolienne selon la présente invention comporte, pour chaque pied de poteau, des deuxièmes tirants dont les premières têtes d’ancrage prennent appui contre un socle métallique recevant le pied de poteau et dont les deuxièmes têtes d’ancrage sont noyées dans la matrice béton.
De préférence, les deuxièmes têtes d’ancrage des deuxièmes tirants sont en position tête bêche par rapport aux têtes d’ancrage des premiers tirants.
Avantageusement, au moins l’un des plots de fondation comprend une fouille bétonnée prenant de préférence la forme d’un béton de rattrapage.
Avantageusement, la partie libre de la tige métallique de chaque premier tirant traverse la fouille bétonnée pour pénétrer dans le sol. On comprend donc ici que la tige métallique est reprise en profondeur dans le sol dans un forage bétonné.
De préférence, la matrice présente une densité en béton sensiblement supérieure ou égale à celle du béton de rattrapage.
Cette configuration de plots de fondation permet d’avoir un ancrage robuste au sol en utilisant la résistance du sol.
Dans un mode de réalisation avantageux, la structure de treillis comporte des contreventements et/ou des ceintures reliant les poteaux adjacents entre eux afin de répartir de façon optimale les descentes de charges.
Avantageusement, chacun desdits au moins trois poteaux est constitué au moins partiellement dans un bois de type bois massif, bois lamellé-collé et/ou bois contreplaqué. Avantageusement, ladite pièce de jonction et/ou le mât sont constitués au moins partiellement en acier.
Ainsi, par ses différentes caractéristiques techniques fonctionnelles et structurelles décrites ci-dessus, on met à disposition des acteurs de l’énergie éolienne une structure robuste associant bois et acier et permettant d’ériger des éoliennes à grande capacité de production dans des zones difficiles d’accès jusqu’à présent, le tout en limitant les coûts de fabrication et de transport.
Brève description des figures annexées
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-dessous, en référence aux figures 1 à 4 annexées qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
la figure 1 représente de façon schématique une vue de profil d’une tour d’éolienne selon un exemple de réalisation de la présente invention ;
la figure 2 représente de façon schématique une vue en perspective d’une tour d’éolienne selon un exemple de réalisation de la présente invention ;
la figure 3 représente une vue schématique en perspective d’une pièce de jonction métallique selon un exemple de réalisation de la présente invention ; et la figure 4 représente une autre vue schématique d’une tour d’éolienne selon un exemple de réalisation de la présente invention.
Description détaillée selon un exemple de réalisation avantageux
Une structure de tour d’éolienne selon un exemple de réalisation va maintenant être décrite dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 4.
Pour rappel, un des objectifs de la présente invention est de concevoir une éolienne présentant une grande hauteur et une grande capacité de production électrique dont la structure est facilement transportable et peut être montée et assemblée in situ.
Un des autres objectifs de la présente invention est de concevoir une éolienne dont la structure est prévue pour résister dans le temps aux différentes contraintes exercées sur celle-ci notamment lors de rafales et/ou lors de la rotation des pales du rotor et pour assurer une répartition de descentes de charges optimale.
Un des autres objectifs de la présente invention est de concevoir une éolienne respectueuse de l’environnement et présentant un coût de fabrication et de transport raisonnable pour des installations dans des pays éloignés des sites de fabrication et/ou des pays isolés et/ou des pays en voie de développement.
L’ensemble des objectifs ci-dessus est atteint dans l’exemple ci-dessus.
Dans l’exemple décrit ici et illustré aux figures 1 2 et 4, on dispose d’une tour d’éolienne 100 avec en partie haute lOOa un mât 10 en acier.
Dans l’exemple décrit ici, un tel mât 10 présente une hauteur de plus de soixante mètres (ici soixante-cinq mètres environ).
Dans l’exemple décrit ici, le mât 10 se présente comme un fût cylindrique creux. Il est prévu, en son intérieur, un système d’échelle (non représenté ici) permettant à un opérateur de se hisser jusqu’à l’extrémité supérieure 10b du mât 10 afin d’accéder à la nacelle et/ou au rotor (non représentés ici) lors par exemple d’une opération de maintenance.
Pour mémoire, les éoliennes classiques prévoient habituellement un mât en acier sur toute la hauteur des fondations au sol jusqu’à la nacelle.
Les inconvénients d’une telle conception sont nombreux : on observe notamment que l’épaisseur d’acier nécessaire en bas du mât pour assurer la fonction de répartition de descentes des charges est très coûteuse et sensible pour l’environnement. Par ailleurs, le faible diamètre de la jonction avec la fondation (inférieur à cinq mètres environ) implique des efforts importants et un système de fondation aux dimensions imposantes et coûteux.
Le concept sous-jacent à la présente invention vise ici à intégrer dans la tour d’éolienne en partie basse une structure en bois pour répondre aux inconvénients rencontrés avec les solutions existantes et faciliter les opérations de transport tout en réduisant les coûts de fabrication notamment.
Ainsi, dans l’exemple décrit ici, la tour d’éolienne 100 comporte en partie basse lOOb une structure de treillis 20 en bois.
Il peut s’agir d’un bois de type bois massif, bois lamellé-collé et/ou bois contreplaqué.
Dans l’exemple décrit ici, la structure de treillis 20 présente une vue de profil sensiblement trapézoïdale avec un diamètre inférieur Dinf (au sol) sensiblement égal à dix- huit mètres, un diamètre supérieur Dsup sensiblement égal à six mètres et une hauteur H sensiblement égale à trente mètres.
Il ressort des nombreux tests réalisés dans le cadre de la présente invention qu’un diamètre supérieure Dinf compris entre six mètres et six mètres et trente centimètres permet de concentrer davantage les efforts par rapport à des diamètres inférieurs.
Toutefois, pour des raisons d’assemblage, concevoir une structure avec un diamètre supérieur Dsup de plus grande dimension n’est pas nécessairement pertinent. La conception d’une structure de treillis 20 avec un diamètre inférieur Dinf sensiblement égal à dix- huit mètres permet de distribuer correctement les efforts dans le sol tout en conservant des dimensions de pièces secondaires acceptables.
Dans cet exemple, la structure de treillis 20 comporte plus particulièrement des poteaux 21 en bois dont les pieds 2lb sont ancrés dans le sol S.
On comprend donc que les pieds 2lb des poteaux 21 sont écartés entre eux selon un écartement déterminé d’environ dix-huit mètres. Concevoir un entraxe au sol important entre les poteaux 21 permet une réduction sensible des efforts aux pieds 2lb des poteaux 21.
On prévoit également des contreventements et/ou des ceintures 23 reliant les poteaux 21 adjacents entre eux afin de favoriser la répartition des descentes de charges.
En figure 2, on distingue une structure de treillis 20 comprenant quatre poteaux 21 ; il s’agit ici d’un quadripode. L’homme du métier comprendra qu’il s’agit d’un exemple de réalisation parmi d’autres et que la structure de treillis 20 peut alternativement comprendre trois poteaux 21 pour former un trépied, cinq poteaux 21 pour former un pentapode, voire encore six poteaux 21 pour former un hexapode, ou même davantage.
En tout état de cause, on prévoit au moins trois poteaux 21 pour assurer une bonne stabilité au sol. D’autres moyens de stabilisation complémentaires pourraient être envisagés si nécessaire.
Une pièce de jonction 30 telle qu’illustrée en figure 3 est mise en œuvre entre le mât 10 en acier et la structure de treillis 20 en bois.
Cette pièce 30 est caractéristique de la présente invention.
Une telle pièce de jonction 30 assure en effet une bonne répartition des descentes de charges, ce qui est souhaitable pour la conception d’une éolienne à grande capacité de production supportant de très nombreux efforts.
Dans l’exemple décrit ici, cette pièce de jonction 30 est constituée au moins partiellement dans un matériau métallique tel qu’un acier ou tout autre alliage métallique ayant une bonne résistance mécanique.
Dans l’exemple décrit ici, on prévoit en portion supérieure 30a de la pièce de jonction 30 une embase 31 plate dont la forme et les dimensions sont proches de celles de la section transversale de l’extrémité inférieure 10a du mât 10.
Dans l’exemple décrit ici avec un mât 10 sous la forme d’un fût cylindrique, on prévoit que l’embase 31 présente sensiblement la forme d’un disque.
Dans cet exemple, la partie du fût qui vient se raccorder avec l’embase 31 présente un diamètre de quatre mètres et soixante centimètres. Il est ainsi possible de mettre en contact direct la face supérieure de l’embase 31 avec l’extrémité inférieure lOa du mât 10 afin d’assembler solidairement bride contre bride les deux éléments 10 et 30 entre eux par des moyens d’assemblage 32 tel que par exemple un système de boulonnage 32a.
Dans l’exemple décrit ici et comme illustré en figure 3, l’embase 31 présente une ouverture centrale 3 la ; on comprend que cette ouverture 3 la de passage est dimensionnée pour autoriser le passage d’une personne qui souhaite accéder à l’intérieur du mât 10 pour escalader l’échelle intérieure afin d’atteindre la nacelle en partie haute lOOa de la tour 100.
D’après les études menées dans le cadre de la présente invention, la gamme des efforts développés sur chacun des poteaux pour un quadripode s’étale entre - 8700 kN et + 6300 kN.
Afin d’assurer une bonne répartition des descentes de charges dans chaque poteau 21, la pièce de jonction 30 comprend en portion inférieure 30b des pattes d’encastrement 33 qui partent de la face inférieure de l’embase 31 et sont orientées sensiblement vers le bas en s’étendant chacune dans la direction respective de chacun des poteaux 21.
Cette forme en étoile de l’embase 31 et des pattes d’encastrement 33 permet de répartir uniformément les descentes de charges dans chacun des poteaux 21.
Lors de l’installation, il est prévu d’encastrer l’extrémité supérieure 2la de chacun des poteaux 21 dans un logement 34 ménagé au niveau des extrémités distales 33a de chacune des pattes d’encastrement 33.
Dans l’exemple décrit ici, le logement 34 est dimensionné pour recevoir chacun des poteaux de manière à ce que, une fois encastrés l’un dans l’autre, les pattes d’encastrement 33 sont dans le prolongement de leur poteau 21 respectif.
Cette continuité entre les poteaux 21 et la pièce de jonction 30 assure une bonne descente de charges.
Dans l’exemple décrit ici, on prévoit la conception de poteaux 21 usinés de manière à présenter une courbure extérieure.
De préférence, cette courbure extérieure suit une fonction polynomiale qui se calcule de la façon suivante :
AX2+BX+C
dans laquelle :
A = 4H / (Dsup2-Dinfi), B = 0 et C = - A Pin P/4.
Dans cet exemple de réalisation, la longueur de chacun des poteaux 21 est d’environ trente-deux mètres et soixante centimètres. Selon les calculs polynomiaux ci-dessus, on peut segmenter chacun des poteaux selon trois niveaux intermédiaires.
Dans le plan XZ, les coordonnées principales des nœuds de chacun des poteaux sont les suivantes (pour un écartement de dix-huit mètres entre les poteaux - Dinf) :
Figure imgf000012_0001
La forme de poteaux 21 obtenue avec une courbure extérieure suivant une telle fonction polynomiale permet d’optimiser la répartition des charges avec en partie haute une courbure servant de bras de levier et en partie basse une descente sensiblement verticale.
Prévoir des fondations robustes est l’un des objectifs de la présente invention.
Un ouvrage quel qu'il soit doit pouvoir prendre appui sur un sol S, dit sol d'assise.
La tour d’éolienne 100 prévue dans l’exemple décrit ici comprend des plots de fondations 40 dont la fonction est de jouer l'interface entre la structure porteuse de l'ouvrage, ici la tour d’éolienne 10, et le sol S.
Ainsi, dans l’exemple décrit ici et comme illustré en figure 1, on prévoit que chacun des pieds 2lb des poteaux 21 est ancré au sol par l’intermédiaire d’un plot de fondation 40 enseveli au moins partiellement dans le sol S.
Comme illustré sur cette figure 1 , les plots de fondation 40 sont tous structurellement indépendants les uns des autres.
Les plots 40 présentent une conception spécifique qui assurent une transmission optimale des charges de la tour 100 sur le sol S.
On sait qu’un tel sol d'assise S peut supporter une certaine pression qu'il ne faut pas dépasser. Les plots de fondation 40 tels qu’ils ont été conçus ici permettent de répartir les charges sur le sol S de façon à ce que la pression exercée par la fondation sur le sol S soit toujours strictement inférieure à la pression que peut supporter le sol. Lors de l’installation d’un plot 40, on prévoit donc de couler dans un coffrage prévu à cet effet un forage bétonné 45, ici du béton de rattrapage.
Une fois coulé, on positionne une platine métallique 43 perforée sur ce forage 45.
On positionne ensuite des premiers d’ancrage 42 (micropieux) dont les têtes 42a viennent en appui contre la platine métallique 43 et dont l’extrémité libre 42b traverse le forage bétonné 45 pour pénétrer dans le sol S.
Ensuite, on coule dans un coffrage adapté une matrice béton 4 li, ci du béton ferraillé.
Dans l’exemple décrit ici, la matrice 41 présente une densité en béton supérieure à celle du forage bétonné.
On comprend que les têtes d’ancrage 42a des premiers tirants 42 sont noyées à l’intérieur de la matrice béton 41.
Avant séchage, on positionne alors des deuxièmes tirants 44 dont les deuxièmes têtes d’ancrage 44b sont également noyées dans la matrice béton 41 en position de tête bêche par rapport aux têtes 42a des premiers tirants d’ancrage 42.
Les premières têtes d’ancrage 44a prennent quant à elles appui contre un socle métallique 22 recevant le pied 2lb de poteau 21.
Cette structure de fondation prévue dans le cadre de la présente invention permet d’exploiter au mieux la résistance du sol pour un ancrage solide en limitant le volume de béton utilisé.
Ainsi, la présente invention, en proposant notamment un système de fondation spécifique et en prévoyant une structure de treillis avec des poteaux présentant une courbure extérieure déterminé mathématiquement, permet la conception d’une tour d’éolienne assurant une bonne répartition des descentes de charges.
Une telle tour d’éolienne est proposée sous forme de kit à assembler sur site avec des éléments respectueux de l’environnement, relativement légers et faciles à transporter par rapport aux solutions existantes.
Une fois montée, la tour d’éolienne comprend un treillis formé par des poteaux en bois écartés entre eux à la base de manière à obtenir une répartition des descentes de charges optimale. Les poteaux du treillis sont repris sur des plots de fondation compacts, qui eux-mêmes sont ancrés dans le sol (par exemple un massif rocheux) par un ensemble de tirants. L’agencement spécifique des tirants permet d’économiser un volume de béton substantiel.
Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu’en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l’objet de l’invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d’ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.
Il devra également être observé que les signes de références mis entre parenthèses dans les revendications qui suivent ne présentent en aucun cas un caractère limitatif ; ces signes ont pour seul but d’améliorer l’intelligibilité et la compréhension des revendications qui suivent ainsi que la portée de la protection recherchée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tour d’éolienne (100) caractérisée en ce qu’elle comprend :
en partie haute (lOOa), un mât métallique (10) supportant un rotor,
en partie basse (lOOb), une structure (20) présentant au moins trois poteaux (21) en bois destinés à être ancrés au sol (S) et formant un treillis répartissant les descentes de charges, et
- une pièce de jonction (30) entre ledit mât (10) et ladite structure de treillis (20), ladite pièce de jonction (30) étant constituée au moins partiellement dans un matériau métallique et étant configurée pour assembler solidairement entre eux les poteaux (21).
2. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce de jonction (30) comporte en portion supérieure (30a) une embase (31) plate destinée à venir en contact avec l’extrémité inférieure (lOa) dudit mât (10), ladite embase (31) ayant une forme et des dimensions sensiblement adaptées à celles de la section transversale de l’extrémité inférieure (lOa) dudit mât (10).
3. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 2, caractérisée en ce que des moyens d’assemblage (32) sont mis en œuvre au niveau de ladite embase (31) pour un assemblage bride contre bride de ladite pièce de jonction (30) avec ledit mât (10).
4. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens d’assemblage (32) comportent un système de boulonnage (32a).
5. Tour d’éolienne (100) selon l’une quelconque des revendication 2 à 4, caractérisée en ce que ledit mât (10) se présente sous la forme d’un fut cylindrique creux et l’embase (31) de la pièce de jonction (30) comporte une ouverture centrale (31a) dimensionnée pour autoriser le passage d’une personne à l’intérieur dudit fut.
6. Tour d’éolienne (100) selon l’une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisée en ce que la pièce de jonction (30) comporte en portion inférieure (30b) des pattes d’encastrement (33) orientées sensiblement vers le bas et s’étendant chacune dans la direction respective desdits poteaux (21).
7. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque patte d’encastrement (33) comporte en son extrémité distale (33a) un logement (34) dimensionné pour recevoir une portion supérieure (2 la) du poteau (21) respectif de sorte que chaque poteau (21) vient s’encastrer dans le logement (34) de la patte d’encastrement (33) afin que lesdites pattes d’encastrement (33) soient dans le prolongement de leur poteau (21) respectif.
8. Tour d’éolienne (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les pieds (2lb) des poteaux (21) sont écartés entre eux selon un écartement déterminé pour assurer une répartition optimale des descentes de charges.
9. Tour d’éolienne (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacun des poteaux (21) présente une courbure extérieure.
10. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la courbure extérieure de chacun desdits poteaux (21) présente un rayon de courbure respectant une fonction polynomiale calculée selon la formule suivante :
AX2+BX+C
avec :
A = 4H / (Dsup2-DinP), B = 0 et C = - ADinP/4.
dans laquelle :
la variable H correspond à la hauteur de la structure de treillis (20),
la variable Dsup correspond au diamètre supérieur de la structure de treillis (20), la variable Dinf correspond au diamètre au sol, appelé diamètre inférieur, de la structure de treillis (20).
11. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 10, caractérisée en ce que le mât (10) présente une hauteur sensiblement égale à soixante-cinq mètres et la structure de treillis (20) présente les dimensions suivantes :
- une hauteur H supérieure ou égale à vingt-cinq mètres,
- un diamètre supérieur Dsup supérieur ou égal à cinq mètres, et
un diamètre inférieur Dinf supérieur ou égal à seize mètres.
12. Tour d’éolienne (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que chacun des pieds (2lb) des poteaux (21) est ancré au sol par l’intermédiaire d’un plot de fondation (40) enseveli au moins partiellement dans le sol (S), lesdites plots de fondation (40) étant structurellement indépendants les uns des autres.
13. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 12, caractérisée en ce que chaque plot de fondation (40) comporte une matrice béton (41), de préférence ferraillée.
14. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 13, caractérisée en ce que chaque plot de fondation (40) est ancrée dans le sol (S) par une pluralité de premiers tirants d’ancrage
(42) se présentant chacun sous la forme d’une tige métallique libre traversant une platine métallique (43) positionnée dans la matrice béton (41) et dont la tête d’ancrage (42a), noyée à l’intérieur de la matrice béton (41), prend appui contre ladite platine métallique
(43).
15. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 14, caractérisée en ce qu’elle comporte, pour chaque pied (2lb) de poteau (21), des deuxièmes tirants (44) dont les premières têtes d’ancrage (44a) prennent appui contre un socle métallique (22) recevant ledit pied (21b) de poteau (21) et dont les deuxièmes têtes d’ancrage (44b) sont noyées dans la matrice béton (41).
16. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 15, caractérisée en ce que les deuxièmes têtes d’ancrage (44b) des deuxièmes tirants (44) sont en position tête bêche par rapport aux têtes d’ancrage (42a) des premiers tirants (42).
17. Tour d’éolienne (100) selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisée en ce que chaque plot de fondation (40) comporte une fouille bétonnée (45).
18. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 17, caractérisée en ce que la partie libre (42b) de la tige métallique de chaque premier tirant (42) traverse la fouille bétonnée (45) pour pénétrer dans le sol (S).
19. Tour d’éolienne (100) selon la revendication 17 ou 18, caractérisée en ce que la matrice béton (41) présente une densité en béton sensiblement supérieure ou égale à celle de la fouille bétonnée (45). 20. Tour d’éolienne (100) selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite structure de treillis (20) comporte des contreventements et/ou des ceintures (23) reliant les poteaux (21) adjacents entre eux afin de favoriser la répartition des descentes de charges. 21. Tour d’éolienne (100) selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacun desdits au moins trois poteaux (21) est constitué au moins partiellement dans un bois de type bois massif, bois lamellé-collé et/ou bois contreplaqué. 22. Tour d’éolienne (100) selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite pièce de jonction (30) et/ou le mât (10) sont constitués au moins partiellement en acier.
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