WO2020109674A1 - Ensemble de production d'energie electrique multi-generatrices pour eoliennes flottantes de grande puissance - Google Patents

Ensemble de production d'energie electrique multi-generatrices pour eoliennes flottantes de grande puissance Download PDF

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WO2020109674A1
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wind turbine
rotor
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floating
generator
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PCT/FR2018/053062
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Inventor
Alain DELSUPEXHE
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Asah Lm
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • F03D13/25—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors specially adapted for offshore installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2240/93—Mounting on supporting structures or systems on a structure floating on a liquid surface
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    • Y02E10/70—Wind energy
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Definitions

  • TITLE MULTI-GENERATOR ELECTRIC POWER GENERATION SET FOR LARGE FLOATING WIND TURBINES
  • the invention relates, in general, to installations for transforming the kinetic energy of the wind and relates more particularly to wind turbines with a horizontal axis of rotation, in particular floating wind turbines with a large horizontal axis of rotation.
  • a floating wind turbine comprises, for example, a wind turbine rotor consisting of a hub to which three blades are connected, the assembly being rotatably mounted on a support attached to a tubular mast itself fixed on a floating substructure moored.
  • Wind energy is, to date, the second source of renewable energy, behind hydroelectric power.
  • total wind-generated electrical power worldwide exceeds 500 GigaWatts (GW) and provides 3% of global electricity production.
  • the annual increase in wind capacity is around 50 GW per year, but this increase tends to go down for onshore installations. This slowdown is mainly due to environmental constraints, in particular visual constraints and access constraints linked to the size of this equipment.
  • an offshore wind turbine whose hub height would be on the scale of the Eiffel Tower (324 meters (m) high) could sweep an area of the order of 200,000 m 2 with blades of greater length. at 250 m.
  • the project for the largest offshore wind turbine to date announces a swept area of the order of 40,000 m 2 for a nominal power of 12 MW.
  • a wind turbine equipped with 250 m long blades could reach a nominal power of 60 MW (12 MW x 200,000 m 2 / 40,000 m 2 ).
  • HAWT Horizontal Axis Wind Turbine
  • HAWT wind turbines there are thus more than 4000 HAWT wind turbines operational to date, mainly installed on the shoals of the North Sea in Europe. These wind turbines are generally three-blade wind turbines mounted on a fixed foundation placed on the seabed. The choice of this solution is due to the great experience acquired on earth in the manufacture and operation of wind turbines. with regard to the manufacture and operation of HAWT type wind turbines, which makes them credible in particular with financing banks.
  • HAWT type wind turbines were not designed to operate in a mobile environment involving significant mechanical disturbances such as swell, choppy and other meteorological or marine phenomena, so that the HAWT floating wind turbine structures require increased stability and robustness, but also mast heights limited to less than 150 m for structural reasons (thickness of the sheets at the bottom of the mast) and economic reasons (cost of rolling very thick sheets) .
  • current HAWT offshore wind turbines have nacelles of more than 500 tonnes, including blades, installed at the top of masts of more than 100 m high with wind catchment areas greater than 15,000 m 2 , which induces considerable bending moments on the masts.
  • the floating wind turbine structure described in this document comprises a wind turbine rotor associated with a single generator and mounted on a support linked to a pyramidal structure.
  • the object of the invention is therefore to propose a set of electrical energy production for floating wind turbines making it possible to overcome this constraint on the power limit of the generators of wind turbines and capable of supplying power levels which correspond to the powers permitted by increased blade lengths.
  • a subject of the invention is therefore, according to a first aspect, an assembly for producing electrical energy for a floating wind turbine, said wind turbine comprising a set of support legs mounted by a first low end on a floating substructure and the ends of which converging high, said power generating assembly comprising a rotary hub comprising means for fixing wind turbine blades and rotatably mounted relative to the high and converging ends of the support legs, characterized in that it comprises an assembly at least two generators each driven by the rotary hub.
  • the use of several generators and not just one thus solves the problem of the limited power of the generators (currently less than 10MW).
  • the energy production assembly comprises at least two generators placed on either side of the rotary hub.
  • the power generation assembly includes at least two generators placed on the same side with respect to the rotor of the wind turbine.
  • each generator comprises at least one generator rotor linked in rotation to the hub and at least one generator stator fixed to the converging ends of the support legs.
  • each generator has a power of at least 5 MW, thus making it possible to total at least 10 MW of nominal power for a wind turbine equipped with at least two generators of 5 MW minimum.
  • the use of generators of power equal to only a fraction of the nominal power of the wind turbine thus allows (i) to use proven and inexpensive electromechanical equipment, while allowing (ii) to develop a wind turbine of a power unmatched.
  • the rotor of the wind turbine and the rotor of each generator are integral with a rotating shaft journalled relative to a fixed central shaft.
  • a set of bearings are distributed between the rotary shaft and the fixed central shaft, at least at the ends of the rotary shaft.
  • the generator rotors can be connected to the rotor hub of the wind turbine in direct drive (identical rotation speeds w) or by means of a speed multiplier.
  • This multiplier could advantageously be individual for each generator in order to reduce the power and therefore the cost, and by way of illustration this multiplier could be of planetary type.
  • a speed multiplier can be placed between the rotor of the wind turbine and the rotor of each generator.
  • a floating wind turbine of the type comprising a set of support legs having a first lower end mounted on a sub- floating structure and whose opposite high ends converge, a rotary hub supporting the blades mounted at the high and converging ends of the support legs, characterized in that it comprises an assembly for producing electrical energy as defined above.
  • FIGS. l a to e illustrate principles of floating wind turbines whose mast has been replaced by a structure with multiple legs, of three, four and six legs respectively, placed on floating substructures;
  • Figure 2 illustrates the principle of drive of a HAWT wind turbine with several legs whose power chain comprises two generators placed on the same side of a rotor of the wind turbine;
  • FIG. 3 illustrates another embodiment of a HAWT wind turbine power chain comprising a generator on each side of the rotor of the wind turbine;
  • FIG. 4 illustrates another embodiment of a HAWT wind power system comprising three generators in front and three generators behind the rotor of the wind turbine.
  • FIGS. 1a, 1b and 1e illustrate various modes of implementation of a floating wind turbine structure in accordance with the reference, designated by the general reference numeral 1.
  • the wind turbine is a wind turbine with a horizontal axis of rotation HAWT and comprises a rotor 2 comprising a set of blades 3, here three in number, mounted on a rotary hub 4.
  • the rotary hub 4 is mounted on a hollow shaft 8 which revolves around a fixed shaft 9 by means of bearings 16.
  • the fixed shaft 9 is carried by a pyramidal structure 5 itself mounted on a floating substructure 6.
  • the pyramidal structure 5 comprises, in the embodiment of Figure la, three support legs or bracons whose lower end 5a is fixed on the floating substructure 6 and whose upper ends 5b, on which is fixed the fixed shaft 9, converging.
  • the legs are not necessarily of equal length, especially if we compare the legs to the wind compared to the leeward legs of the wind turbine rotor.
  • the blades 3 are mounted on the hub by means of fixing means constituted by blade feet 18 secured to the hub on which the blades are bolted.
  • the multi-leg structure comprises three support legs 5.
  • FIGS. 1 b and 1 e it is not, however, outside the scope of the invention when the structure supporting the fixed shaft 9 is provided with a different number of support legs.
  • the supporting structure can thus comprise a square, rectangular or trapezoidal base, constituting a monohull or multihull float of catamaran or trimaran types, and comprise four support legs 5 or have a hexagonal base and comprise six support legs 5.
  • Optimal operation of the wind turbine is obtained when the axis of rotation of the rotor extends exactly horizontally in the direction of the wind.
  • the whole structure of the wind turbine must be able to orient itself permanently facing the wind, which makes it advantageous to use a floating wind turbine that can be oriented horizontally around an anchor point and vertically by means of ballasts.
  • a floating wind turbine that can be oriented horizontally around an anchor point and vertically by means of ballasts.
  • CALM type mooring point ascronym for the English term “Catenary Anchor Leg Mooring”
  • the supporting structure may include a ballasting system making it possible to tilt or, on the contrary, to straighten the whole wind turbine in the directions of each of the axes of the base of its bearing structure. This will make it possible to maintain the horizontality of the axis of rotation of the rotor despite the stress of wind, waves and currents, or on the contrary to create a voluntary offset of the hub of the rotor compared to its position at rest in order to produce under the effect of the wind a moment of rotation relative to the vertical axis of the wind turbine opposite to that imposed by the current or the waves in order to maintain the axis of rotation of the rotor of the wind turbine in the axis wind if the current or waves are offset from the wind direction.
  • Such a correction effect for the orientation of the horizontal axis of rotation of the rotor of the wind turbine aimed at aligning it with respect to the wind direction is also possible, alternatively or cumulatively with the use of ballasts, by adjusting the individual timing of each blade so as to create a moment of rotation of the wind turbine rotor with respect to the vertical.
  • FIG. 2 illustrates a first exemplary embodiment of an assembly for producing electrical energy of a floating wind turbine in accordance with the invention.
  • This assembly designated by the general reference numeral 7, can be integrated into a HAWT wind turbine as described above with reference to FIGS. 1a, 1b and 1e.
  • the blades 3 are mounted on the hub 4, which hub 4 is mounted on a rotary shaft 8, itself rotatably mounted around a fixed shaft 9, defining the axis of rotation of the wind turbine HAWT.
  • the electrical energy production assembly 7 is provided with at least two generators driven in rotation by the hub 4.
  • the electrical energy production assembly 7 comprises two generators 10 and 1 1 intended to transform the mechanical energy delivered by the rotor of the wind turbine into electrical energy.
  • the generators 10 and 1 1 each comprise a rotor, respectively 12 and 13 secured to the rotary shaft 8 and a stator, respectively 14 and 15 secured to the fixed part of the wind turbine.
  • a bearing system can be located between the stator of each generator and the rotary shaft 8.
  • the rotary shaft 8 is mounted for rotation relative to the fixed central shaft 9 by means of a set of bearings 16.
  • the bearings are distributed along the length of the rotary shaft 8 and preferably up to its ends.
  • the assembly for producing electrical energy comprises two generators 10 and 1 1 placed downwind relative to the rotor of the wind turbine. They could also be placed indifferently in the wind.
  • the assembly for producing electrical energy according to the invention can be provided with any number of generators.
  • the assembly for producing electrical energy may, for example, as illustrated, include six generators. Three generators can be placed downwind of the wind turbine rotor, three generators can be placed downwind of the wind turbine rotor.
  • each generator has a power of at least 5 MW.
  • the assembly for producing electrical energy has a power of 10 MW, for a unit power of generator of 5 MW.
  • the embodiment of Figure 4 thus achieves a production capacity of 60 MW with six generators of 10 MW.
  • the number of generators is not limited to the number of generators of the embodiments described.
  • the rotor of the wind turbine and the rotor of the generators are in direct engagement with the rotary shaft 8.
  • one or more speed multipliers 17 may be arranged between the rotor of the wind turbine and the generator rotor, in particular for wind turbines whose blade length exceeds 120 meters. Indeed, the increase in the length of the blades imposes a reduction in the speed of rotation w of the rotor of the wind turbine in order to limit the linear speed at the end of the blade to the maximum speed tolerable by the blades, which requires use generators that are slower and therefore more expensive per MWh produced.
  • a speed multiplier overcomes this drawback.
  • the state of the art limiting to date wind turbine multipliers to less than 10 MW, and more generally, the cost per MW of large series wind turbine multipliers being lower than that of a first of series of higher power, it is advantageous and even, in the current state of the art, necessary for wind turbines of more than 10 MW to use several speed multipliers with a power equal to a fraction of the power of l 'wind turbine, the invention allowing, thanks to the use of several generators to couple each generator with a power speed multiplier equal to only a fraction of the power of the wind turbine.
  • the invention thus makes it possible to design an electrical energy production assembly with several generators, and if necessary several speed multipliers, even for wind turbines whose blade lengths would require a generator and if necessary a speed multiplier whose power and rotational speed characteristics would exceed current technology limits
  • a permanent or temporary lifting device 19 can be installed at the top of the pyramid 5b in order to facilitate the assembly and disassembly of the components of the Léolienne.
  • the invention allowing the use of several generators and if necessary several speed multipliers each lighter than a single generator or a single speed multiplier with a power equal to the total power of the wind turbine, it reduces the required lifting capacity and therefore the weight and direct and induced costs of said lifting device placed at the top of the wind turbine.

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Abstract

L'invention concerne un ensemble de production d'énergie électrique pour éolienne flottante. L'éolienne comprend un ensemble de jambes de support (5) montées par une première extrémité basse sur une sous-structure flottante (6) et dont les extrémités hautes (5b) convergent. L'ensemble de productions d'énergie comprend un moyeu rotatif (4) comprenant des moyens de fixation (18) de pales d'éolienne (3) et monté de manière rotative par rapport aux extrémités hautes et convergentes (5b) des jambes de support. Il comporte un ensemble d'au moins deux génératrices (10, 11) entraînées chacune par le moyeu rotatif(4).

Description

TITRE : ENSEMBLE DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE MULTI-GENERATRICES POUR EOLIENNES FLOTTANTES DE GRANDE
PUISSANCE
L’invention concerne, de manière générale, les installations de transformation de l’énergie cinétique du vent et se rapporte plus particulièrement aux éoliennes à axe de rotation horizontal, notamment les éoliennes flottantes à axe de rotation horizontal de grande puissance.
Par grande puissance, on entend dans le cadre de la présente description des puissances unitaires d’au moins 10 mégawatts.
Une éolienne flottante comporte, par exemple, un rotor d’éolienne constitué d’un moyeu auquel sont raccordées trois pales, l’ensemble étant monté de manière rotative sur un support attaché à un mât tubulaire lui-même fixé sur une sous-structure flottante amarrée.
Comme on le sait, les installations de transformation de l’énergie cinétique du vent fondées sur l’utilisation d’éoliennes permettent de transformer l’énergie du vent en une autre énergie utile, par exemple électrique, mécanique, thermique.
L’éolien constitue, à ce jour, la deuxième source d’énergie renouvelable, derrière l’énergie hydroélectrique. Actuellement, la puissance électrique totale d’origine éolienne dépasse, dans le monde, 500 GigaWatts (GW) et fournit 3% de la production mondiale d’électricité. L’augmentation annuelle de la capacité éolienne est de l’ordre de 50 GW par an, mais cette augmentation tend à s’infléchir pour les installations terrestres. Ce ralentissement est essentiellement dû aux contraintes environnementales notamment visuelles et aux contraintes d’accès liées à la taille de ces équipements.
Ce phénomène est accentué par l’intérêt économique à disposer d’éoliennes les plus grandes possibles. En effet, une loi aérodynamique bien connue stipule que l’énergie captée par un rotor d’éolienne est proportionnelle à la surface balayée, donc au carré de la longueur des pales. La taille croissante des pales et, partant, de la hauteur des mats, conduisent ainsi à déployer des éoliennes de plus en plus grandes.
Par ailleurs, cette même loi aérodynamique stipule que l’énergie captée par un rotor d’éolienne évolue en fonction du cube de la vitesse du vent. Or, les vents sont généralement plus forts en mer qu’à terre.
De ce double fait (taille et vitesse de vent), la construction des parcs éoliens s’est récemment étendue en mer, dans les lacs et les océans. Les éoliennes en mer (offshore) peuvent atteindre à ce jour des puissances nominales unitaires de 9,5 MégaWatts (MW) alors qu’il n’existe quasiment pas d’éolienne de puissance nominale unitaire supérieure à 4,5 MW à terre.
Or, le principal effet économique qui a permis une baisse constante du coût de production par MégaWatt x heure (MWh) des éoliennes depuis 30 ans a été la taille constamment croissante des rotors d’éoliennes. Cette loi économique implique que les éoliennes les plus compétitives en termes de prix de revient des MWh produits seront en mer, l’effet d’échelle produit par leur taille croissante finissant par compenser les surcoûts d’une installation en mer par rapport à ceux d’une installation à terre.
Ainsi, à titre illustratif, une éolienne offshore dont la hauteur de moyeu serait de l’échelle de la tour Eiffel (324 mètres (m) de haut) pourrait balayer une surface de l’ordre de 200.000 m2 avec des pales de longueur supérieure à 250 m. Par comparaison, le projet de la plus grande éolienne offshore à ce jour annonce une surface balayée de l’ordre de 40.000 m2 pour une puissance nominale de 12 MW. Ainsi, selon une règle de trois, une éolienne équipée de pales de 250 m de long pourrait atteindre une puissance nominale de 60 MW ( 12 MW x 200.000 m2 / 40.000 m2). Selon la loi économique constatée depuis plus de 30 ans dans l’éolien, l’effet d’échelle aboutira dans le cas d'une éolienne d'une telle taille à une baisse substantielle des coûts de production par MWh compensant largement les surcoûts d’installation en mer. Sur un plan pratique, l’installation en grande série d’une éolienne de 60 MW unitaires paraît difficilement envisageable à terre pour les raisons évoquées précédemment. En revanche, leur installation en haute mer est envisageable à terme. Une telle éolienne devrait avantageusement être flottante, d’abord pour s’éloigner des zones côtières présentant des conflits d’usage (paysage, pêche, navigation, surveillance radar...), ensuite car leur embase très large rendrait coûteuse une fondation fixe posée sur le fond marin et avantageuse une fondation flottante simplement amarrée à un système d'ancres. A titre indicatif, l’embase de la tour Eiffel mesure 125 m x 125 m.
Il est donc imaginable que l’éolienne la plus grande et donc la plus compétitive à terme soit une éolienne flottante de très grande puissance.
Son potentiel d’implantation est considérable. En effet, il a été constaté, en ce qui concerne l’Europe, que 73% des ressources éoliennes exploitables en mer de manière économique se situent à des profondeurs supérieures à 50m, plus adaptées aux éoliennes flottantes qu’aux éoliennes fixes. Cette proportion est encore plus importante dans des régions côtières de l’océan Pacifique grandes consommatrices d’électricité telles que la Californie, l’Oregon, le Japon ou Taiwan.
En application de l’expérience terrestre, la plupart des solutions en cours de développement en mer sont fondées sur l’utilisation d’éoliennes à axe de rotation horizontal, également connues sous le terme d’éoliennes de type HAWT (« Horizontal Axis Wind Turbine », en anglais). En l'espèce, l'horizontalité de l'axe de rotation d’une HAWT s'entend généralement dans un intervalle de plus ou moins 15° par rapport à l'horizontalité exacte.
Il existe ainsi plus de 4000 éoliennes HAWT opérationnelles à ce jour, principalement installées sur les hauts fonds de la mer du Nord en Europe. Ces éoliennes sont généralement des éoliennes à trois pales montées sur une fondation fixe posée sur le fond sous-marin. Le choix de cette solution est dû à la grande expérience acquise sur terre en ce qui concerne la fabrication et l’exploitation des éoliennes de en ce qui concerne la fabrication et l’exploitation des éoliennes de type HAWT, ce qui les rend crédibles en particulier auprès des banques de financement.
Il est un fait que les éoliennes de type HAWT n’ont pas été conçues pour fonctionner dans un environnement mobile impliquant des sollicitations mécaniques importantes et perturbatrices telles que les mouvements de la houle, du clapot et autres phénomènes météorologiques ou marins, de sorte que les structures d’éoliennes flottantes HAWT nécessitent une stabilité et une robustesse accrues, mais aussi des hauteurs de mâts limitées à moins de 150 m pour des raisons structurelles (épaisseur des tôles en pied de mât) et économiques (coût de roulage des tôles très épaisses). En effet, les éoliennes offshore actuelles de type HAWT disposent de nacelles de plus de 500 tonnes, pales comprises, installées au sommet de mâts de plus de 100 m de haut avec des surfaces de prise au vent supérieures à 15.000 m2, ce qui induit des moments de flexion considérables sur les mâts.
Par ailleurs, des études ont montré qu’il existe des interférences vibratoires entre les oscillations dues à la houle, la fréquence de rotation des pales d’une éolienne tripale classique de type HAWT et les fréquences propres des tours d’éoliennes offshore. De ce fait, des solutions mettant en œuvre une éolienne de type HAWT reposant sur un flotteur ont montré une fatigue accélérée de certains composants soumis aux vibrations et, par conséquent, des performances de production inférieures à celles constatées sur terre avec les mêmes puissances, à régime de vent égal, du fait notamment de l’obligation de bridage de leur production pour éviter des vibrations excessives.
Des résultats ont montré qu’une installation HAWT sur flotteur ne délivre que 81 % de la production prévue en raison des interférences entre les mouvements de la mer, ceux des pales et les fréquences propres des mâts.
Au vu de ce qui précède, il a donc été proposé de remplacer la structure du mat par des jambes de support constituant une structure pyramidale, les jambes de support ayant une première extrémité basse montée sur une sous-structure flottante et des extrémités hautes convergentes sur lesquelles est montée la chaîne de puissance de l'éolienne.
On pourra se référer au document FR-A-3 004 764 qui décrit une telle structure pour éolienne flottante. La structure d’éolienne flottante décrite dans ce document comporte un rotor d’éolienne associé à une unique génératrice et monté sur un support lié à une structure pyramidale.
Bien qu’une telle structure permette de concevoir des éoliennes ayant une hauteur accrue et, par conséquent, des longueurs de pales accrues, cette solution ne permet pas aux éoliennes de fournir des niveaux de puissance permis par l’utilisation de pales de plus grande longueur. En effet, la puissance des génératrices d’éoliennes constitue une nouvelle contrainte à ces niveaux de puissance accrus. A titre illustratif, il n’existe à ce jour aucun exemplaire commercial de génératrice électrique d’éolienne dépassant 10 MW.
Le but de l'invention est donc de proposer un ensemble de production d’énergie électrique pour éolienne flottante permettant de pallier cette contrainte sur la limite de puissance des génératrices d’éoliennes et capable de fournir des niveaux de puissance qui correspondent aux puissances permises par des longueurs de pales accrues.
L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un ensemble de production d'énergie électrique pour éolienne flottante, ladite éolienne comprenant un ensemble de jambes de support montées par une première extrémité basse sur une sous-structure flottante et dont les extrémités hautes convergent, ledit ensemble de production d’énergie comprenant un moyeu rotatif comprenant des moyens de fixation de pales d’éolienne et monté de manière rotative par rapport aux extrémités hautes et convergentes des jambes de support, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble d'au moins deux génératrices entraînées chacune par le moyeu rotatif. L’usage de plusieurs génératrices et non pas d’une seule (comme stipulé par le document FR-A-3 004 764) résout ainsi le problème de la puissance limitée des génératrices (actuellement à moins de 10MW). En effet, l'un des facteurs limitant la puissance des éoliennes tient à la nécessité de limiter la vitesse linéaire de rotation en bout de pales afin de réduire la fatigue et d’assurer aux pales une durée de vie opérationnelle d’au moins 20 ans. Or, l’augmentation de la puissance d’une éolienne passe par l'augmentation de la longueur de ses pales. Il est donc nécessaire de réduire la vitesse de rotation (w) du rotor de l’éolienne afin de limiter la vitesse linéaire en bout de pales à la vitesse maximale tolérable par les pales pour une durée de vie opérationnelle de 20 ans. Cette vitesse maximale tolérable résulte des vibrations dues à une vitesse linéaire excessive en bout de pales et aux problèmes aéro-structurels liés à l'incompressibilité de l'air pour des vitesses linéaires sensiblement supérieures à Mach 0,3 soit 100 m/s. Par conséquent, une génératrice plus puissante doit pouvoir transmettre un couple plus important en dépit d’une vitesse de rotation w plus faible. Cette contrainte s'applique aussi au multiplicateur de vitesse dans les éoliennes qui en sont équipées. Une spécificité de l’évolution des génératrices d’éoliennes est donc de devoir transmettre des couples accrus à des vitesses de rotations w de moins en moins grandes, engendrant ainsi des contraintes croissantes de réalisation. L’état de l’art actuel se limite de fait à des machines commerciales de puissances inférieures à 10MW aujourd’hui. Ce problème se posera de façon accrue avec l’augmentation de la taille des génératrices. L’utilisation de plusieurs génératrices, et le cas échéant, de plusieurs multiplicateurs de vitesse d'une puissance égale à une fraction de la puissance de l'éolienne permet ainsi de découpler la croissance des éoliennes de la croissance de puissance des génératrices et des multiplicateurs de vitesse. Grâce à l’invention il est possible de réaliser des éoliennes commerciales de puissances supérieures à 60MW alors qu’aucune ne dépasse 10MW aujourd’hui. Dans un mode de réalisation, l’ensemble de production d’énergie comprend au moins deux génératrices placées de part et d'autre du moyeu rotatif.
Dans un autre mode de réalisation, l’ensemble de production d’énergie comprend au moins deux génératrices placées du même côté par rapport au rotor de l’éolienne.
Avantageusement, chaque génératrice comporte au moins un rotor de génératrice lié en rotation au moyeu et au moins un stator de génératrice fixé aux extrémités convergentes des jambes de support.
Dans divers modes de mise en œuvre, chaque génératrice a une puissance d’au moins 5 MW, permettant ainsi de totaliser 10 MW au moins de puissance nominale pour une éolienne équipée d’au moins deux génératrices de 5 MW minimum. L’usage de génératrices de puissance égale à une fraction seulement de la puissance nominale de l’éolienne permet ainsi (i) d’utiliser des équipements électromécaniques éprouvés et peu chers, tout en permettant (ii) de développer une éolienne d’une puissance inégalée.
Par exemple, le rotor de l’éolienne et le rotor de chaque génératrice sont solidaires d’un arbre rotatif tourillonnant par rapport à un arbre central fixe.
Selon une autre caractéristique, un ensemble de roulements sont répartis entre l’arbre rotatif et l’arbre central fixe, au moins aux extrémités de l’arbre rotatif.
Les rotors de génératrice peuvent être reliés au moyeu du rotor de l’éolienne en prise directe (vitesses de rotation w identiques) ou par le moyen d’un multiplicateur de vitesse. Ce multiplicateur pourrait avantageusement être individuel pour chaque génératrice afin d’en réduire la puissance et donc le coût, et à titre illustratif ce multiplicateur pourra être de type planétaire.
Ainsi, un multiplicateur de vitesse peut être disposé entre le rotor de l’éolienne et le rotor de chaque génératrice.
L’invention a également pour objet, selon un autre aspect, une éolienne flottante, du type comprenant un ensemble de jambes de support ayant une première extrémité basse montée sur une sous- structure flottante et dont les extrémités hautes opposées convergent, un moyeu rotatif supportant les pales monté aux extrémités hautes et convergentes des jambes de support, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de production d'énergie électrique tel que défini précédemment.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins indexés sur lesquels :
- Les figures l a à l e illustrent des principes d’éoliennes flottantes dont le mat a été remplacé par une structure à jambes multiples, de respectivement trois, quatre et six jambes, placée sur des sous-structures flottantes ;
La figure 2 illustre le principe d’entrainement d’une éolienne HAWT avec plusieurs jambes dont la chaîne de puissance comporte deux génératrices placées d’un même côté d’un rotor de l’éolienne ;
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d’une chaîne de puissance d’éolienne HAWT comprenant une génératrice de chaque côté du rotor de l’éolienne ; et
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation d’une chaîne de puissance d’éolienne HAWT comprenant trois génératrices devant et trois génératrices derrière le rotor de l’éolienne.
On se référera aux figures l a, lb et l e qui illustrent divers modes de mise en œuvre d’une structure d’éolienne flottante conforme à la mention, désignée par la référence numérique générale 1 .
Comme on le voit, l'éolienne est une éolienne à axe de rotation horizontal HAWT et comporte un rotor 2 comprenant un ensemble de pales 3 , ici au nombre de trois, montées sur un moyeu rotatif 4.
En se référant également à la figure 2, le moyeu rotatif 4 est monté sur un arbre creux 8 qui tourillonne autour d’un arbre fixe 9 au moyen de roulements 16.
L’arbre fixe 9 est porté par une structure pyramidale 5 elle-même montée sur une sous-structure flottante 6.
La structure pyramidale 5 comprend, dans le mode de réalisation de la figure l a, trois jambes de support ou bracons dont l'extrémité basse 5a est fixée sur la sous-structure flottante 6 et dont les extrémités hautes 5b, sur lesquelles est fixé l’arbre fixe 9, convergent. Les jambes ne sont pas nécessairement de longueurs égales, notamment si l’on compare les jambes au vent par rapport aux jambes sous le vent du rotor de l’éolienne.
Par exemple, les pales 3 sont montées sur le moyeu par l'intermédiaire de moyens de fixation constitués par des pieds de pales 18 solidaires du moyeu sur lesquels sont boulonnées les pales.
Dans le mode de réalisation de la figure l a, la structure à jambes multiples comprend trois jambes de support 5.
Comme le montrent les figures l b et l e, on ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque la structure supportant l’arbre fixe 9 est dotée d'un nombre différent de jambes de support.
La structure portante peut ainsi comporter une base carrée, rectangulaire ou trapézoïdale, constituant un flotteur monocoque ou bien multicoques de types catamarans ou trimarans, et comporter quatre jambes de support 5 ou présenter une base hexagonale et comporter six jambes de support 5.
La présence de jambes fixes oblige à maintenir le rotor de l’éolienne dans un axe de rotation fixe par rapport à la structure de l’éolienne afin que les pales de l’éolienne ne viennent pas heurter les jambes fixes lors de leur révolution autour de leur axe de rotation.
Le fonctionnement optimal de l’éolienne est obtenu lorsque l’axe de rotation du rotor s’étend exactement à l’horizontal dans la direction du vent. Comme le vent en mer souffle horizontalement mais pas toujours dans la même direction, l’ensemble de la structure de l’éolienne doit pouvoir s’orienter en permanence face au vent, ce qui rend avantageux l’utilisation d’une éolienne flottante orientable horizontalement autour d’un point d’ancrage et verticalement par le moyen de ballasts. Pour permettre l’orientation de l’éolienne flottante face au vent, on utilise par exemple un touret ou alternativement un point d’amarrage de type CALM (acronyme du terme anglo-saxon « Catenary Anchor Leg Mooring »), largement utilisés par l’industrie pétrolière en mer. La structure portante pourra comprendre un système de ballastage permettant d’incliner ou au contraire de redresser l’ensemble de l’éolienne dans les directions de chacun des axes de la base de sa structure portante. Cela permettra de maintenir l’horizontalité de l’axe de rotation du rotor en dépit de la sollicitation du vent, des vagues et des courants, ou au contraire de créer un décalage volontaire du moyeu du rotor par rapport à sa position au repos afin de produire sous l’effet du vent un moment de rotation par rapport à l’axe vertical de l’éolienne inverse de celui imposé par le courant ou les vagues afin de maintenir l’axe de rotation du rotor de l’éolienne dans l’axe du vent si le courant ou les vagues sont désaxés par rapport à la direction du vent. Un tel effet de correction de l’orientation de l’axe horizontal de rotation du rotor de l’éolienne visant à l’aligner par rapport à la direction du vent est aussi possible, de manière alternative ou cumulative avec l’utilisation de ballasts, en ajustant la loi de calage individuel de chaque pale en sorte de créer un moment de rotation du rotor de l’éolienne par rapport à la verticale.
La figure 2 illustre un premier exemple de réalisation d’un ensemble de production d'énergie électrique d'une éolienne flottante conforme à l’invention.
Cet ensemble, désigné par la référence numérique générale 7, peut être intégré à une éolienne HAWT telle que décrite précédemment en référence aux figures l a, lb et l e.
Sur la figure 2, on reconnaît l'extrémité haute 5b des jambes de support ainsi que le rotor 2 de l’éolienne comprenant le moyeu rotatif 4 et les pales 3 , fictivement tronquées.
Sur la figure 2, les parties fixes par rapport à la sous-structure ont été hachurées, les parties non hachurées illustrant les parties rotatives.
Comme indiqué précédemment, les pales 3 sont montées sur le moyeu 4, lequel moyeu 4 est monté sur un arbre rotatif 8, lui-même monté de manière rotative autour d’un arbre fixe 9, définissant l’axe de rotation de l’éolienne HAWT. L'ensemble de production d'énergie électrique 7 est doté d’au moins deux génératrices entraînées en rotation par le moyeu 4.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'ensemble de production d'énergie électrique 7 comporte deux génératrices 10 et 1 1 destinées à transformer l’énergie mécanique délivrée par le rotor de l’éolienne en énergie électrique.
Dans le cas de la figure 2, ces deux génératrices 10 et 1 1 sont placées toutes les deux sous le vent du rotor 2 de l'éolienne.
Les génératrices 10 et 1 1 comportent chacune un rotor, respectivement 12 et 13 solidaire de l’arbre rotatif 8 et un stator, respectivement 14 et 15 solidaire de la partie fixe de l'éolienne. Un système de roulement peut se trouver entre le stator de chaque génératrice et l’arbre rotatif 8.
Comme on le voit, l’arbre rotatif 8 est monté en rotation par rapport à l'arbre central fixe 9 par l'intermédiaire d’un ensemble de roulements 16.
Dans le but de réduire les forces qui s'exercent sur les roulements, ceux-ci sont répartis selon la longueur de l’arbre rotatif 8 et de préférence jusqu’à ses extrémités.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'ensemble de production d'énergie électrique comporte deux génératrices 10 et 1 1 placées sous le vent par rapport au rotor de l'éolienne. Elles pourraient également être placées indifféremment au vent.
Comme le montre la figure 3 , il est également possible, dans un autre mode de réalisation, de disposer de génératrices montées de part et d’autre du rotor 2 de l'éolienne.
En référence à la figure 4, l'ensemble de production d'énergie électrique selon l'invention peut être doté d'un nombre quelconque de génératrices.
L'ensemble de production d'énergie électrique peut, par exemple, comme illustré, comporter six génératrices. Trois génératrices peuvent être placées au vent du rotor de l'éolienne, trois génératrices pouvant être placées sous le vent du rotor de l'éolienne.
Dans divers modes de réalisation, chaque génératrice comporte une puissance d'au moins 5 MW.
Ainsi, dans le mode de réalisation des figures 2 et 3 , l'ensemble de production d'énergie électrique a une puissance de 10 MW, pour une puissance unitaire de génératrice de 5 MW.
Bien entendu, la puissance des génératrices n’est pas limitée à
5MW. Leur puissance peut par exemple atteindre voire dépasser 12MW.
Le mode de réalisation de la figure 4 permet ainsi d’atteindre une capacité de production de 60 MW avec six génératrices de 10 MW.
On notera enfin que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits.
En premier lieu, le nombre de génératrices n’est pas limité au nombre de génératrices des exemples de réalisation décrits.
En second lieu, on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque l’on utilise des génératrices ayant des puissances différentes de celles qui ont été décrits.
Par ailleurs, dans les divers modes de réalisation décrits, le rotor de l’éolienne et le rotor des génératrices sont en prise directe avec l’arbre rotatif 8. En variante, un ou plusieurs multiplicateurs de vitesse 17 peuvent être disposés entre le rotor de l’éolienne et le rotor des génératrices, en particulier pour des éoliennes dont la longueur des pales dépasse 120 mètres. En effet, l’augmentation de la longueur des pales impose une réduction de la vitesse de rotation w du rotor de l’éolienne afin de limiter la vitesse linéaire en bout de pale à la vitesse maximale tolérable par les pales, ce qui nécessite d’utiliser des génératrices plus lentes et donc plus coûteuses au MWh produit. Un multiplicateur de vitesse permet de s’affranchir de cet inconvénient. Néanmoins, l’état de l’art limitant à ce jour les multiplicateurs d'éoliennes à moins de 10 MW, et plus généralement, le coût par MW de multiplicateurs d'éoliennes de grande série étant inférieur à celui d'un premier de série de plus grande puissance, il est avantageux et même, dans l'état actuel de l'art, nécessaire pour des éoliennes de plus de 10 MW d'utiliser plusieurs multiplicateurs de vitesse d'une puissance égale à une fraction de la puissance de l'éolienne, l'invention permettant, grâce à l'emploi de plusieurs génératrices de coupler chaque génératrice avec un multiplicateur de vitesse de puissance égale à une fraction seulement de la puissance de l'éolienne. L’invention permet ainsi de concevoir un ensemble de production d’énergie électrique à plusieurs génératrices, et le cas échéant plusieurs multiplicateurs de vitesse, même pour des éoliennes dont les longueurs de pales nécessiteraient une génératrice et le cas échéant un multiplicateur de vitesse dont les caractéristiques de puissance et de vitesses de rotation dépasseraient les limites actuelles de la technologie
Enfin, dans les divers modes de réalisation décrits, un dispositif de levage permanent ou temporaire 19 pourra être installé au sommet de la pyramide 5b afin de faciliter le montage et le démontage des composants de Léolienne. L’invention permettant l’usage de plusieurs génératrices et le cas échéant de plusieurs multiplicateurs de vitesse chacun plus légers qu’une unique génératrice ou qu’un unique multiplicateur de vitesse d’une puissance égale à la puissance totale de l’éolienne, elle permet de réduire la capacité de levage requise et donc le poids et les coûts directs et induits dudit dispositif de levage placé au sommet de l’éolienne.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Ensemble de production d'énergie électrique pour éolienne flottante, ladite éolienne comprenant un ensemble de jambes de support (5) montées par une première extrémité basse (5a) sur une sous-structure flottante (6) et dont les extrémités hautes (5b) convergent, ledit ensemble de production d'énergie comprenant un moyeu rotatif (4) comprenant des moyens de fixation ( 18) de pales d’éolienne et monté de manière rotative par rapport aux extrémités hautes et convergentes (5b) des jambes de support, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble d'au moins deux génératrices ( 10, 1 1 ) entraînées chacune par le moyeu rotatif (4).
2. Ensemble de production d'énergie électrique pour éolienne flottante selon la revendication 1 , comprenant au moins deux génératrices ( 10, 1 1 ) placées de part et d'autre du moyeu (4) de réolienne.
3. Ensemble de production d’énergie électrique pour éolienne flottante selon la revendication 1 , comprenant au moins deux génératrices ( 10, 1 1 ) placées du même côté par rapport au rotor (2) de l’éolienne.
4. Ensemble de production d'énergie électrique selon l’une des revendication 2 et 3 , dans lequel chaque génératrice comporte au moins un rotor de génératrice ( 12, 13) lié en rotation au moyeu et au moins un stator de génératrice ( 14, 15) fixé aux extrémités convergentes des jambes de support.
5. Ensemble de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 , dans lequel chaque génératrice ( 10, 1 1 ) a une puissance d'au moins 5 MW.
6. Ensemble de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 , dans lequel le rotor (2) de l’éolienne et le rotor ( 12, 13) de chaque génératrice sont solidaires d’un arbre (8) rotatif par rapport à un arbre central fixe (9).
7. Ensemble de production d’énergie électrique pour éolienne flottante selon la revendication 6, dans lequel un ensemble de roulements ( 16) sont répartis entre l’arbre rotatif (8) et l’arbre central fixe (9), au moins aux extrémités de l’arbre rotatif.
8. Ensemble de production d’énergie électrique pour éolienne flottante selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel un multiplicateur de vitesse ( 17) est disposé entre le rotor de l’éolienne et le rotor de chaque génératrice.
9. Ensemble de production d’énergie électrique pour éolienne flottante selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant un système de levage intégré ( 19).
10. Eolienne flottante, du type comprenant un ensemble de jambes de support (5) ayant une première extrémité basse (5a) montée sur une sous-structure flottante (6) et dont les extrémités hautes (5b) convergent, un moyeu rotatif (4) supportant les pales monté aux extrémités hautes et convergentes (5b) des jambes de support (5), caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de production d'énergie électrique (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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