AERODYNAMIQUE

Domaine de 1 ' invention

La présente invention concerne une éolienne flottante, notamment pour une utilisation au large des côtes.

Exposé de l'art antérieur

La plupart des éoliennes installées sur la terre ferme comprennent des turbines à flux axial comportant généralement trois pales et dont l'axe de rotation est parallèle à la direction du vent incident qui atteint l' éolienne. Les pales sont maintenues par une nacelle à l'extrémité supérieure d'un mât. Les autres éoliennes terrestres comprennent des turbines à flux transverse dont l'axe de rotation est perpendiculaire à la direction du vent, et agencé horizontalement ou le plus souvent verticalement. Les pales de l'éolienne entraînent en rotation un arbre qui entraîne à son tour un générateur électrique (également appelé génératrice) .

Une tendance actuelle est à l'installation d'éoliennes au large des côtes car le vent y est plus intense et plus constant. De telles éoliennes sont appelées éoliennes en mer. Les éoliennes en mer actuellement en activité comprennent essentiellement des turbines à flux axial. L'extrémité inférieure du mât maintenant la turbine à flux axial est fixée au fond marin. Dans un sol souple, l'extrémité inférieure du mât peut être enfoncée dans le sol, tandis que dans un sol dur, l'extrémité inférieure du mât peut être pourvue d'une embase en béton, posée sur le fond marin. Des structures constituées d'un treillis de tubes soudés (appelées en anglais « jacket ») peuvent également être utilisées pour fixer la turbine axiale au fond marin. De telles éoliennes en mer ne peuvent donc être installées que sur des profondeurs d'eau peu importantes, de l'ordre de quelques dizaines de mètres. Toutefois, les sites à faible profondeur sont en nombre limité et ne sont pas toujours exploitables pour l'installation d'éoliennes. Il est donc souhaitable de concevoir des éoliennes en mer dont l'installation peut être réalisée en s 'éloignant davantage du rivage. L'éolienne comporte alors une structure de support immergée qui comporte au moins un flotteur qui est, par exemple, relié au fond marin par des lignes d'ancrage. De telles éoliennes sont appelées éoliennes flottantes .

De façon générale, il est nécessaire de prévoir une régulation du comportement aérodynamique de l'éolienne pour en assurer le bon fonctionnement. En effet, il faut maximiser la puissance collectée par l'éolienne pour les vitesses de vent faibles et modérées. Par ailleurs, il faut assurer la sûreté de l'installation pour les vitesses de vent élevées. Il est en particulier nécessaire de protéger l'éolienne par un système d'arrêt d'urgence lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse maximale admissible.

Dans ce but, il peut être prévu des commandes mécaniques qui modifient le comportement aérodynamique de la turbine. Lorsque la turbine comprend des pales reliées à un moyeu, il peut être prévu d'utiliser des pales dont l'angle de calage sur le moyeu peut être modifié en fonctionnement. L'angle de calage des pales est alors asservi afin d'assurer une variation de l'angle d'attaque des pales et donc de leur portance.

La réalisation d'une éolienne flottante à turbine à flux axial présente des inconvénients. En effet, l'accès à la nacelle qui contient généralement le générateur électrique est difficile. En outre, la masse de la nacelle et des pales peut entraîner l'apparition d'un moment important de basculement de 1 'éolienne qui doit être compensé. De plus, lorsque la régulation du comportement aérodynamique de l' éolienne est réalisée en utilisant des pales à calage variable, la structure de l' éolienne est complexe.

Des exemples d'éoliennes flottantes à turbines à flux transverse ont été décrits. Elles permettent notamment de loger le générateur électrique dans le flotteur, ce qui facilite la stabilisation de l' éolienne. A titre d'exemple, le document WO2009/036107 décrit une éolienne flottante composée d'une turbine à flux transverse et le document WO03089787 décrit une éolienne flottante composée de deux turbines à flux transverse superposées à axe vertical et contrarotatives .

Un inconvénient de l'utilisation de turbines à flux transverse est le rendement inférieur obtenu par rapport à des turbines à flux axial.

Un autre inconvénient tient aux pulsations du couple délivré par les pales tournantes. Enfin ces turbines ne peuvent pas démarrer automatiquement et peuvent rester immobilisées dans des positions stables.

Il peut être avantageux de permettre le fonctionnement de l' éolienne à une vitesse de rotation variable. Dans ce but, la commande de 1 'éolienne peut comporter une commande de la génératrice via l'électronique de puissance et une commande aérodynamique. Le type de commande aérodynamique le plus utilisé, notamment pour des d'éoliennes à flux axial de taille moyenne et de grande taille, est la commande de l'angle d'attaque de la pale via l'ajustement de l'angle de calage de la pale sur le moyeu. Toutefois, une régulation du comportement aérodynamique d'une turbine à flux transverse fondée sur des pales à calage variable n'est pas adaptée pour des éoliennes flottantes. En effet, les turbines à flux transverse d' éoliennes flottantes sont de grande taille et la réalisation de pales à calage variable est complexe pour de telles dimensions. En outre, les éoliennes flottantes étant éloignées du rivage, la structure des turbines doit rester simple pour limiter les interventions coûteuses.

Il serait donc souhaitable de proposer une éolienne flottante à turbines à flux transverse dépourvue des trois inconvénients mentionnés précédemment tout en concevant une régulation aérodynamique du fonctionnement de 1 'éolienne en fonction de la vitesse du vent incident sans requérir l'utilisation de pales à calage variable.

Résumé

Un objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des éoliennes flottantes à turbines à flux transverse mentionnés précédemment .

Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est que la régulation aérodynamique, en fonction de la vitesse du vent incident, du fonctionnement de l' éolienne à turbines à flux transverse est réalisée sans modifier la structure des turbines à flux transverse.

Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est que la régulation aérodynamique, en fonction de la vitesse v du vent, du fonctionnement de l' éolienne à turbines à flux transverse est robuste.

Un autre objet d'un exemple de réalisation de la présente invention est la compensation, via des moyens aérodynamiques prévus sur la turbomachine, des moments de tangage, de lacet et de roulis qui s'exercent sur le flotteur et qui croissent avec la vitesse du vent incident . Un mode de réalisation prévoit une éolienne flottante comprenant un flotteur et une turbomachine reposant sur le flotteur, la turbomachine comprenant des première et deuxième colonnes de turbines à flux transverse et une structure de maintien des turbines, la structure de maintien comprenant, pour chaque paire de turbines adjacentes comprenant une première turbine de la première colonne et une deuxième turbine de la deuxième colonne, un montant central vertical entre les turbines et des montants latéraux verticaux du côté des turbines de ladite paire opposé au montant central, le montant central se prolongeant vers l'amont, selon la direction d'écoulement du vent, par une pièce en saillie, appelée étrave, ladite étrave comprenant au moins deux volets verticaux mobiles, appelés volets d'étrave, l'un des volets d'étrave étant situé du côté de la première turbine et l'autre volet d'étrave étant situé du côté de la deuxième turbine.

Selon un mode de réalisation, les volets d'étrave associés aux paires de turbines adjacentes sont mobiles indépendamment les uns des autres.

Selon un mode de réalisation, chaque volet d'étrave est mobile en pivotement autour d'un axe vertical situé en amont de 1' étrave .

Selon un mode de réalisation, l' éolienne comprend, pour au moins l'un des volets d'étrave, un système de commande du braquage dudit volet d'étrave adapté à commander le braquage dudit volet d'étrave vers l'extérieur de l' étrave, lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse de fonctionnement nominale de la turbine associée audit volet d'étrave.

Selon un mode de réalisation, le système de commande du braquage dudit volet d'étrave est adapté à commander le braquage maximal dudit volet d'étrave vers l'extérieur jusqu'à une occultation d'au moins la moitié du maître-couple d'une turbine, lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse de coupure de l' éolienne.

Selon un mode de réalisation, l' éolienne comprend, pour chaque montant latéral, un volet vertical, appelé volet de montant, en aval du montant suivant la direction du vent, le volet de montant étant en pivotement mobile par rapport au montant, l'éolienne comprenant, pour au moins l'un des volet de montant, un système de commande du braquage dudit volet de montant adapté à commander le braquage dudit volet de montant vers l'extérieur de l'éolienne, lorsque la vitesse du vent est inférieure à la vitesse de fonctionnement nominale de la turbine associée audit volet de montant .

Selon un mode de réalisation, l'angle de braquage dudit volet de montant vers l'extérieur de l'éolienne est constant lorsque la vitesse du vent est inférieure à la vitesse de fonctionnement nominale de la turbine associée audit volet de montant .

Selon un mode de réalisation, l'éolienne est adaptée à pivoter par rapport au flotteur autour d'un axe de pivotement situé en amont du centre de poussée des montants verticaux par rapport à la direction du vent.

Selon un mode de réalisation, la structure de maintien comprend, pour chaque turbine, au moins un plateau horizontal fixé aux montants latéraux, la turbine étant reliée au plateau horizontal par une liaison pivotante, chaque montant latéral comprenant au moins une portion à laquelle est fixé le plateau, le volet de montant étant mobile par rapport à la portion.

Selon un mode de réalisation, l'éolienne comprend un système d'inversion du sens de rotation des turbines de la première colonne par rapport au sens de rotation des turbines de la deuxième colonne, les turbines de chaque paire de turbines adjacentes comprenant une turbine de la première colonne et une turbine de la deuxième colonne étant disposées de façon symétrique par rapport au montant central .

Selon un mode de réalisation, l'éolienne comprend, en outre, au moins un générateur électrique entraîné par les turbines et logé dans le flotteur.

Selon un mode de réalisation, chaque turbine comprend un arbre d'entraînement, les arbres d'entraînement des turbines de la première colonne étant reliés les uns aux autres et les arbres d'entraînement des turbines de la deuxième colonne étant reliés les uns aux autres, l'arbre d'entraînement de la turbine à la base de la première et/ou deuxième colonne de turbines étant relié au générateur électrique.

Selon un mode de réalisation, chaque turbine comprend des pales entraînant en rotation l'arbre d'entraînement et, pour au moins des première et deuxième turbines d'au moins l'une des première et deuxième colonnes tournant dans le même sens de rotation, les pales de la première turbine sont décalées angulairement par rapport aux pales de la deuxième turbine .

Selon un mode de réalisation, l'éolienne comprend, en outre, au moins un panneau photovoltaïque fixé à l'un des montants latéraux ou au montant central vertical .

Selon un mode de réalisation, l'éolienne comprend des lignes d'ancrage destinées à relier le flotteur au fond marin.

Brève description des dessins

Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de réalisation d'une éolienne flottante à turbines à flux transverse selon 1 ' invention ;

les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d'un étage de l'éolienne flottante de la figure 1 selon un premier mode de fonctionnement ;

les figures 3A et 3B sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d'un étage de l'éolienne flottante de la figure 1 selon un deuxième mode de fonctionnement ;

les figures 4 à 6 représentent trois exemples de turbines à flux transverse ;

la figure 7 représente, de façon partielle et schématique, un exemple de réalisation d'un dispositif de régulation du comportement aérodynamique de l'éolienne de la figure 1 permettant d' augmenter le flux d' air au niveau de chaque turbine ;

la figure 8 représente, sous la forme d'un schéma-blocs, un exemple de système de régulation de la conversion énergétique de l'éolienne de la figure 7 ;

la figure 9 représente, de façon partielle et schématique, un exemple de réalisation d'un dispositif de d'orientation automatique de l'éolienne de la figure 1 face au vent ; et

la figure 10 représente un exemple de réalisation d'une éolienne flottante comprenant des panneaux photovoltaïques.

Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures .

Description détaillée

Seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention sont décrits et représentés sur les figures. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près". En outre, les termes "supérieur", "inférieur", "au-dessus", "au-dessous", "sommet" et "base" sont définis par rapport à l'axe de rotation des turbines de l'éolienne qui correspond, par exemple, sensiblement à la direction verticale.

La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un exemple de réalisation d'une éolienne flottante 10 selon l'invention. L'éolienne flottante 10 comprend une turbomachine émergée 12 reposant sur un flotteur 14. Le flotteur 14 peut correspondre à une coque flottante. La coque flottante 14 est reliée au fond marin, non représenté, par des lignes d'ancrage 16. Le niveau des eaux est représenté de façon schématique par la ligne 18. De préférence, la turbomachine 12 est montée sur la coque flottante 14 de façon que la turbomachine 12 puisse tourner par rapport à la coque flottante 14 autour d'un axe A, sensiblement vertical, d'une liaison pivot.

La turbomachine 12 comprend des turbines 30 qui sont empilées pour former deux colonnes 35 de turbines 30, également appelés empilements de turbines par la suite, juxtaposées avec leurs axes de rotation D et D' parallèles et sensiblement verticaux. La turbomachine 12 comprend un empilement de plusieurs étages 20. A titre d'exemple, quatre étages 20 sont représentés en figure 1. Le nombre d'étages varie, par exemple, de 2 à 10.

Chaque étage 20 comprend :

- un châssis 21, ou structure de maintien, assurant la rigidité de l'ensemble et comprenant des montants latéraux 22, également appelés carénages par la suite, un montant central 42 disposé entre les montants latéraux 22, deux panneaux horizontaux supérieurs 26 et deux panneaux horizontaux inférieurs 28, chaque panneau horizontal supérieur et inférieur 26, 28 s 'étendant entre l'un des carénages 22 et le montant central 42. Le montant central 42 comprend une portion 43 en amont jouant notamment le rôle d'une étrave et une portion 44 en aval jouant le rôle d'un empennage ;

- deux turbines à flux transverse 30 de part et d'autre du montant central 42, l'une appartenant à la première colonne de turbines et l'autre appartenant à la deuxième colonne de turbines. Chaque turbine 30 est disposée entre l'un des montants latéraux 22, le montant central 42 interposé entre les deux turbines 30 de l'étage et les plateaux 26 et 28.

Le montant central 42 et les carénages 22 peuvent être réalisés en des matériaux utilisés dans l'aéronautique pour la fabrication d'ailes, par exemple des matériaux composites.

La coque flottante 14 peut être à symétrie de rotation autour de l'axe A et avoir, suivant un plan méridien, le profil transversal de la coque d'un navire. Le matériau pour réaliser la coque 14 peut être identique à celui utilisé actuellement pour réaliser la coque des navires.

Les montants latéraux 22 d'un étage 20 sont dans le prolongement des montants latéraux 22 de l'étage adjacent au-dessus et/ou de l'étage adjacent au-dessous dans l'empilement d'étages. Les montants 22 et les montants centraux 42 des étages 20 peuvent correspondre à un élément monobloc ou à des éléments distincts par étage. Les turbines 30 de deux étages 20 successifs sont séparées par un plateau horizontal 31 formé par le panneau supérieur 26 de l'étage 20 inférieur et le panneau inférieur 28 de l'étage 20 supérieur .

Chaque turbine à flux transverse 30 comprend un arbre d'entraînement 32 d'axe D ou D' et des pales 48 adaptées à entraîner l'arbre 32 en rotation autour de l'axe D ou D', notamment lorsque le vent a une direction approximativement perpendiculaire à l'axe D ou D' . L'arbre d'entraînement 32 est maintenu aux panneaux 26, 28 par des paliers 34. Les montants 22 et les plateaux 31 de l'ensemble de la turbomachine 12 sont solidaires les uns des autres pour former la structure de maintien des colonnes 35 de turbines 30.

Pour chaque colonne 35 de turbines 30, les arbres d'entraînement 32 des turbines 30 peuvent être reliés les uns aux autres pour former l'arbre d'entraînement d'axe D ou D' de la colonne 35 de turbines. Les colonnes 35 de turbines 30 entraînent au moins un générateur électrique (non visible en figure 1) contenu dans la coque flottante 14.

Selon un exemple de réalisation, pour chaque colonne 35 de turbines 30, les arbres 32 sont reliés les uns aux autres et l'arbre de rotation de l'étage 20 à la base de la turbomachine 12 entraîne, éventuellement par l'intermédiaire d'un système de transmission hydraulique, un générateur électrique par colonne 35 de turbines 30 ou un générateur unique, (non visible en figure 1) , le ou les générateurs étant logés dans la coque flottante 14. Les arbres 32 des turbines 30 des deux colonnes 35 de turbines 30 peuvent former deux arbres monobloc d'axe D et D' maintenus par les plateaux 31. A titre de variante, les arbres 32 des turbines 30 d'une même colonne 35 de turbines peuvent être des éléments distincts. Des dispositifs d'accouplement, non représentés, entre les arbres 32 associés à deux turbines adjacentes, peuvent être prévus dans les plateaux 31. Il peut s'agir d'accouplements flexibles ou élastiques. Des éléments de protection, non représentés, peuvent être prévus pour éviter tout choc entre les turbines 30 et des oiseaux ou des projectiles entraînés par le vent.

Les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d'un étage 20 de l'éolienne flottante de la figure 1 selon un premier mode de fonctionnement et les figures 3A et 3B sont des vues analogues respectivement aux figures 2A et 2B selon un deuxième mode de fonctionnement. Les coupes des figures 2A et 3A sont réalisées suivant des plans perpendiculaires à l'axe A de l'éolienne. Dans les figures 2A et 3A, la coupe est réalisée légèrement sous les plateaux supérieures 26. Le montant central 42 permet notamment de séparer les flux d'air qui atteignent les deux turbines 30 de chaque étage 20. Chaque montant latéral 22 a une forme profilée pour jouer, en outre, le rôle d'un carénage. L'aspiration du flux d'air au niveau de chaque turbine 30 d'un étage 20 est réalisé par les carénages latéraux 22 et le montant central 42.

La portion amont 43 du montant central 42 comprend deux volets d'étrave 68 mobiles. Chaque volet 68 peut être pivoté par rapport à la portion fixe de l'étrave 43, par exemple autour d'axes B et B' parallèles aux axes D et D', par exemple sensiblement selon la direction verticale. Les systèmes d' actionnement des volets d'étrave 68, par exemple des systèmes hydrauliques comprenant des vérins 67, peuvent être logés dans l'étrave 43 à la hauteur du panneau supérieur 26 et du panneau inférieur 28 de chaque étage 20.

Les axes de rotation parallèles B et B' de chaque volet d'étrave 68, parallèles à l'axe de la turbomachine A, sont situés dans la partie la plus amont de l'étrave 43. Sur les figures 2A et 2B, les volets d'étrave 68 sont en position fermée et viennent se plaquer dans des logements pratiqués dans l'étrave 43. Une augmentation de l'angle de braquage des volets d'étrave 68 vers l'extérieur de l'étrave entraîne une occultation plus ou moins importante du flux d'air atteignant les turbines 30. Sur les figures 3A et 3B, les volets d'étrave 68 sont représentés ouverts. Dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe A de l'éolienne, les volets d'étrave 68 ont la forme d'une flèche dont la pointe correspond à l'extrémité la plus amont de l'étrave 43 et dont les branches sont plus ou moins éloignées du reste de l'étrave 43.

Sur les figures 2A et 2B, les volets d'étrave 68 étant en position fermée, en amont de chaque turbine 30, la partie centrale de l'écoulement longe la face externe des volets d'étrave 68 et vient alimenter chaque turbine 30 en amont d'un bec 69 pratiqué sur le montant central 42. De préférence, la turbine 30 représentée en haut sur les figures 2B et 3B tournent dans le sens horaire et la turbine 30 représentée en bas sur les figures 2B et 3B tournent dans le sens antihoraire de sorte que les pales 48 remontent l'écoulement le long du montant central 42. Le bec 69 est alors destiné à masquer la remontée des pales 48. Les pales 48 suivent en fonctionnement un cercle centré sur l'axe D ou D' . Le dit bec 69 est situé autour d'un angle a de masquage voisin de 30° défini à partir de la position angulaire où la pale 48 possède une incidence nulle. L'écoulement s'échappe du bec 69 avec une direction qui suit un rayon du cercle suivi par les pales 48.

Au-delà de chaque turbine 30, l'écoulement s'engage dans une partie divergente obtenue grâce à l' éloignement graduel du carénage 22 par rapport au montant central 42. En outre, la présence de l'empennage 44 qui, en prolongeant le montant central 42, assure l'absence d'interaction entre les sillages des écoulements entraînant les deux turbines 30 d'un même étage, les formes profilées de l'empennage 44 et des carénages 22 permettent de minimiser les forces aérodynamiques de traînée exercées sur le châssis 21.

La turbine 30 peut être n'importe quel type de turbine à flux transverse. Plus particulièrement, il peut s'agir d'une turbine à flux transverse dans laquelle les pales 48 entraînent en rotation l'arbre 32 sous l'action de forces de portance. A titre d'exemple, la turbine à flux transverse est une turbine du type Darrieus ou du type Gorlov, par exemple, les turbines décrites dans la publication "Helical Turbines for the Gulf Stream: Conceptual Approach to Design of a Large-Scale Floating Power Farm" de Gorlov (Marine Technology, vol. 35, n°3, Juillet 1998, pages 175-182, etc . ) .

Par ailleurs, la demanderesse a déposé un ensemble de demandes de brevet sur des turbines à flux transverse mues par des forces de portance parmi lesquelles on peut mentionner les demandes de brevet PCT/FR2008/051917 (B8450), PCT/FR2011/052781 (B10341) et FRll/56768 (B11141) . Les turbines 30 peuvent correspondre aux turbines décrites dans ces demandes de brevet .

Les figures 4 à 6 représentent trois exemples particuliers de réalisation de turbines 30. A titre d'exemple, il est considéré une turbine 30 de la colonne de turbines 35 d'axe D.

A titre d'exemple, comme cela est représenté aux figures 3 à 6, la turbine 30 comprend un moyeu 45 fixé à l'arbre d'entraînement 32 et duquel se projettent des bras 46. Chaque bras 46 porte une aile 48 (ou pale) à son extrémité opposée au moyeu 45. Chaque aile 48 a, par exemple, une forme en "V" à extrémité libre dont la flèche peut varier de -45° à +45°. Dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation D, la section de chaque aile 48 peut correspondre à un profil de type biconvexe symétrique ou dissymétrique, creux, à double courbure, etc. Le bras 56 peut également avoir une forme profilée pour réduire les forces de traînée qui s'y exercent. L'envergure de chaque aile 48, mesurée selon l'axe D, peut varier de 1 à 10 mètres. Dans un plan perpendiculaire à l'axe D, le dit cercle centré sur l'axe D suivi par les ailes 48 possède un diamètre variant de 1 à 10 mètres. La hauteur de la pale 48 rapportée au diamètre (hauteur relative) peut varier de 0,5 à 3.

Lorsque la turbine 30 est placée dans un flux d'air ayant une direction perpendiculaire à l'axe D, les pales motrices 48 entraînent l'arbre 32 en rotation autour de l'axe D. Dans la suite de la description, on considérera sans indication contraire que le flux d'air a une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe D. Toutefois, il est clair que lorsque le flux d'air a une direction inclinée par rapport à l'axe D de moins de 90 degrés, les pales motrices 48 entraînent toujours l'arbre 32 en rotation mais avec un rendement qui décroît d'autant plus que l'inclinaison entre la direction du flux d'air et l'axe D est faible.

En figure 4, la turbine 30 représentée comprend trois pales 48 en "V" ayant une flèche inversée d'environ -30°. Aux figures 1, 2A, 2B, 3A et 3B, les turbines 30 représentées comprennent trois pales 48 en "V" ayant une flèche inversée.

La figure 5 est une vue éclatée d'un exemple de réalisation de la turbine 30 dans lequel la turbine 30 peut être réalisée par le montage d'éléments séparés pouvant être assemblés les uns aux autres. Le moyeu 45 et les bras 46 peuvent correspondre à des pièces distinctes. Chaque aile 48 peut être obtenue par le montage d'une portion de liaison 50 et de deux portions d'aile 52. Ceci permet de faciliter le montage et le démontage des turbines. Les portions d'ailes 52 peuvent être avantageusement évidées pour réduire les forces centrifuges.

En figure 6, la turbine 30 représentée comprend trois pales 48 droites. Chaque pale 48 a un profil aérodynamique d'aile volante défini en section par une corde c et une épaisseur e. A chaque extrémité 53, la pale 48 est évasée, c'est-à-dire que le profil de la pale 48 est modifié de sorte que sa corde reste sensiblement constante et que son épaisseur augmente pour atteindre une valeur emax à l'extrémité 53 supérieure d'au moins 15 % à e. En outre, un dévers est prévu en bout de pale. La hauteur de la pale 48 rapportée au diamètre (hauteur relative) est sensiblement de 1,5. En outre, une ligne de traction 54 anti-flexion relie l'extrémité 53 de chaque pale 48 à l'arbre d'entraînement 32. La ligne de traction 54 peut correspondre à un câble, un filin, une chaîne, un profilé, etc. Ceci permet de lutter contre les forces centrifuges lorsqu'elles sont particulièrement importantes et notamment prépondérantes vis-à-vis des forces aérodynamiques (portance et traînée) .

En fonctionnement, il résulte de l'écoulement de l'air autour d'une turbine 30 l'application sur l'arbre de rotation 32 de la turbine 30 d'une force de portance variable au cours d'une révolution dont la direction est perpendiculaire à l'axe D et perpendiculaire à la direction du vent et dont le sens exact dépend du sens de rotation de la turbine 30. La force de portance se surajoute à la force de traînée qui est toujours présente, ces forces étant transmises à la structure de maintien 21 des turbines 30.

Il peut être prévu que les deux colonnes de turbines adjacentes tournent en sens opposé sous l'action d'un flux d'air. Les turbines 30 d'un même étage 20 sont de préférence disposées de façon symétrique par rapport au montant central 42 comme cela est représenté en figure 1. Ceci peut être réalisé par un système d'engrenages reliant les deux colonnes de turbines ou par l'application d'un couple de freinage adapté à chaque colonne de turbines. Etant donné la rotation en sens inverse de deux turbines 30 adjacentes de chaque étage 20, les forces de portance orthogonales à la direction du vent s'annulent mutuellement, ou sont à tout le moins fortement réduites. On réduit, en outre, le moment de roulis que la structure de maintien applique à la coque flottante 14 résultant de la somme des moments associés aux forces de portance de chaque turbine .

Ainsi, quand la turbomachine 12 est soumise à l'action du vent, le moment de roulis imposé à la coque flottante 14 est nul ou réduit. En outre, le moment de lacet qu'impose la turbomachine 12 sur la coque flottante 14 est également nul puisque la turbomachine 12 est montée libre en rotation sur la coque flottante 14 comme cela est expliqué plus en détail par la suite en relation avec la figure 9. La turbomachine 12 est alors soumise à une force de traînée qui tend à induire un moment de tangage sur la coque flottante 14.

Selon un exemple de réalisation, comme cela est représenté sur la figure 1, pour chaque colonne de turbines, chaque turbine 30 est décalée angulairement autour de l'axe de rotation D, D' par rapport à la turbine 30 adjacente située au-dessus ou au- dessous de la même colonne de turbines. Cela permet d'obtenir un couple d'entraînement, au niveau de l'extrémité de l'arbre d'entraînement 32 de la colonne de turbines reliée au générateur électrique, qui est sensiblement uniforme tout au long d'une rotation de 360° de la colonne de turbines 30. Un lissage des pulsations du couple délivré par les pales tournantes est ainsi obtenu. Ce décalage est, par exemple, de 360/ (P*N) degrés pour une colonne de turbines 30 ayant un empilement de N turbines 30, chaque turbine 30 ayant P pales 48. En outre, de tels décalages permettent d'obtenir une structure dissymétrique qui facilite la mise en rotation de la colonne de turbines 30 à partir d'une position d' arrêt .

La figure 7 est une vue en perspective de la turbomachine 12 de l'éolienne flottante 10 de la figure 1 qui représente, de façon détaillée, la structure des carénages 22.

Chaque carénage 22 d'un étage 20 comprend une portion fixe 56 et un volet mobile 58, appelé volet de montant. Le volet 58 est orienté verticalement et situé dans le prolongement de la portion fixe 56, en aval de la portion fixe 56 selon le sens d'écoulement du vent. A titre d'exemple, le profil global du carénage 22 est de la famille Eppler. Les plateaux 31 sont fixés aux portions fixes 56.

Le volet de montant 58 peut être pivoté par rapport à la portion fixe 56 correspondante, par exemple autour d'un axe B parallèle à l'axe D pour être braqué vers l'extérieur de la turbomachine 12 depuis une position de braquage nul. Dans la suite de la description, il est considéré que l'angle de braquage du volet de montant 58 est positif lorsque le volet de montant 58 a été pivoté depuis la position de braquage nul vers l'extérieur de la turbomachine 12. Lorsque l'angle positif de braquage du volet de montant 58 est augmenté, la courbure du profil du carénage 22 est augmentée, ce qui accroît l'aspiration d'air entre les carénages 22.

Chaque volet de montant 58 d'un étage 20 peut être déplacé indépendamment du volet de montant 58 d'un autre étage 20. Les systèmes d' actionnement des volets de montant 58, par exemple des systèmes hydrauliques, peuvent être logés dans les carénages 22 pour chaque étage 20. Le volet 58 est, par exemple, un volet de courbure. Le volet de montant 58 peut être un volet à fente, comprenant une fente ou plus d'une fente. Le volet de montant 58 peut avoir la structure d'un volet Fowler.

La figure 8 représente, sous la forme d'un schéma-bloc, un exemple de réalisation d'un système de commande du braquage des volets d' étrave 68, des volets de montant 58 et du couple de freinage fourni par la génératrice 74. Le système comprend un module 75 de détermination de l'angle de braquage des volets d' étrave 68, des volets de montant 58 pour chaque étage 20 de la turbomachine 12 et du couple de freinage à appliquer par la génératrice 74.

La turbomachine 12 comprend au moins un capteur 76 de la vitesse du vent incident. De préférence, un capteur 76 de vitesse v du vent indicent est prévu à chaque étage 20 de la turbomachine 12.

L'éolienne flottante 10, 40 comprend, en outre, un module de conversion électromécanique 77 comportant un système 78 de commande de la génératrice 75, relié à la génératrice 74 par un convertisseur 79. Le module 77 comprend, en outre, un module de mesure 80 fournissant un signal représentatif de la vitesse de rotation ω de la colonne 35 de turbines ou des colonnes de turbines et un signal représentatif de la puissance P fournie par la génératrice 74.

Le module 75 comprend un module 83 de détermination de l'angle de braquage des volets de montant 58. Le module 83 est relié au module de mesure 80 et au capteur 76. Le module 83 détermine, pour chaque volet de montant 58, un angle de braquage en fonction de la vitesse v du vent incident à l'étage 20 considéré et de la vitesse de rotation ω et transmet des signaux de commande au système électromécanique de pivotement du volet de montant 58 pour faire pivoter le volet de montant 58 dudit angle de braquage.

Le module 75 comprend un module 84 de détermination de l'angle de braquage des volets d' étrave 68. Le module 84 est relié au module de mesure 80 et au capteur 76. Le module 84 détermine, pour chaque volet d' étrave 68, un angle de braquage en fonction de la vitesse v du vent incident à l'étage 20 considéré et de la vitesse de rotation ω et transmet des signaux de commande au système électromécanique de pivotement du volet d'étrave 68 pour faire pivoter le volet d'étrave 68 dudit angle de braquage.

Le module 75 comprend un module 85 de détermination du couple de freinage à appliquer par la génératrice 74. Le module 85 est relié au module 80. Le module 85 détermine le couple de freinage à appliquer par la génératrice 74 en fonction de la puissance P fournie par la génératrice 74 et la vitesse de rotation ω de la colonne de turbines .

Selon un exemple de réalisation, la régulation aérodynamique du fonctionnement de l'éolienne flottante 10, est réalisée par le braquage des volets d'étrave 68 et le braquage des volets de montant 58.

Une augmentation de l'angle de braquage du volet d'étrave 68 vers l'extérieur de l'étrave entraîne une occultation plus ou moins importante du flux d'air atteignant la turbine 30.

Par ailleurs, une augmentation de l'angle de braquage du volet de montant 58 vers l'extérieur de la turbomachine 12 entraîne une augmentation du coefficient de portance du carénage 22, la force de portance exercée sur le carénage 22 étant orientée sensiblement selon la direction horizontale. Cela se traduit par une accélération du flux d'air pénétrant entre les volets de montant 58 pour l'éolienne flottante 10 ou entre chaque volet de montant 58 et le montant central 42 pour l'éolienne flottante 40, ce qui permet d'augmenter la vitesse vue par la turbine 30 pour une vitesse incidente du vent donnée. Il en résulte une augmentation de la puissance collectée par la turbine 30 qui croît comme le cube de la vitesse vue par la turbine 30.

Dans la suite de la description, on appelle v _D la vitesse v du vent à partir de laquelle la colonne 35 de turbines 30 commence à tourner, v _n la vitesse nominale du vent qui est la vitesse pour laquelle la puissance recueillie par la colonne de turbines 35 est maximale et v _c la vitesse de coupure qui est la vitesse maximale admissible à partir de laquelle la turbomachine doit être mise hors service afin d'éviter tout dommage matériel. La régulation aérodynamique par rapport au vent du fonctionnement de l'éolienne flottante 10, 40 vise à satisfaire différentes contraintes, en coordination avec la régulation par l'électronique de puissance de la génératrice électrique 74. Plus précisément il s'agit :

(i) de démarrer la colonne de turbines à une vitesse du vent v _D faible ;

(ii) d'optimiser le régime de conversion de l'énergie, pour une vitesse du vent qui varie de la vitesse à la vitesse v _n ;

(iii) de limiter la puissance collecté P à la puissance nominale P _n pour une vitesse de vent strictement supérieure à v _n ; et

(iv) de protéger la partie mécanique de l'éolienne par des systèmes d'arrêt d'urgence lorsque la vitesse du vent est strictement supérieure à v _c (qui est par exemple de l'ordre de 90km/h) , ces systèmes pouvant être par exemple aérodynamiques ou mécaniques via un frein sur l'arbre qui attaque la génératrice.

Les braquages des volets d' étrave 68 et des volets de montant 58 peuvent être réalisés selon les phases suivantes pour satisfaire les contraintes décrites précédemment :

(a) Pour démarrer la rotation de la turbine 30 à la vitesse v _D et lorsque la vitesse du vent varie de v _D à v _n , le volet de montant 58 pour chaque étage 20 est braqué vers l'extérieur de la turbomachine 12 pour rechercher une augmentation de la puissance collectée sans toutefois que la traînée ne soit trop importante. L'angle de braquage positif peut être fixe lorsque la vitesse du vent varie de v _D à v _n . La puissance maximale P _max est alors obtenue en utilisant la stratégie de commande de la génératrice 74 appelée stratégie MPPT (acronyme anglais pour Maximum Power Point Tracking) qui permet de régler automatiquement la vitesse spécifique λ=ωκ/ν, R étant le rayon maximal de la turbine 30 et ω étant la vitesse de rotation de la turbine 30, à sa valeur optimale A _max de manière à obtenir le coefficient de puissance maximale. Le coefficient de puissance, ou coefficient de performance, de la colonne de turbines indique l'efficacité avec laquelle l'éolienne convertit l'énergie mécanique du vent en électricité. Lors de cette phase dans laquelle, la puissance fournie P _max reste inférieure à la puissance nominale P _n et ω croit avec v, le couple P _max /c») est imposé sur la commande de la génératrice .

L'angle de braquage des volets de montant 58 peut être différent d'un étage à l'autre. Par exemple, pour les étages inférieurs, il est souhaitable que le coefficient de portance Cz du carénage 22 soit plus élevé que dans les étages supérieurs. L'angle de braquage du volet de montant 58 peut alors être important.

(b) Lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse v _n et inférieure à la vitesse de coupure v _c , correspondant à la phase d'écrêtage de la puissance récupérée, il est nécessaire de jouer de surcroit sur la réduction de l'angle de braquage du volet de montant 58 , ce qui correspond à une commande bi-variable. Dès que la vitesse de rotation ω excède la vitesse de rotation nominale de la colonne de turbines, une loi de fermeture progressive du volet de montant 58 en fonction de ω est imposée et simultanément, un couple égal à P _n / Cû est imposé sur la commande de la génératrice.

Lorsque l'angle de braquage du volet de montant 58 s'approche de la valeur nulle, le volet d'étrave 68 peut prendre le relais du volet précédent. Le volet d'étrave 68 est progressivement ouvert vers l'extérieur, de façon à réduire le flux du vent incident qui entre le carénage 22 et le montant central 42, en occultant progressivement le conduit en aval de la turbine 30 pour réduire la vitesse vue par la turbine 30. L'occultation du passage du flux d'air par le volet d'étrave 68 peut être réalisée de façon continue ou par à-coups.

(c) Lorsque la vitesse du vent est supérieure ou égale à la vitesse de coupure v _c , l'angle de braquage du volet de montant 58 demeure sensiblement nul et le volet d'étrave 68 est ouvert à sa valeur maximale de braquage vers l'extérieur.

Lorsque la vitesse du vent est sensiblement uniforme sur toute la hauteur de la turbomachine 12, la commande de l'angle de braquage du volet de montant 58 peut être identique pour chaque étage 20. De même, la commande de l'angle de braquage volet d' étrave 68 peut être identique pour chaque étage 20. Toutefois, dans le cas où le vent incident n'a pas la même vitesse sur toute la hauteur de la turbomachine 12, en particulier, dans le cas où la vitesse du vent diminue lorsque l'on s'approche de la surface 18 de la mer, l'angle de braquage du volet de montant 58 dans la phase (a) peut être d'autant plus important que l'étage 20 est proche de la surface 18 de la mer comme cela est représenté en figure 7.

L'augmentation de l'angle de braquage positif des volets de montant 58 des étages 20 supérieurs vers les étages 20 inférieurs permet de compenser la réduction de la vitesse du vent au voisinage de la surface 18 de la mer. La vitesse du flux d'air qui atteint la turbine 30 à chaque étage 20 est alors uniformisée suivant la direction verticale. On obtient ainsi une uniformisation des conditions optimales de rotation des turbines 30.

Dans la phase d' écrêtage de la puissance récupérée une loi de fermeture progressive volet de montant 58 avec la vitesse de rotation ω spécifique à chaque étage doit être définie de sorte que la puissance produite par chaque turbine soit uniformisée. Cela est possible si la vitesse v est mesurée à chaque étage et si le coefficient de puissance d'une turbine carénée est connu en fonction de la vitesse spécifique et de l'angle de braquage.

La présence de la structure de maintien fait que l'éolienne selon l'invention peut comprendre un empilement de plusieurs turbines. En outre, l'utilisation des volets d' étrave 68 et des volets de montant 58 permet de faire fonctionner le plus possible les turbines dans des conditions nominales. Le rendement de l'éolienne selon l'invention est donc amélioré.

En outre, par rapport à une turbine pour laquelle la régulation du comportement aérodynamique de la turbine 30 est obtenue par l'utilisation de pales à angle de calage variable, le dispositif de régulation selon la présente invention permet avantageusement d'obtenir une structure plus simple et plus fiable. En effet, les pales sont des organes en mouvement lors du fonctionnement de la turbine alors que, dans la présente invention, l'ajustement est réalisé par les volets d' étrave 68 qui sont des organes fixes en fonctionnement. Le découplage entre la régulation et la collecte d'énergie rend aussi la maintenance plus aisée et un contrôle simple et efficace, éventuellement en cours de fonctionnement .

Les volets d' étrave 68 ont une fonction supplémentaire puisqu'ils permettent de conférer à la turbomachine une forme globalement profilée, en forme de proue de navire, qui permet de compenser le moment de tangage sur la coque flottante 14 dû à la traînée aérodynamique qui tend à faire basculer la turbomachine 12 vers l'arrière. Outre l'effet de la traînée aérodynamique, s'ajoute l'effet du poids de la turbomachine 12 qui se manifeste dès que la turbomachine 12 est inclinée par rapport à la direction verticale. A titre d'exemple, les volets d' étrave 68 peuvent être braqués avant que les volets de montant 58 n'atteignent un angle de braquage nul, et de façon coordonnée avec ces derniers pour écrêter la puissance récupérée à P _n pour ajuster le moment piqueur compensant le moment de tangage alors que la vitesse du vent varie de la vitesse v _D à la vitesse v _n .

Dans un exemple de réalisation, la régulation aérodynamique du fonctionnement de l'éolienne flottante 10 est réalisée seulement par le braquage des volets d' étrave 68. En particulier, par rapport à la phase (b) décrite précédemment, lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse v _n et inférieure à la vitesse de coupure v _c , le mouvement de braquage du volet d' étrave 68 comprend une augmentation progressive de l'angle de braquage du volet d' étrave 68.

En outre, par rapport à la phase (c) décrite précédemment, lorsque la vitesse du vent est supérieure ou égale à la vitesse de coupure v _c , le volet d' étrave 68 est ouvert au maximum vers l'extérieur de la turbomachine 12.

Un avantage de l'exemple de réalisation dans lequel les volets de montant 58 ne sont pas présents, est de réduire le nombre de volets mobiles de l'éolienne flottante 10, à commander et donc de simplifier la structure de l'éolienne flottante 10 en réduisant de moitié le nombre de volets mobiles.

La figure 9 est une section, partielle et schématique, du châssis 21 d'un étage 20 de l'éolienne flottante 40 et représente le montant central 42 et les carénages 22. En figure 9, la section du châssis est symétrique par rapport à l'axe de symétrie S.

L'entraînement en rotation de la turbomachine 12 par rapport au flotteur 14 peut être réalisé sans assistance motorisée par l'intermédiaire des carénages 22 et du montant central 42 qui tendent naturellement à maintenir l'axe de symétrie S de l'éolienne 12 parallèle à la direction C du vent en fonctionnement normal. En effet, la portion 44 en aval du montant central 42 joue le rôle d'un empennage et oriente naturellement le montant central 42 parallèlement à la direction C. En outre, chaque carénage 22 a, en section, la forme d'une aile ayant une corde dont l'inclinaison par rapport à l'axe de symétrie S est définie par un angle β. L'angle β correspond donc à l'angle d'incidence de cette aile en fonctionnement normal de l'éolienne 12.

Lors d'une perturbation, l'axe de symétrie S est incliné d'un angle Δ avec la direction C. L'angle d'incidence de l'empennage 44 est Δ. La somme des forces de traînée et de portance au centre de poussée de l'empennage 44 (représentée en figure 9 par la flèche 87) induit un moment sur l'axe de rotation A qui tend à replacer la turbomachine 12 de façon à aligner l'axe de symétrie S avec la direction C. En outre, l'angle d'incidence du carénage 22 le plus incliné (carénage 22 à gauche en figure 9) par rapport à la direction C devient β + Δ et l'angle d'incidence du carénage 22 le moins incliné (carénage 22 à droite en figure 9) par rapport à la direction C devient β - Δ. Pour chaque carénage 22, la somme des forces de traînée et de portance au centre de poussée du carénage 22 (représentée par la flèche 88 pour le carénage 22 à gauche en figure 9 et par la flèche 89 pour le carénage 22 à droite en figure 9 induit un moment sur l'axe de rotation A de la turbomachine 12. Le moment dû au carénage 22 le plus incliné est supérieur au moment dû au carénage 22 le moins incliné. Si les centres de poussée des carénages 22 sont disposés en aval de l'axe de rotation A de la turbomachine 12, la somme des moments associés à toutes ces forces tend à replacer la turbomachine 12 de façon à aligner l'axe de symétrie S avec la direction C.

Ainsi pour les éoliennes flottantes 10, l'orientation naturelle (passive) de la structure de maintien de la turbomachine 12 est proche d'une situation symétrique, face au vent. De façon avantageuse, aucune commande en lacet n'est nécessaire.

La figure 10 représente une vue en perspective schématique d'un exemple de réalisation dans laquelle des panneaux photovoltaiques 90 sont fixés aux carénages 22 de l'éolienne flottante 10 de la figure 1. Les panneaux photovoltaiques 90 peuvent, en outre, être fixés au montant central 42. A titre de variante, les panneaux photovoltaiques 90 peuvent n'être fixés qu'au montant central 42.

A titre de variante, les panneaux photovoltaiques 90 peuvent être remplacés, en totalité ou en partie, par des photobioréacteurs, par exemple des photobioréacteurs solaires, notamment des photobioréacteurs solaires plans. Il s'agit de systèmes assurant la production de micro-organismes photosynthétiques .

Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaissent à l'homme de l'art. En particulier, des exemples de réalisation d' éoliennes flottantes comprenant deux colonnes de turbines ont été décrits. Toutefois, il est clair que l'invention peut être mise en oeuvre pour des éoliennes flottantes comprenant plus de deux colonnes de turbines. Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On note que l'homme de l'art peut combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive.