WO2019201705A1 - Eolienne flottante a turbines jumelles a axe vertical et a couplage mecanique - Google Patents

Eolienne flottante a turbines jumelles a axe vertical et a couplage mecanique Download PDF

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wind
wind turbine
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Guillaume BALARAC
Stéphane BARRE
Guillaume MAURICE
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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a floating wind turbine comprising a floating platform on which rests a turbomachine comprising two turbines with vertical axis.
  • the turbines are carried by a vertical median pylon, rotatably mounted relative to the floating platform, and connecting members connecting and holding at a distance the rotation shafts of the turbines with respect to the pylon.
  • the wind turbine includes:
  • At least one flexible link connecting and synchronizing in rotation the rotation shaft of the generator with the rotation shafts of the turbines by linear scrolling of said flexible link in a closed circuit path, so as to drive the rotation shaft of the generator by the movement of the two turbines.
  • the field of the invention is in particular that of wind turbines in a marine environment.
  • HAWT horizontal axis
  • VAWT vertical axis wind turbine
  • wind turbines currently in operation are installed in shallow water depths, of the order of a few tens of meters: they are so-called "laid” wind turbines.
  • the lower end of the mast of such wind turbines is fixed rigidly to the seabed.
  • conflicts of use coastal fishing zones, signaling service areas and radars
  • tourism tourism (recreational activities and recreation) some projects based on this type of wind turbines find blocked.
  • the number of low-slope and low-lying wind sites, such as the North Sea which are the only ones that are suitable for installing this type of rigid-anchor wind turbine, is reduced.
  • the slopes are generally much higher, significantly limiting the establishment of this type of fixed wind turbine to a relatively narrow coastal strip. In the Mediterranean, for example, this band also corresponds to a zone of heavy maritime traffic.
  • the current literature recommends the use of holding structures that include at least one float and are usually attached to the seabed by one or more lines of mooring. They can be stabilized, if necessary by submerged weights housed in the funds of the structure. Unlike rigid anchor wind turbines, they can move relative to the seabed, and are sensitive, in particular, to the horizontal forces of the wind on the wind turbine (together with at least the turbines and electrical machines), the horizontal forces of the current on the holding structure, the horizontal and vertical alternating forces of the waves, the currents, the restoring forces of the mooring lines (horizontal and vertical), the buoyancy of Archimedes on the floats, the forces of gravity on all elements.
  • the type of mooring used represents a significant part of the total investment of a marine wind turbine and also ensures its reliability.
  • wind turbines with horizontal axis and axial flow, which look like airplane propellers, and wind turbines with vertical axis. transverse flow.
  • patent FR 3,048,740 describes a wind turbine formed of a turbomachine composed of two vertical turbines contrarotative rectangular torque master, supported by upper and lower transverse elements, which are maintained by a single median mast.
  • This turbomachine is mounted on a pivot relative to the mast and pivots freely around the vertical axis of the mast. This axis is located upstream of the center of aerodynamic thrust so that the whole is naturally oriented towards the wind.
  • the wind turbine includes aerodynamic appendages such as specific fairings. Although allowing to reduce contrails these additional elements weigh down the structure of the wind turbine and / or increase the manufacturing and / or installation costs.
  • each turbine comprises an electric generator driven directly by the blades of the turbine and housed in the lower fairing of the turbine.
  • These two generators are enslaved by an electronic control-command system, based on power electronics associated with each generator, to maintain a constant electrical phasing between the generators.
  • the wind turbine comprises two specific generators, called “direct drive”, which are each connected directly with the turbine and are designed to be used at the speed of rotation of the turbine.
  • direct drive which are each connected directly with the turbine and are designed to be used at the speed of rotation of the turbine.
  • These generators are quite expensive.
  • Other systems use more conventional generators and more economical, but require to be driven through a mechanical multiplier because they are not adapted to the low speed of rotation of a wind turbine.
  • An object of the invention is both to reduce manufacturing costs and / or wind turbine installation and improve the reliability of wind turbines composed of two twin turbines. Another object of the invention is to facilitate the maintenance of wind turbines. It is also intended to propose a more stable and more efficient wind turbine.
  • a floating wind turbine comprising a floating platform and a turbomachine resting on the platform, the turbomachine comprising at least:
  • each turbine comprising blades driven by the wind
  • a turbine holding structure which comprises at least:
  • a vertical median pylon the longitudinal axis of which is included in the first plane of symmetry, rotatably mounted on a pylon pivot axis with respect to the floating platform,
  • the wind turbine comprises:
  • a generator in a fixed position with respect to the turbomachine and which is driven by a rotation shaft, whose axis of rotation is parallel to the axes of rotation of the turbines and is distinct from the axis of rotation of the pylon and axes rotating turbines, and
  • At least one flexible transmission link connecting and synchronizing in rotation the rotation shaft of the generator with the rotation shafts of the turbines by linear scrolling of said flexible link in a closed circuit path, so that the movement of the two turbines drives the same generator by its rotation shaft.
  • the flexible link makes it possible to use a single generator. This has the advantages of simplifying, lightening and reliability of the entire system, and lower the cost of manufacturing wind turbines compared to those equipped with mechanical multiplier systems ("Direct-Drive” machines). It also allows simultaneously transmit the power of the two turbines to the generator; while respecting the phasage between the two turbines.
  • the offset of the axis of rotation of the generator with respect to the longitudinal axis of the tower makes it possible to move the center of gravity of the turbomachine out of the longitudinal axis of symmetry of the wind turbine. This has the effect of creating, because of gravity, a gravity moment called “piercing moment” to compensate for the propensity to wind the wind turbine when the wind blows on it, and thus stabilize it.
  • the invention proposes a floating wind turbine which makes it possible both to reduce the costs of manufacture, installation and / or maintenance of a wind turbine, to improve the reliability of the wind turbines composed of two twin turbines and to improve the stability of floating wind turbines.
  • the floating wind turbine can then accept stronger winds and thus produce more energy compared to floating wind turbines of the prior art.
  • the proposed solution makes it possible to obtain a wind turbine whose turbines start to turn as soon as the wind blows at a speed of 3 m / s (meters per second) and continue to turn up to a wind speed of 24 m / s ( meters per second), the second plane containing the axes of rotation of the first and second turbines facing the wind; the nominal power of the wind turbine being obtained when the wind reaches 12 m / s (meters per second).
  • transverse flow turbines turbines arranged and configured to receive a flow of air in a direction substantially perpendicular to the axis of rotation of the turbines.
  • the turbines used respectively have a substantially vertical axis of rotation.
  • each turbine comprises several rigid blades, distributed around its vertical axis and extending between the upper link member and the lower link member.
  • Each blade has for example a vertical portion remote from the axis and rigidly connected to the center of rotation at its end.
  • each turbine comprises at least two blades.
  • the blades extend in a vertical direction.
  • Each blade is extended at each of its two ends by an arm.
  • the blades extend mainly in a longitudinal direction and the arms extend mainly in a transverse direction.
  • the blades describe rotating cylinders.
  • the arms are connected to shaft members by pivoting links forming a blade rotation axis.
  • each turbine comprises two blades.
  • each turbine comprises three blades.
  • the upper and lower link members are arranged and configured so that the longitudinal axis of the pylon is included in the second plane containing the axes of rotation of the turbines.
  • Each link member holds one end of an axis of rotation of a turbine.
  • the upper and lower link members extend on both sides of the pylon.
  • the lower link members hold the lower ends of the axes of rotation of the first and second turbines.
  • the upper link members hold the upper ends of the axes of rotation of the first and second turbines.
  • a connecting member may be a rib or a spar. It extends substantially transversely and / or horizontally.
  • the link members allow to maintain each turbine by a pivot connection. They eliminate the need for a central drive shaft. They make it possible to place the straight blades of the turbines sufficiently close to each other so as to increase the efficiency of each of the turbines.
  • the axis of pivoting of the pylon coincides with the longitudinal axis of the pylon.
  • the longitudinal axis of the pylon is coincident with the axis of symmetry longitudinal or central to the floating platform. This saves material, as well as simplicity, compactness and robustness.
  • the pivot axis of the pylon extends in the vertical direction passing through the center of gravity of the floating platform.
  • the axis of rotation of the generator is disposed outside the second plane containing the axes of rotation of the turbines.
  • the axis of rotation of the generator is disposed in the first plane of symmetry, the first plane of symmetry being perpendicular to the second plane.
  • the longitudinal axis of the pylon is further disposed in the second plane.
  • the generator is arranged or extends outside the second plane containing the axes of rotation of the turbines.
  • the position of the generator, with respect to the other elements of the turbomachine contained in the second plane, on the floating platform is such that the center of gravity of the turbomachine is offset and outside the second plane containing the axes of rotation of the turbines and outside the vertical direction passing through the center of gravity of the platform.
  • the wind turbine comprises a single generator.
  • turbomachine elements at least the turbines, or the set of turbines, generators, various electrical equipment and holding structure, including the pylon itself.
  • the wind turbine comprises a turbomachine whose constitution, considered without the generator, has a center of gravity located on the pivot axis of the pylon.
  • the wind turbine further comprises a single generator attached to said turbomachine on the side intended to receive the wind, at a sufficiently large distance from said pivot axis to create a piercing moment capable of inclining the wind turbine in said direction in the absence of wind .
  • the wind turbine comprises at least one idler wheel whose axis of rotation is parallel to the axis of rotation of the generator and to the axes of rotation of the turbines.
  • Said idler wheel forms for the flexible link a return which is arranged on the path of the flexible link so that the rotation shafts of the turbines have in operation opposite directions of rotation.
  • the idler wheel is for example a pulley.
  • the wind turbine comprises a single flexible link. This embodiment has the advantages of simplifying, lightening and reliability of the entire system.
  • the wind turbine comprises at least two distinct flexible links, each link connecting the rotation shaft of the generator with a rotation shaft of a single turbine.
  • Said links are mounted differently from each other so that one of the two forms by its path a reversal of the direction of rotation, allowing the two turbines rotating in the opposite direction to drive the generator in a same direction of rotation.
  • one of the two links is mounted in a cross path.
  • One of the flexible links must cross its strands between the rotation shaft of the generator and the rotation shaft of a turbine.
  • the flexible link or links are made from toothed belt, cable, or chain.
  • the flexible link (s) is (are) disposed under the lower link members of the holding structure.
  • the lower link members extend on either side of the pylon in a third plane perpendicular to the longitudinal axis of the pylon.
  • the third plane is horizontal and / or parallel to the body of water.
  • the generator is disposed at or below at least one flexible link or all flexible links. Preferably, the generator is at or near the low link members.
  • the wind turbine comprises:
  • the yaw control device is arranged and configured, in the event of activation, to set the pylon in motion so as to place the second plane containing the axes of rotation of the first and second turbines substantially perpendicular to the direction of rotation. wind and arrange the second plane facing the wind.
  • This embodiment has the advantage of having the wind turbines facing the wind and thus stabilize the wind turbine.
  • the servocontrol device active yaw control is placed at the lower end of the pivot axis of the pylon. It is placed for example under the turbines and / or near the floating platform.
  • the lace servo device comprises a cylindrical portion corresponding to a male portion of a pivot connection, said portion being arranged and configured to penetrate into a cylindrical opening provided in the foot of the pylon, the opening cylindrical corresponding to the female part of said pivot connection in the foot of the pylon. This positioning has the advantage of being easily accessible because at the platform, and allow cooling and natural thermal stabilization due to the proximity to water.
  • control device in active yaw control is arranged and configured so that, in case of inactivation, the pylon is free to rotate.
  • the servo-control device active yaw control is arranged and configured to place the second plane containing the axes of rotation of the turbines, and / or the center of thrust aerodynamic turbomachine, substantially perpendicular to the direction of the wind.
  • center of gravity means the point of application of the resultant forces of gravity or gravity
  • center of buoyancy the point of application of the resultant force forces of Archimedes, and also corresponds to the geometric center of the immersed volume (displaced fluid volume); in static equilibrium, the center of buoyancy and the center of gravity of a floating object are in the same vertical direction.
  • the center of gravity of the turbomachine is such that, when the wind turbine is disposed on a horizontal ground, the vertical direction passing through the center of gravity of the turbomachine is offset from the longitudinal axis of symmetry of the floating platform. It is considered that the center of gravity of the floating platform is located on the longitudinal axis of symmetry of the floating platform.
  • the wind turbine tends to recover towards or in a substantially vertical position due to the action of the wind on the turbines; the longitudinal axis of symmetry of the floating platform forms an angle, called "rectifying angle", less than the angle of insertion or a zero angle with respect to the vertical direction.
  • This piercing moment by construction is thus opposed to the effects of the winds, and thus allows the machine to withstand stronger wind forces than if it was balanced to be vertical in zero wind.
  • this configuration of the turbine, offset upstream with respect to the pivot axis of the tower is particularly favorable for obtaining such an offset center of gravity, while maintaining a centered and symmetrical architecture for the float, and therefore simple and compact and economical, for example simply by arranging the pivot axis of the pylon in the center of the float.
  • FIGS. 1, 2a, 2b and 2c show an embodiment of a floating wind turbine according to the invention in the longitudinal axis of the pylon is included in the geometric plane containing the axes of rotation of the two turbines, and in which pivot axis of the pylon coincides with the longitudinal axis of said pylon;
  • FIG. 1 being a perspective view of the wind turbine
  • FIG. 2a is a diagram, in plan view, of the arrangement of the various axes and planes according to the embodiment of FIG. 1, and
  • FIG. 2b and 2c being side views in a geometric plane perpendicular to the geometric plane containing the axes of rotation of the turbines;
  • FIG. 2b showing the floating wind turbine in an inclined state on a body of water in the absence of wind, and
  • FIG. 2c representing the wind turbine of FIG. 2b in a substantially horizontal state in the presence of wind;
  • FIGS. 3a and 3b show a transmission by flexible link and its arrangement with respect to the different rotation shafts according to a first embodiment in which the wind turbine comprises an idler wheel, FIG. 3a being a zoom on the link members. low seen in perspective and showing a flexible link connecting the rotation shafts turbines, the idler and the generator shaft in a closed circuit,
  • FIG. 3b is a diagram of the relative disposition of the axis of rotation of the generator and the axis of rotation of the idler wheel relative to the axes of rotation of the turbines and the pivot axis of the tower, the wind turbine being seen from above according to a third plane, said plane of transmission, and
  • FIG. 4 is a diagram of the relative disposition of the axis of rotation of the generator relative to the axes of rotation of the turbines and of the pivot axis of the tower, according to a second embodiment in which the wind turbine comprises two soft links.
  • FIGS. 1, 2b and 2c illustrate a floating wind turbine 10 of the vertical axis type (called VAWT abbreviation of "vertical-axis wind turbine”) and is arranged and configured to float on a body of water at great depth (see FIGS. and 2c), especially at sea far from the shore.
  • the wind turbine 10 comprises a floating platform 14 ensuring the buoyancy of the entire device and serving as a support. Tie rods or cables (not shown) are used to keep the wind turbine in position on the plane water and avoid drifting.
  • Figure 1 shows a wind turbine out of water.
  • the floating wind turbine 10 comprises a turbomachine resting on the platform 14.
  • the turbine engine also called a turbine generator, comprises a vertical pylon 20 fixed to the floating platform 14.
  • the pylon 20 is rotatably mounted according to a pylon pivot axis M (see FIGS. 2b and 2c) with respect to the floating platform 14. Its pivot axis coincides with its longitudinal axis.
  • the tower 20 is intended to support turbines.
  • the floating wind turbine 10 comprises two juxtaposed and contra-rotating vertical-axis turbines 30 with transverse flux.
  • the two turbines 30 have vertical axes of rotation A and A 'parallel to one another.
  • Said axes of rotation are arranged symmetrically with respect to a first geometric plane of symmetry PI.
  • Said axes of rotation A and A ' are parallel to the longitudinal axis L of the pylon.
  • the longitudinal axis L of the pylon extends in the plane of symmetry P 1 so that the longitudinal axis of the pylon is situated between the turbines 30.
  • a geometrical plane P2 containing the two axes of rotation A and A 'of the turbines see Figure 2a.
  • the pivot axis M of the tower is located or is installed in the second plane P2 containing the axes of rotation A and A 'of the turbines 30.
  • each turbine 30 comprises two blades 32 extending vertically and which, in operation, are subjected to the action of the wind to rotate the turbine.
  • the blades 32 extend parallel to the axis of rotation of the turbine A or A 'and are arranged diametrically opposite with respect to said axes of rotation A or A'.
  • each blade 32 is extended at each of its two ends, an upper end and a lower end, by an arm. At the upper end, each blade 32 is extended by an upper arm 33. At the lower end, each blade 32 is extended by a lower arm 31. The upper arms 33 and lower 31 are respectively connected to the blade 32 by a rounded elbow.
  • the blades of each turbine describe a cylinder in their rotation, see Figure 2a.
  • the arms are connected to shaft elements by pivoting links forming a blade rotation axis, not shown.
  • all the lower or upper arms of the same turbine are connected to a hub which is itself rotatable relatively around a shaft element forming a blade rotation axis, the shaft element being rigidly attached to a connecting member, see below.
  • each turbine 30 comprises a lower hub 34.
  • the hubs are rotatable about shaft elements of reduced height axis A or A '.
  • Each lower arm 31 is attached to a lower hub 34.
  • the floating wind turbine 10 comprises link members, high link members 43 and low link members 41, fixedly connected to the pylon 20 and carrying and holding the rotation of the turbines.
  • the upper link members 43 extend from the top of the pylon; the lower link members 41 extend from the pylon in the vicinity of the floating platform 14.
  • the low link members 41 extend in the vicinity of the water line, away from the waves .
  • the wind turbine comprises a single generator 70 in order to transform the mechanical energy of rotation of the turbines into electrical energy, see FIGS. 2b and 2c.
  • the wind turbine further comprises at least one flexible link arranged and configured to connect and synchronize in rotation the rotation shaft of the generator and the rotation shafts of the turbines so as to drive them in rotation.
  • the generator including its arrangement, and the arrangement of the at least one flexible link will be described in more detail below.
  • the floating wind turbine 10 comprises a wind direction detection device (not shown) and a control device in yaw control 50 of the pivot axis M of the pylon.
  • the servo device 50 is disposed near the pivot shaft of the tower to act thereon. It is further disposed near the floating platform 14 to facilitate installation and eventual maintenance.
  • the servocontrol device active yaw control 50 is arranged and configured so that, in case of activation of said device, move the pylon 20 so as to place the second plane P2, containing the axes of rotation A and A turbines 30, substantially perpendicular to the wind direction.
  • the wind direction is assumed to be substantially horizontal or parallel to the body of water on which the floating wind turbine is located. In case of inactivation of the servo device, the pylon is left free to rotate.
  • the floating wind turbine is arranged and configured to arrange the axis of rotation G of the generator upstream of the second plane P2 containing the axes of rotation A and A 'of the turbines relative to the direction of rotation. wind.
  • the axis of rotation G of the generator is arranged in the plane of symmetry PI.
  • the low link members 41 are arranged and configured to place the generator in the position to obtain an offset of the axis of rotation G of the generatrix with respect to the plane P2 containing the rotation axes A and A 'of the turbines, so that said axis of rotation of the generator is outside the plane P2, as in Figure 2a.
  • the offset is represented by the distance or the spacing "X".
  • the high and low link members 43 extend on either side of the pylon 20.
  • This offset has the effect that the center of gravity CT of the turbomachine is located outside the longitudinal axis L of the pylon which is itself placed in the axis of symmetry of the floating platform 14.
  • the center of gravity CT of the turbomachine is substantially outside the P2 plane.
  • the center of gravity of the entire wind turbine is at the point CT.
  • the wind turbine is thus maintained in position due to the opposite forces: firstly the weight P applying to the center of gravity CT of the wind turbine, and secondly the buoyancy of Archimedes B applying in the center of buoyancy, represented by the point CP in Figure 2b.
  • the floating platform is at least ten times heavier than the turbomachine.
  • the direction of the wind is represented by the arrows V oriented from left to right.
  • the device for detecting the direction and direction of the wind (not shown) makes it possible to inform the active control servo device in yaw in order to act on the pivot shaft of the pylon to place the plane.
  • FIG. 2a there is illustrated the pivoting of the turbomachine around the pivot axis M of the pylon, from a first position in a plane P2a (corresponding to plane P2 before adjustment and represented diagrammatically in dashed line) up to a second position in which the plane P2 (shown schematically in solid lines) is substantially perpendicular to the direction of the wind, or during a wind direction change.
  • the first plane moves from a first position Pla to a second position P1
  • the axis of the generator 70 moves from a first position Ga to a second position G.
  • Figure 2c shows the forces acting on the floating wind turbine when the wind is blowing and according to the direction and direction of the wind.
  • the center of gravity CT of the turbomachine is located upstream of the pylon relative to the direction of the wind, that is to say to the left of pylon in Figure 2c.
  • the resultant of the wind forces (represented by the arrow Ft) applies to the point T or "center of aerodynamic thrust" of the turbomachine.
  • the point T is located substantially on the longitudinal axis L of the pylon 20.
  • the pitching moment transmitted to the floating platform by the turbomachine assembly is thus partially compensated.
  • a significant gain on the dimensions of the float is obtained, or an ability to exploit stronger winds. This is important considering the cost and raw material consumption related to the float manufacturing (the float cost is estimated at between 15 and 20% of the total cost of a floating offshore wind turbine installation). This arrangement further allows the wind turbine to accept higher wind speeds than the wind turbines of the prior art.
  • the servocontrol device in active yaw control placed in the vicinity of the point O, makes it possible to rotate the turbomachine / aerogenerator unit allowing on the one hand to place it facing the wind and on the other hand to balance the assembly of the wind turbine when the wind blows, see Figures 2a and 2c.
  • the floating wind turbine comprises a single generator 70 whose axis of rotation G is parallel to the axes of rotation A and A 'of the turbines.
  • the axis of rotation G is furthermore arranged in the plane of symmetry PI and is arranged under the low link members 41.
  • the at least one flexible link connects in a closed circuit path the rotation axes of the turbines and the axis of rotation of the generator.
  • the at least one flexible link extends in operation along a third plane P3, called the transmission plane, which is situated just above the low link members 41.
  • the at least one flexible link cooperates by adhesion to a cylindrical portion of each of the shafts so as to synchronize them.
  • the wind turbine comprises turbine pulleys 64, each pulley being disposed coaxially and superposed relative to a hub 34 so that each hub and pulley pair 34 and pulley 64 is fixedly connected in rotation.
  • the wind turbine comprises a generator pulley 62 fixedly connected in rotation with a rotation shaft 63 of the generator.
  • the turbine pulleys 64 and the generator pulley 62 have peripheral surfaces arranged and configured to adhesively receive the at least one flexible link.
  • the wind turbine comprises a single flexible link 60 and a idler wheel 69 whose axis of rotation F is parallel to the axis of rotation G of the generator and to the rotation axes A and A 'of the turbines.
  • the idler wheel 69 also has a peripheral surface for receiving by adhesion the flexible link 60.
  • the idler wheel 69 is disposed along the path of the flexible link 60 so that the pulleys 64 of the turbines have in operation opposite directions of rotation.
  • the idler wheel allows the use of a single flexible link for the training of the whole despite the constraint of contra- rotativity of the rotors of the turbines.
  • the wind turbine comprises two flexible links 60a and 60b, which are superposed at the level of the driving pulley 62 of the generator.
  • one of the two must be crossed, here the link 60b, to ensure the counter-rotation of the two turbines.
  • This configuration has the advantage of eliminating the extra idle wheel that one is forced to use if one opts for the single-link solution.

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Abstract

La présente invention concerne une éolienne flottante (10) comprenant une plateforme flottante (14) sur laquelle repose une turbomachine comprenant deux turbines (30) à axe vertical. Les turbines sont portées par un pylône médian vertical (20), monté rotatif par rapport à la plateforme flottante, et par des membres de liaison (41, 43) reliant et tenant à distance les arbres de rotation des turbines par rapport au pylône. L'éolienne comprend : - une seule génératrice (70) dont l'axe de rotation (G) est parallèle aux axes de rotation (A, A') des turbines et est distinct de l'axe de pivotement du pylône et des axes de rotation (A, A') des turbines, et - au moins un lien souple (60) reliant et synchronisant en rotation l'arbre de rotation de la génératrice avec les arbres de rotation des turbines par défilement linéaire dudit lien souple en un trajet en circuit fermé, de façon à entraîner l'arbre de rotation de la génératrice par le mouvement des deux turbines (30). Le domaine de l'invention est en particulier celui des éoliennes en milieu marin.

Description

« Eolienne flottante à turbines jumelles à axe vertical et à couplage mécanique »
La présente invention concerne une éolienne flottante comprenant une plateforme flottante sur laquelle repose une turbomachine comprenant deux turbines à axe vertical. Les turbines sont portées par un pylône médian vertical, monté rotatif par rapport à la plateforme flottante, et par des membres de liaison reliant et tenant à distance les arbres de rotation des turbines par rapport au pylône.
L'éolienne comprend :
- une seule génératrice dont l'axe de rotation est parallèle aux axes de rotation des turbines et est distinct de l'axe de pivotement du pylône et des axes de rotation des turbines, et
- au moins un lien souple reliant et synchronisant en rotation l’arbre de rotation de la génératrice avec les arbres de rotation des turbines par défilement linéaire dudit lien souple en un trajet en circuit fermé, de façon à entraîner l’arbre de rotation de la génératrice par le mouvement des deux turbines.
Le domaine de l'invention est en particulier celui des éoliennes en milieu marin.
Etat de la technique antérieure
La production d'électricité est de nos jours un enjeu crucial. Des technologies de production à partir d'énergies renouvelables ont été développées pour d'une part diversifier les sources d'approvisionnement en énergie et d'autre part produire de l'énergie électrique de manière écologique. Ainsi, des éoliennes ont été développées et installées en particulier sur des terres présentant pas ou très peu d'obstacles et présentant un réseau électrique facilement accessible. En outre, des installations d'éoliennes en milieu marin sont de plus en plus envisagées car le vent y est plus intense et plus constant, du fait de l'absence totale de reliefs. Sur une année, des vitesses moyennes de vent supérieures à 8m/s peuvent ainsi être assurées, permettant d'atteindre plus de 30% de la puissance nominale des éoliennes, valeurs qui sont difficilement atteignables pour les installations terrestres. Dans le domaine des éoliennes en général, il est connu deux types d'installation : les éoliennes type à axe horizontal (dites HAWT abréviation de "horizontal-axis wind turbine") et les éoliennes type à axe vertical (dites VAWT abréviation de "vertical-axis wind turbine").
En mer, les éoliennes actuellement en activité sont installées sur des profondeurs d’eau peu importantes, de l’ordre de quelques dizaines de mètres : ce sont des éoliennes dites « posées ». L’extrémité inférieure du mât de telles éoliennes est fixée au fond marin de manière rigide. Pour un ensemble de raisons liées à l'écologie, aux conflits d'usage (zones de pêches côtières, zones de servitudes sémaphores et radars), ou au tourisme (activités de plaisance et loisirs) certains projets fondées sur ce type d'éoliennes se trouvent bloqués. En outre le nombre de sites éoliens de faible pente et à faible fond, comme peut en offrir par exemple la mer du Nord, qui sont les seuls propices à l’installation de ce type d’éolienne à ancrage rigide, est réduit. En revanche, pour la plupart des autres mers et océans, les pentes sont généralement bien supérieures, limitant sensiblement la mise en place de ce type d’éolienne fixes à une bande côtière relativement étroite. En méditerranée, par exemple, cette bande correspond également à une zone de fort trafic maritime.
Or il est aujourd'hui prévu de s'éloigner du rivage en concevant des éoliennes flottantes. L'impact visuel quasi-nul de ces éoliennes permet notamment d’installer des machines plus puissantes et des parcs plus importants, évitant le mitage et la dispersion des machines. Aux raisons qui viennent d'être évoquées s'ajoutent des raisons économiques. La ressource en vent est en effet généralement maximale en des sites éloignés du rivage. Un optimum est à rechercher systématiquement entre le gain dû à l'accroissement de cette ressource en de tels sites et les surcoûts évidents qu'entraîne l'éloignement du rivage : augmentation de la longueur des câbles électriques et augmentation des coûts de transport et de maintenance. Certains avancent enfin que la fabrication d'une éolienne flottante serait moins coûteuse (à cause des fondations posées au sol) que celle d'une éolienne posée mais cela demande encore des études.
De nouveaux défis techniques se manifestent en effet pour de telles éoliennes. Pour de grandes profondeurs d'eau, la littérature actuelle préconise l’utilisation de structures de maintien qui comportent au moins un flotteur et sont généralement fixées au fond marin par une ou plusieurs lignes d'amarrage. Elles peuvent être stabilisées, le cas échéant par des lests immergés logés dans les fonds de la structure. Contrairement aux éoliennes à ancrage rigide, elles peuvent se déplacer par rapport au fond marin, et sont sensibles, notamment, aux forces horizontales du vent sur l'aérogénérateur (ensemble comprenant au moins les turbines et machines électriques), aux forces horizontales du courant sur la structure de maintien, aux forces alternatives horizontales et verticales des vagues, des courants, aux forces de rappel des lignes d’amarrage (horizontales et verticales), à la poussée d’Archimède sur les flotteurs, aux forces de la pesanteur sur tous les éléments. Le type d’amarrage utilisé représente une part significative de l’investissement total d’une éolienne marine et par ailleurs assure sa fiabilité.
Dans le domaine des éoliennes, y compris en milieu aquatique, il est connu deux types de machine pouvant être mise en place : les éoliennes à axe horizontal et flux axial, qui ressemblent à des hélices d’avion, et les éoliennes à axe vertical à flux transverse.
Dans le type à axe vertical, pour améliorer les écoulements de l’air, le brevet FR 3 048 740 décrit une éolienne formée d’une turbomachine composée de deux turbines verticales contrarotatives de maître couple rectangulaire, soutenues par des éléments transversaux supérieurs et inférieurs, lesquels sont maintenus par un mât médian unique. Les interactions de telles turbines à pales droites, lorsqu'elles sont suffisamment rapprochées, accroissent en effet leur rendement individuel. De plus il a été montré qu'avec de telles turbines jumelles, les parcs d'éoliennes peuvent être densifiés par suite de sillages aérauliques plus resserrés. Cette turbomachine est montée sur un pivot relativement au mât et pivote librement autour de l’axe vertical du mât. Cet axe est situé en amont du centre de poussée aérodynamique de manière que l’ensemble s'oriente naturellement face au vent.
De plus, l'éolienne comprend des appendices aérodynamiques tels que des carénages spécifiques. Bien que permettant de diminuer des traînées parasites, ces éléments additionnels alourdissent la structure de l'éolienne et/ou augmentent les coûts de fabrication et/ou d'installation.
En outre, chaque turbine comprend une génératrice électrique entraînée directement par les pales de la turbine et logée dans le carénage inférieur de la turbine. Ces deux génératrices sont asservies entre elles par un système électronique de contrôle-commande, à base d'électronique de puissance associée à chaque génératrice, afin de maintenir un phasage électrique constant entre les génératrices.
D'après les statistiques d'exploitation des turbines off-shores actuelles, il semblerait que les pannes électriques soient largement plus fréquentes que les pannes de nature mécaniques. On peut de plus noter que les questions de fiabilité (et ainsi les surcoûts d'opérations induits affectant directement le coût final de l'énergie) constituent aujourd'hui un point faible majeur des éoliennes off-shore par rapport à leurs homologues terrestres. Il est donc utile aujourd'hui d'améliorer cet aspect des choses, en particulier si l'on veut obtenir un jour une baisse drastique des coûts de l'énergie éolienne off-shore.
Dans le document FR 3 048 740, l'éolienne comprend deux génératrices spécifiques, dites « direct drive », qui sont reliées chacune directement avec la turbine et sont conçues pour être utilisées à la vitesse de rotation de la turbine. Ces génératrices sont d'un coût assez élevé. D'autres systèmes utilisent des génératrices plus classiques et plus économiques, mais qui nécessitent d'être entraînées par l'intermédiaire d'un multiplicateur mécanique car elles ne sont pas adaptées à la faible vitesse de rotation d'une turbine aéraulique.
Il est connu aussi, du document EP 0 064 440, un aérogénérateur à axe vertical à double rotor à axes parallèles verticaux. Les rotors entraînent une courroie qui est montée croisée de façon que les deux rotors tournant en sens inverse additionnent leur force dans un même sens de rotation, sur un axe récepteur qui est confondu avec l'axe de l'alternateur et avec l'axe de rotation de l'aérogénérateur. L'axe de l'alternateur se situe en outre exactement au milieu des axes de ces deux rotors.
Un but de l'invention est à la fois de réduire les coûts de fabrication et/ou d'installation d'éolienne et d'améliorer la fiabilité des éoliennes composées de deux turbines jumelées. Un autre but de l'invention est de faciliter la maintenance des éoliennes. Elle a encore pour but de proposer une éolienne plus stable et plus performante.
Exposé de l'invention
Selon l'invention, on atteint au moins l'un des buts précités avec une éolienne flottante comprenant une plateforme flottante et une turbomachine reposant sur la plateforme, la turbomachine comprenant au moins :
des première et deuxième turbines à axe vertical et flux transverse disposées de façon symétrique par rapport à un premier plan de symétrie vertical, chaque turbine comprenant des pales mues par le vent,
une structure de maintien des turbines, laquelle comprend au moins :
• un pylône médian vertical, dont l'axe longitudinal est compris dans le premier plan de symétrie, monté rotatif selon un axe de pivotement de pylône par rapport à la plateforme flottante,
• des membres de liaison haut et bas, qui maintiennent rigidement les turbines par leur axe de rotation et les tiennent à distance du pylône, les axes de rotation des première et deuxième turbines étant contenus dans un deuxième plan.
Selon l'invention l'éolienne comprend :
une génératrice, dans une position fixe par rapport à la turbomachine et qui est entraînée par un arbre de rotation, dont l'axe de rotation est parallèle aux axes de rotation des turbines et est distinct de l'axe de pivotement du pylône et des axes de rotation des turbines, et
- au moins un lien souple de transmission reliant et synchronisant en rotation l’arbre de rotation de la génératrice avec les arbres de rotation des turbines par défilement linéaire dudit lien souple en un trajet en circuit fermé, de façon à ce que le mouvement des deux turbines entraîne une même génératrice par son arbre de rotation.
Le lien souple permet d'utiliser une unique génératrice. Ceci a pour avantages de simplifier, alléger et de fiabiliser tout le système, et de baisser le coût de fabrication des éoliennes par rapport à celles munies de systèmes multiplicateur mécaniques (machines « Direct-Drive »). Il permet en outre de transmettre simultanément la puissance des deux turbines à la génératrice ; tout en respectant le phasage entre les deux turbines.
Enfin, le décalage de l'axe de rotation de la génératrice par rapport à l'axe longitudinal du pylône permet de déplacer le centre de gravité de la turbomachine en dehors de l'axe de symétrie longitudinal de l'éolienne. Ceci a pour effet de créer, du fait de la pesanteur, un moment gravitaire dit « moment piqueur » permettant de compenser la propension au cabrage de l'éolienne lorsque le vent souffle sur celle-ci, et donc de la stabiliser.
Ainsi par effet de synergie, l'invention propose une éolienne flottante permettant à la fois de réduire les coûts de fabrication, d'installation et/ou maintenance d'éolienne, d'améliorer la fiabilité des éoliennes composées de deux turbines jumelées et d'améliorer la stabilité des éoliennes flottantes. En outre, en améliorant la stabilité (en particulier en diminuant le tangage), l'éolienne flottante peut alors accepter des vents plus forts et donc produire plus d’énergie par rapport aux éoliennes flottantes de l'art antérieur. La solution proposée permet d'obtenir une éolienne dont les turbines commencent à tourner dès que le vent souffle à une vitesse de 3 m/s (mètres par seconde) et continuent à tourner jusqu'à une vitesse de vent de 24 m/s (mètres par seconde), le deuxième plan contenant les axes de rotation des première et deuxième turbines étant face au vent ; la puissance nominale de l'éolienne étant obtenue lorsque le vent atteint 12 m/s (mètres par seconde).
On entend par turbines à flux transverse, des turbines agencées et configurées pour recevoir un flux d'air dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation des turbines. Ici, les turbines utilisées présentent respectivement un axe de rotation sensiblement vertical.
Typiquement, chaque turbine comprend plusieurs pales rigides, réparties autour de son axe vertical et qui s'étendent entre le membre de liaison haut et le membre de liaison bas. Chaque pale présente par exemple une partie verticale éloignée de l'axe et reliée rigidement au centre de rotation par son extrémité.
Selon un mode de réalisation, chaque turbine comprend au moins deux pales. Les pales s'étendent selon une direction verticale. Chaque pale se prolonge à chacune de ses deux extrémités par un bras. Les pales s'étendent principalement dans une direction longitudinale et les bras s'étendent principalement dans une direction transversale. Les pales décrivent en rotation des cylindres. Les bras sont reliés à des éléments d'arbre par des liaisons pivotantes formant axe de rotation de pale. Selon un premier exemple, chaque turbine comprend deux pales. Selon un deuxième exemple, chaque turbine comprend trois pales.
Les membres de liaison hauts et bas sont agencés et configurés pour que l'axe longitudinal du pylône est compris dans le deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines. Ceci a pour avantages d'obtenir une structure simple, robuste, compacte et économe en matière première, et d'obtenir une structure rigide ce qui permet d'augmenter le seuil des fréquences propres vibratoires et ainsi augmenter l'éloignement avec la fréquence maximale des pales.
Chaque membre de liaison tient une extrémité d'un axe de rotation d'une turbine. Les membres de liaison hauts et bas s'étendent de part et d'autre du pylône. Les membres de liaison bas tiennent les extrémités inférieures des axes de rotation des première et deuxième turbines. Les membres de liaison hauts tiennent les extrémités supérieures des axes de rotation des première et deuxième turbines.
Par exemple, un membre de liaison peut être une nervure ou un longeron. Il s'étend sensiblement de manière transversale et/ou horizontale.
Les membres de liaison permettent de maintenir chaque turbine par une liaison pivot. Ils permettent d'éliminer la nécessité d'un arbre central d'entrainement. Ils permettent de placer les pales droites des turbines suffisamment rapprochées l'une de l'autre de manière à accroître le rendement de chacune des turbines.
Selon n'importe quel mode de réalisation, l'axe de pivotement du pylône est confondu avec l'axe longitudinal du pylône. L'axe longitudinal du pylône est confondu avec l'axe de symétrie longitudinal voire central de la plateforme flottante. Ceci permet d'économiser de la matière, ainsi que simplicité, compacité et robustesse. Par exemple, et possiblement selon tous ces différents modes de réalisation, l'axe de pivotement du pylône s'étend dans la direction verticale passant par le centre de gravité de la plateforme flottante.
De préférence, l'axe de rotation de la génératrice est disposé en-dehors du deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines.
Selon un mode de réalisation préféré, l'axe de rotation de la génératrice est disposé dans le premier plan de symétrie, le premier plan de symétrie étant perpendiculaire au deuxième plan. L'axe longitudinal du pylône est en outre disposé dans le deuxième plan. La génératrice est disposée ou s'étend en-dehors du deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines.
La position de la génératrice, par rapport aux autres éléments de la turbomachine contenus dans le deuxième plan, sur la plateforme flottante est telle que le centre de gravité de la turbomachine est décalé et en-dehors du deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines et en-dehors de la direction verticale passant par le centre de gravité de la plateforme.
Ceci a pour avantage de créer, du fait de la pesanteur, un moment gravitaire dit « moment piqueur » permettant de compenser la propension au cabrage de l'éolienne lorsque le vent souffle sur celle-ci, et donc de la stabiliser.
Selon un mode de réalisation préféré, l'éolienne comprend une seule et unique génératrice.
On entend par « éléments de la turbomachine » au moins les turbines, ou l'ensemble turbines, génératrices, équipement électriques divers et structure de maintien, voire incluant le pylône lui-même.
Selon un autre mode de réalisation, l'éolienne comprend une turbomachine dont la constitution, considérée sans la génératrice, présente un centre de gravité situé sur l’axe de pivotement du pylône. L'éolienne comprend en outre une unique génératrice fixée sur ladite turbomachine du côté prévu pour recevoir le vent, à une distance suffisamment importante dudit axe de pivotement pour créer un moment piqueur apte à incliner l'éolienne dans ladite direction en l’absence de vent. De préférence, l'éolienne comprend au moins une roue folle dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe de rotation de la génératrice et aux axes de rotation des turbines. Ladite roue folle forme pour le lien souple un renvoi qui est disposé sur le trajet du lien souple de façon que les arbres de rotation des turbines présentent en fonctionnement des sens de rotation contraires. La roue folle est par exemple une poulie. Dans ce mode de réalisation, l'éolienne comprend un seul lien souple. Ce mode de réalisation a pour avantages de simplifier, alléger et de fiabiliser tout le système.
Selon un mode de réalisation alternatif au précédent, l'éolienne comprend au moins deux liens souples distincts, chaque lien reliant l’arbre de rotation de la génératrice avec un arbre de rotation d'une seule turbine. Lesdits liens sont montés de façon différente l’un de l’autre de façon à ce que l’un des deux forme par son trajet une inversion du sens de rotation, permettant aux deux turbines tournant en sens inverse d’entraîner la génératrice dans un même sens de rotation. Par exemple, l’un des deux liens est monté selon un trajet croisé. L'un des liens souples doit croiser ses brins entre l’arbre de rotation de la génératrice et l'arbre de rotation d'une turbine.
Par exemple, le ou les liens souples sont réalisés à partir de courroie crantée, câble, ou de chaîne.
De préférence selon n'importe quelle mode de réalisation, le ou les liens souples est (sont) disposé(s) sous les membres de liaison bas de la structure de maintien. Les membres de liaison bas s'étendent de part et d'autre du pylône dans un troisième plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du pylône. Le troisième plan est horizontal et/ou parallèle au plan d'eau. La génératrice est disposée à la hauteur ou en dessous d'au moins un lien souple ou de tous les liens souples. De préférence, la génératrice se situe au niveau ou près des membres de liaison bas.
De manière optionnelle, l'éolienne comprend :
- un dispositif de détection ou de prise en compte de la direction et du sens du vent et - un dispositif d'asservissement en commande active en lacet du pylône ou de la turbomachine, agissant sur l'arbre de pivotement ou de la turbomachine, ledit dispositif d'asservissement étant agencé et configuré pour qu'en cas d'activation, il mette en mouvement la turbomachine de façon à placer l'axe de rotation de la génératrice en amont du vent par rapport à l'axe de de pivotement.
De préférence, le dispositif d'asservissement en lacet est agencé et configuré pour, en cas d'activation, mettre en mouvement le pylône de façon à placer le deuxième plan contenant les axes de rotation des première et deuxième turbines sensiblement perpendiculairement à la direction du vent et disposer le deuxième plan face au vent.
Ce mode de réalisation a pour avantage de disposer les turbines face au vent et ainsi stabiliser l'éolienne.
De préférence, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est placé à l'extrémité inférieure de l'axe de pivotement du pylône. Il est placé par exemple sous les turbines et/ou près de la plateforme flottante. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'asservissement en lacet comprend une portion cylindrique correspondant à une portion mâle d'une liaison pivot, ladite portion étant agencée et configurée pour pénétrer dans une ouverture cylindrique prévue dans le pied du pylône, l'ouverture cylindrique correspondant à la partie femelle de ladite liaison pivot dans le pied du pylône. Ce positionnement a pour avantage d'être facilement accessible, car au niveau de la plateforme, et de permettre un refroidissement et une stabilisation thermique naturelle du fait de la proximité avec l'eau.
De préférence, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est agencé et configuré pour que, en cas d'inactivation, le pylône soit libre en rotation.
De manière préférentielle, le dispositif d'asservissement en commande active en lacet est agencé et configuré pour placer le deuxième plan contenant les axes de rotation des turbines, et/ou le centre de poussée aérodynamique de la turbomachine, sensiblement perpendiculairement à la direction du vent.
Pour ce qui précède et pour la suite de la description, on entend par : - « centre de poussée aérodynamique » le point d'application de la résultante des efforts appliqués par le vent sur la turbomachine ;
- « centre de gravité » le point d’application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur ;
- « centre de flottabilité » le point d’application de la résultante des forces de la poussée d'Archimède, et correspond aussi au centre géométrique du volume immergé (volume du fluide déplacé) ; en équilibre statique, le centre de flottabilité et le centre de gravité d'un objet flottant se situent dans la même direction verticale. Le centre de gravité de la turbomachine est tel que, lorsque l'éolienne est disposée sur un sol horizontal, la direction verticale passant par le centre de gravité de la turbomachine est décalé de l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante. Il est considéré que le centre de gravité de la plateforme flottante est situé sur l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante. Lorsque l'éolienne flottante est à poste, si l’on considère que la partie "avant" de l’éolienne flottante est celle qui fait face au vent, cet agencement créé un moment, dit moment « piqueur », s'exerçant sur l'éolienne.
Lorsque les forces appliquées sur l'éolienne sont la poussée d'Archimède et la gravité (pas de vent), l'éolienne a tendance à être inclinée du fait dudit décalage ; l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante forme un angle non nul, dit « angle piqueur », par rapport à la direction verticale (qui passe constamment par le centre de flottabilité). Lorsque les forces appliquées sur l'éolienne sont la poussée d'Archimède, la gravité et l'action du vent, l'action du vent créé un moment, dit moment « cabreur » qui compense ledit moment piqueur. L'éolienne a tendance à se redresser vers ou dans une position sensiblement verticale du fait de l'action du vent sur les turbines ; l'axe de symétrie longitudinal de la plateforme flottante forme un angle, dit « angle redresseur », inférieur à l'angle piqueur ou un angle nul par rapport à la direction verticale. Ce moment piqueur par construction vient ainsi s'opposer aux effets des vents, et permet donc à la machine de supporter des forces de vents plus importantes que si elle était équilibrée pour être verticale par vent nul.
On notera que cette configuration de la turbine, décalée vers l'amont par rapport à l'axe de pivotement du pylône, est particulièrement favorable pour l'obtention d'un tel centre de gravité décalé, tout en conservant une architecture centrée et symétrique pour le flotteur, et donc simple et compacte et économique, par exemple en disposant simplement l'axe de pivotement de pylône au centre du flotteur.
Description des figures et des modes de réalisation
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1, 2a, 2b et 2c montrent un mode de réalisation d'une éolienne flottante selon l'invention dans l'axe longitudinal du pylône est compris dans le plan géométrique contenant les axes de rotation des deux turbines, et dans lequel l'axe de pivotement du pylône est confondu avec l'axe longitudinal dudit pylône ;
o la figure 1 étant une vue en perspective de l'éolienne,
o la figure 2a étant un schéma, en vue de dessus, de la disposition des différents axes et plans conforme au mode de réalisation de la figure 1, et
o les figures 2b et 2c étant des vues latérales selon un plan géométrique perpendiculaire au plan géométrique contenant les axes de rotation des turbines ; la figure 2b représentant l'éolienne flottante dans un état incliné sur un plan d'eau en l'absence de vent et, la figure 2c représentant l'éolienne de la figure 2b dans un état sensiblement horizontal en présence de vent ;
- les figures 3a et 3b montrent une transmission par lien souple et sa disposition par rapport aux différents arbres de rotation selon un premier mode de réalisation dans lequel l'éolienne comprend une roue folle, o la figure 3a étant un zoom sur les membres de liaison bas vus en perspective et montrant un lien souple reliant les arbres de rotation des turbines, la roue folle et l'arbre de la génératrice en un trajet en circuit fermé,
o la figure 3b étant un schéma de la disposition relative de l'axe de rotation de la génératrice et de l'axe de rotation de la roue folle relativement aux axes de rotation des turbines et de l'axe de pivotement du pylône, l'éolienne étant vue de dessus selon un troisième plan, dit plan de transmission, et
- la figure 4 étant un schéma de la disposition relative de l'axe de rotation de la génératrice relativement aux axes de rotation des turbines et de l'axe de pivotement du pylône, selon un deuxième mode de réalisation dans lequel l'éolienne comprend deux liens souples.
Description d'un exemple de mode de réalisation
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Les figures 1, 2b et 2c illustrent une éolienne flottante 10 du type à axe vertical (dites VAWT abréviation de "vertical-axis wind turbine") et est agencée et configurée pour flotter sur un plan d'eau à grande profondeur (voir figures 2b et 2c), en particulier en mer loin du rivage. L'éolienne 10 comprend une plateforme flottante 14 assurant la flottabilité de l'ensemble du dispositif et servant de support. Des tirants ou des câbles (non représentés) sont utilisés pour maintenir en position l'éolienne sur le plan d'eau et éviter qu'elle dérive. Pour la suite de la description, la figure 1 montre une éolienne hors d'eau.
L'éolienne flottante 10 comprend une turbomachine reposant sur la plateforme 14. En référence aux figures 1, 2b et 2c, la turbomachine, appelée aussi aérogénérateur, comprend un pylône vertical 20 fixé à la plateforme flottante 14. Le pylône 20 est monté rotatif selon un axe de pivotement M de pylône (voir figures 2b et 2c) par rapport à la plateforme flottante 14. Son axe de pivotement est confondu avec son axe longitudinal. Le pylône 20 est destiné à supporter des turbines.
En référence aux figures 1 et 2a, l'éolienne flottante 10 comprend deux turbines 30 à axe vertical juxtaposées et contrarotatives à flux transverse. En référence à figure 2a, les deux turbines 30 présentent des axes de rotation verticaux A et A' parallèles entre eux. Lesdits axes de rotation sont disposés de façon symétrique par rapport à un premier plan géométrique de symétrie PI. Lesdits axes de rotation A et A' sont parallèles à l'axe longitudinal L du pylône. Selon tous les modes de réalisation, l'axe longitudinal L du pylône s'étend dans le plan de symétrie PI de sorte que l'axe longitudinal du pylône se situe entre les turbines 30. En outre, il est défini un plan géométrique P2 contenant les deux axes de rotation A et A' des turbines, voir figure 2a. En outre, l'axe de pivotement M du pylône se situe ou est installé dans le deuxième plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines 30.
Dans cet exemple, chaque turbine 30 comprend deux pales 32 s'étendant verticalement et qui, en fonctionnement, sont soumises à l'action du vent afin de mettre en rotation la turbine. Les pales 32 s'étendent parallèlement à l'axe de rotation de la turbine A ou A' et sont disposées de manière diamétralement opposées par rapport auxdits axes de rotation A ou A'.
En référence à la figure 1, chaque pale 32 se prolonge à chacune de ses deux extrémités, une extrémité haute et une extrémité basse, par un bras. A l'extrémité haute, chaque pale 32 se prolonge par un bras supérieur 33. A l'extrémité basse, chaque pale 32 se prolonge par un bras inférieur 31. Les bras supérieur 33 et inférieur 31 sont raccordés respectivement à la pale 32 par un coude arrondi. Les pales de chaque turbine décrivent un cylindre dans leur rotation, voir figure 2a. Les bras sont reliés à des éléments d'arbre par des liaisons pivotantes formant axe de rotation de pale, non représentés. Par exemple, tous les bras inférieurs ou tous les bras supérieurs d'une même turbine sont reliés à un moyeu qui est lui-même rotatif relativement autour d'un élément d'arbre formant axe de rotation de pale, l'élément d'arbre étant fixé rigidement à un membre de liaison, voir ci-après. En référence à la figure 3a, chaque turbine 30 comprend un moyeu inférieur 34. Les moyeux sont rotatifs autour d'éléments d'arbres de hauteur réduite d'axe A ou A'. Chaque bras inférieur 31 est fixé à un moyeu inférieur 34.
En référence aux figures 1, 2b et 2c, l'éolienne flottante 10 comprend des membres de liaison, des membres de liaison hauts 43 et des membres de liaison bas 41, reliés fixement au pylône 20 et, portant et tenant à distance les arbres de rotation des turbines. Pour chaque turbine, il est nécessaire d'un membre de liaison haut 43 et d'un membre de liaison bas 41 pour porter celle-ci. Les membres de liaison hauts 43 s'étendent à partir du sommet du pylône ; les membres de liaison bas 41 s'étendent à partir du pylône au voisinage de la plateforme flottante 14. Selon un mode de réalisation non représenté, les membres de liaison bas 41 s'étendent au voisinage de la ligne de flottaison, à distance des vagues. Ainsi les membres de liaison hauts 43 et bas 41 maintiennent chaque turbine par une liaison pivot, éliminant la nécessité d'un arbre central d'entrainement.
L'éolienne comprend une unique génératrice 70 afin de transformer l'énergie mécanique de rotation des turbines en énergie électrique, voir figures 2b et 2c.
L'éolienne comprend en outre au moins un lien souple agencé et configuré pour relier et synchroniser en rotation l'arbre de rotation de la génératrice et les arbres de rotation des turbines de façon à les entraîner en rotation. La génératrice, dont sa disposition, et l'agencement de l'au moins un lien souple sera décrit plus en détail ci-dessous.
De manière optionnelle, l'éolienne flottante 10 comprend un dispositif de détection de la direction du vent (non représenté) et un dispositif d'asservissement en commande en lacet 50 de l'axe de pivotement M du pylône. En référence aux figures 2b et 2c, le dispositif d'asservissement 50 est disposé près de l'arbre de pivotement du pylône afin d'agir sur celui-ci. Il est en outre disposé près de la plateforme flottante 14 afin de faciliter l'installation et la maintenance éventuelle. Le dispositif d'asservissement en commande active en lacet 50 est agencé et configuré pour, qu'en cas d'activation dudit dispositif, mettre en mouvement le pylône 20 de façon à placer le deuxième plan P2, contenant les axes de rotation A et A' des turbines 30, sensiblement perpendiculairement à la direction du vent. La direction du vent est supposée être sensiblement horizontale ou parallèle au plan d'eau sur lequel se trouve l'éolienne flottante. En cas d'inactivation du dispositif d'asservissement, le pylône est laissé libre en rotation.
En référence aux figures 2a, 2b et 2c, l'éolienne flottante est agencé et configuré pour disposer l'axe de rotation G de la génératrice en amont du deuxième plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines relativement au sens du vent. L'axe de rotation G de la génératrice est disposé dans le plan de symétrie PI. Les membres de liaison bas 41 sont agencés et configurés pour placer la génératrice dans la position permettant d'obtenir un décalage de l'axe de rotation G de la génératrice par rapport au plan P2 contenant les axes de rotation A et A' des turbines, de sorte que ledit axe de rotation de la génératrice est en-dehors du plan P2, comme en figure 2a. En référence aux figures 2a et 2c, le décalage est représenté par la distance ou l'écartement « X ». En référence à la figure 1, les membres de liaison hauts 43 et bas 41 s'étendent de part et d'autres du pylône 20.
Ce décalage a pour effet que le centre de gravité CT de la turbomachine se situe en dehors de l'axe longitudinal L du pylône qui est lui-même placé dans l'axe de symétrie de la plateforme flottante 14. On entend par le centre de gravité de la turbomachine, l'ensemble comprenant les turbines, l'unique génératrice avec les équipements électriques (non représentés). Le centre de gravité CT de la turbomachine se situe sensiblement en dehors du plan P2.
Or le centre de gravité de la plateforme flottante se situe dans le prolongement de l'axe longitudinal L du pylône, de sorte que le centre de gravité, représenté par le point CT, de l'ensemble turbomachine est décalé et en dehors de la direction verticale passant par le centre de gravité de la plateforme flottante 14. En l'absence de vent, il en résulte qu'il existe un moment gravitaire, dit moment « piqueur », qui provoque, lorsque l'éolienne flottante 10 est placée sur un plan d'eau W comme sur la figure 2b, l'inclinaison de l'éolienne. L'éolienne 10 se maintient en équilibre dans cette position inclinée du fait d'une part de l'effet de pesanteur s'appliquant à la fois sur la turbomachine et la plateforme flottante, et d'autre part de la poussée d'Archimède. Pour simplifier la lecture de la figure 2b, on considère que le centre de gravité de l'ensemble de l'éolienne se situe au point CT. L'éolienne se maintient donc en position du fait des forces opposées : d'une part le poids P s'appliquant au centre de gravité CT de l'éolienne, et d'autre part la poussée d'Archimède B s'appliquant au centre de flottabilité, représenté par le point CP sur la figure 2b. Par exemple, la plateforme flottante est au moins dix fois plus lourde que la turbomachine.
En référence aux figures 2a et 2c, le sens du vent est représenté par les flèches V orientées de la gauche vers la droite. Lorsque le vent souffle, le dispositif de détection de la direction et du sens du vent (non représenté) permet de renseigner le dispositif d'asservissement de commande active en lacet afin d'agir sur l'arbre de pivotement du pylône pour placer le plan P2 contenant les axes de rotation A et A' en amont de l'axe de pivotement M du pylône relativement au sens du vent, voir figures 2a et 2c.
En référence à la figure 2a, il est illustré le pivotement de la turbomachine autour de l'axe de pivotement M du pylône, depuis une première position dans un plan P2a (correspondant au plan P2 avant réglage et représenté schématiquement en pointillés) jusqu'à une deuxième position dans laquelle le plan P2 (représenté schématiquement en trait plein) est sensiblement perpendiculaire à la direction du vent, ou lors d’un changement de direction du vent. De la même façon, le premier plan se déplace d’une première position Pla vers une deuxième position PI, et l’axe de la génératrice 70 se déplace depuis une première position Ga vers une deuxième position G.
La figure 2c représente les forces s'exerçant sur l'éolienne flottante lorsque le vent souffle et en fonction de la direction et du sens du vent. En considérant le point d'appui du pylône sur la plateforme flottante (point O) indiqué sur la figure 2c, le centre de gravité CT de la turbomachine est situé en amont du pylône relativement au sens du vent, c'est-à-dire à gauche du pylône sur la figure 2c. Lorsque le vent souffle sur l'éolienne, une nouvelle action mécanique s'exerce sur l'éolienne due à la traînée. La résultante des forces du vent (représentée par la flèche Ft) s'applique au point T ou « centre de poussée aérodynamique » de la turbomachine. Le point T se situe sensiblement sur l'axe longitudinal L du pylône 20. Cette action entraîne un moment aérodynamique de tangage induit par la traînée, dit moment « cabreur ». Le moment « piqueur » existant par construction (en raison du poids de la génératrice) permet de compenser en tout ou partie le moment aérodynamique de tangage induit par la traînée des rotors en présence de vent, dit moment « cabreur », de sorte qu'en fonctionnement l'éolienne flottante 10 est sensiblement horizontale sur le plan d'eau, ou est moins cabrée que si l’éolienne était verticale par vent nul.
En tout état de cause, le moment de tangage transmis à la plateforme flottante par l'ensemble turbomachine se trouve ainsi en partie compensé. En outre un gain non négligeable sur les dimensions du flotteur est obtenu, ou une capacité à exploiter des vents plus forts. Ce point est important sachant le coût et la consommation de matières premières liée à la fabrication du flotteur (le coût du flotteur est estimé entre 15 et 20% du coût total d'une installation éolienne offshore flottante). Cet agencement permet en outre à l'éolienne d'accepter des vitesses de vent plus importantes que les éoliennes de l'art antérieur.
Le dispositif d'asservissement en commande active en lacet, placé au voisinage du point O, permet de faire pivoter l'ensemble turbomachine/aérogénérateur permettant d'une part de le placer face au vent et d'autre part d'équilibrer l'ensemble de l'éolienne lorsque le vent souffle, voir figures 2a et 2c.
Il va maintenant être décrit l'agencement de l'au moins un lien souple.
En référence aux figures 2a, 3a, 3b et 4, l'éolienne flottante comprend une unique génératrice 70, dont l'axe de rotation G est parallèle aux axes de rotations A et A' des turbines. L'axe de rotation G est en outre disposé dans le plan de symétrie PI et est disposé sous les membres de liaison bas 41. En référence aux figures 3a, 3b et 4, l'au moins un lien souple relie en un trajet en circuit fermé les axes de rotation des turbines et l'axe de rotation de la génératrice. L'au moins un lien souple s'étend en fonctionnement selon un troisième plan P3, dit plan de transmission, qui se situe juste au-dessus des membres de liaison bas 41. L'au moins un lien souple, par exemple du type chaîne ou courroie, coopère par adhérence à une portion cylindrique de chacun des arbres de manière à les synchroniser. De préférence, l'éolienne comprend des poulies 64 de turbine, chaque poulie étant disposée de manière coaxiale et superposée relativement à un moyeu 34 de sorte que chaque couple moyeu 34 et poulie 64 est lié fixement en rotation. De plus l'éolienne comprend une poulie 62 de génératrice liée fixement en rotation avec un arbre de rotation 63 de la génératrice. Les poulies 64 de turbine et la poulie 62 de génératrice présentent des surfaces périphériques agencées et configurées pour recevoir en adhérence l'au moins un lien souple.
Selon un premier mode de réalisation et en référence aux figures 3a et 3b, l'éolienne comprend un seul lien souple 60 et une roue folle 69 dont l'axe de rotation F est parallèle à l'axe de rotation G de la génératrice et aux axes de rotation A et A' des turbines. La roue folle 69 présente également une surface périphérique permettant de recevoir par adhérence le lien souple 60. La roue folle 69 est disposée le long du trajet du lien souple 60 de façon que les poulies 64 des turbines présentent en fonctionnement des sens de rotation contraires. La roue folle permet l'utilisation d'un lien souple unique pour l'entrainement de l'ensemble malgré la contrainte de contra- rotativité des rotors des turbines.
Selon un deuxième mode de réalisation et en référence à la figure 4, décrit par ses différences avec le premier mode de réalisation, l'éolienne comprend deux liens souples 60a et 60b, qui sont superposés au niveau de la poulie d'entrainement 62 de la génératrice. Dans ce cas l'un des deux doit être croisé, ici le lien 60b, pour assurer la contre-rotation des deux turbines. Cette configuration a l'avantage de supprimer la roue folle supplémentaire que l'on est obligé d'utiliser si l'on opte pour la solution à lien unique.

Claims

Revendications
1. Eolienne flottante (10) comprenant une plateforme flottante (14) et une turbomachine reposant sur la plateforme (14), la turbomachine comprenant :
des première et deuxième turbines (30) à axe vertical et flux transverse, disposées de façon symétrique par rapport à un premier plan de symétrie vertical (PI), chaque turbine (30) comprenant des pales (32) mues par le vent ;
une structure de maintien (40) des turbines (30), laquelle comprend au moins :
• un pylône médian vertical (20), dont l'axe longitudinal (L) est compris dans le premier plan de symétrie (PI), monté rotatif selon un axe de pivotement (M) de pylône par rapport à la plateforme flottante (14),
• des membres de liaison haut (43) et bas (41), qui maintiennent rigidement les turbines par leur axe de rotation et les tiennent à distance du pylône, les axes de rotation (A, A') des première et deuxième turbines (30) étant contenus dans un deuxième plan (P2),
caractérisée en ce qu'elle comprend
une génératrice, dans une position fixe par rapport à la turbomachine et qui est entraînée par un arbre de rotation (63), dont l'axe de rotation (G, Ga) est parallèle aux axes de rotation (A, A') des turbines et est distinct de l'axe de pivotement (M) du pylône et des axes de rotation (A, A') des turbines, et
au moins un lien souple (60) de transmission reliant et synchronisant en rotation l’arbre de rotation de la génératrice avec les arbres de rotation des turbines par défilement linéaire dudit lien souple en un trajet en circuit fermé, de façon à ce que le mouvement des deux turbines (30) entraîne une même génératrice par son arbre de rotation.
2. Eolienne (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe de rotation de la génératrice (G) est disposé en-dehors du deuxième plan (P2) contenant les axes de rotation des turbines.
3. Eolienne (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'axe longitudinal (L) du pylône (20) est disposé dans le deuxième plan (P2), et en ce que l'axe de rotation (G) de la génératrice est disposé dans le premier plan (PI), le premier plan (PI) étant perpendiculaire au deuxième plan (P2).
4. Eolienne (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une roue folle (69) dont l'axe (F) est parallèle à l'axe de rotation (G) de la génératrice et aux axes de rotation (A, A') des turbines, et en ce que ladite roue folle (69) forme pour le lien souple
(60) un renvoi qui est disposé sur le trajet du lien souple de façon que les arbres de rotation des turbines présentent en fonctionnement des sens de rotation contraires. 5. Eolienne (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux liens souples (60) distincts, chaque lien (60) reliant l’arbre de rotation (63) de la génératrice avec un arbre de rotation d'une seule turbine. 6. Eolienne (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou les liens souples (60) sont réalisés à partir de courroie crantée, câble, ou de chaîne.
7. Eolienne (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le lien souple est disposé sous les membres de liaison bas (41), les membres de liaison bas (41) s'étendant de part et d'autre du pylône dans un troisième plan (P3) perpendiculaire à l'axe longitudinal (L) du pylône, ladite génératrice étant disposée à la hauteur ou en dessous d’au moins un lien souple ou de tous les liens souples.
8. Eolienne (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbomachine dont la constitution présente un centre de gravité situé sur l’axe de pivotement (M) du pylône,
et en ce qu’une unique génératrice est fixée sur ladite turbomachine du côté prévu pour recevoir le vent, à une distance (X) suffisamment importante dudit axe de pivotement (M) pour créer un moment piqueur apte à incliner l'éolienne dans ladite direction en l'absence de vent (V).
9. Eolienne (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un dispositif de détection ou de prise en compte de la direction et du sens du vent et
un dispositif d'asservissement en commande active en lacet (50) du pylône (20) ou de la turbomachine, agissant sur l'arbre de pivotement ou la turbomachine, ledit dispositif d'asservissement étant agencé et configuré pour qu'en cas d'activation il mette en mouvement la turbomachine de façon à placer l'axe de rotation (G) de la génératrice en amont du vent par rapport à l'axe de de pivotement.
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