FR2868483A1 - Moyens de realisation d'un type d'eolienne quadrirotor et dispositif d'implantation de ces eoliennes en parc offshore - Google Patents

Abstract

L'éolienne quadrirotor (70) est caractérisée en ce que deux de ses rotors A (3) et D (6) sont placés en amont et que les deux autres B (4) et C (5) sont placés en aval. Les quatre rotors (3), (4), (5) et (6) sont disposés sur deux étages et selon une configuration inversée à chaque étage et inverse entre un étage et l'autre et tournent aux extrémités d'une structure porteuse pivotante (1) en forme d'étoile à quatre branches en poutre échelles. L'ensemble formé par les quatre rotors et la structure pivotante est équilibré sur l'axe de pivotement vertical (7) et s'oriente naturellement face à la direction du vent, pouvant être désorienté à la demande par des moyens aérodynamiques pour placer les rotors à pas fixe et à pales spéciales biplanes en sécurité à 90° de la direction du vent. La structure pivotante (1) est portée par un pylône polygonal fixe (2).

Description

La présente invention est relative à un type d'éolienne à quatre rotors

non coaxiaux groupés sur un support commun et dénommé éolienne quadrirotor, et plus particulièrement à des moyens destinés à faciliter la réalisation pratique et économique de ce type d'éolienne et à en rendre l'exploitation plus sure, plus durable et plus

productive.

Des projets d'éoliennes à quatre rotors existent depuis longtemps, par exemple celui de Lucien ROMANI en France et celui plus récent de Friedrich KLINGER en Allemagne qui concernent des éoliennes d'une puissance de 10 MW soit le double de celle des éoliennes monorotors les plus puissantes à ce jour. On connaît également une petite éolienne à quatre rotors construite par la société Hollandaise LAGERWEY et exploitée plusieurs années durant.

Le type d'éolienne quadrirotor présente l'avantage de permettre la réalisation d'une éolienne d'une puissance supérieure à celle d'une éolienne de type monorotor sans avoir à utiliser des rotors gigantesques ni des dispositifs de conversion électromécaniques très lourds. Par exemple les quatre rotors d'une éolienne quadrirotor peuvent remplacer avantageusement un rotor unique de diamètre double avec une masse et un coût totaux moitié moindre.

Il est moins connu que l'espacement nécessaire pour éviter la turbulence de sillage entre deux éoliennes quadrirotors se calculant par rapport au diamètre de l'un des quatre rotors, ces éoliennes quadrirotors pourront être deux fois plus rapprochées l'une de l'autre à surface balayée par les rotors égale que des éoliennes monorotors de diamètre double. Il s'ensuit qu'à surface balayée par les rotors égale, un parc éolien formé de quadrirotors n'occupera que le quart de la surface d'un parc éolien formé de monorotors.

Cependant ces avantages sont restés jusqu'à ce jour purement théoriques car il existe de nombreuses incertitudes en ce qui concerne la meilleure architecture d'une éolienne quadrirotor. L'équilibrage des masses excentrées, la disposition et le sens de rotation des rotors, l'orientation des rotors par rapport à la direction du vent, la synchronisation des quatre rotors et des quatre alternateurs, les problèmes de vibrations et de mise en résonance de l'ensemble, les moyens de sécurisation par tous les temps, le choix des composants, et les agencements mécaniques sont autant de difficultés requérant une solution et d'éviter une foule d'options malencontreuses.

Par exemple on connaît l'assemblage des quatre rotors tous en amont de l'axe de pivotement et leur assemblage tous en aval de cet axe de pivotement. Dans ces deux agencements, il faut employer un ou plusieurs contrepoids pour obtenir l'équilibrage sur l'axe de pivotement. On connaît aussi l'emploi de rotors à pas fixe par Lucien ROMANI qui simplifie l'équilibrage aérodynamique des quatre rotors. On connaît encore plus généralement l'emploi de rotors à pas variable qui peuvent être mis en drapeau en cas de tempête mais qui exigent une synchronisation et une fiabilité parfaite des mécanismes de variation de pas.

Une des idées admises pour la constitution d'une éolienne quadrirotor consiste à emprunter le rotor et la nacelle d'une éolienne de type éprouvé monorotor et d'en monter quatre exemplaires aux extrémités de vergues pivotantes autour d'un mât, ou bien de deux vergues fixes horizontales liées rigidement à un mât pivotant à sa base. Il s'avère à l'examen que cette façon de procéder en apparence économique car promettant d'éviter l'étude et la fabrication de rotors et de nacelles spécifiques est difficilement réalisable et n'offre pas une sécurité suffisante car les conditions de fonctionnement d'une éolienne à quatre rotors sont très spécifiques. Par exemple les pales des quatre rotors tournant au voisinage les unes des autres ne doivent pas fléchir ni vibrer sous peine de voir entrer en résonance l'ensemble de l'éolienne. On a également intérêt, aussi bien pour en simplifier l'accès et l'entretien que pour réduire la masse suspendue et giratoire des quatre nacelles à mettre en commun un maximum de fonctions et de dispositifs, contrôle électrique, lubrification et refroidissement des alternateurs. Le support fixe, de préférence de grande hauteur doit également bénéficier d'une stabilité et d'une rigidité supérieures à celle des supports et mâts tubulaires verticaux usuels.

L'invention concerne donc en premier lieu l'architecture générale et la disposition des quatre rotors d'une éolienne quadrirotor caractérisée en ce que ses quatre rotors sont d'un type à pas fixe et que leur plans de rotation peuvent être tous ensemble déviés ou effacés sur commande ou automatiquement dans le lit du vent ou en position neutre. Pour obtenir ce résultat les quatre rotors sont disposés sur deux étages et dans deux plans parallèles de part et d'autre de la structure pivotante qui surmonte un pylône fixe. Par ce moyen on constitue un double birotor à disposition amont / aval tel que EP96 401 818.8-2317, Selon cet agencement croisé et équilibré amont / aval à un étage et aval / amont à l'autre, il existe quatre variantes dont les rotors sont contrarotatifs supra divergents à un étage et supra convergents à l'autre. En nommant de gauche à droite A et B les rotors de l'étage inférieurs et C et D les rotors de l'étage supérieur on dénombre ces quatre dispositions: 1 A en amont B en aval supra convergent C en aval D en amont supra divergents 2 A en amont B en aval supra divergent C en aval D en amont supra convergent 3 A en aval B en amont supra convergent C en amont D en aval supra divergent 4 A en aval B en amont supra divergent C en amont D en aval supra convergent Selon ces quatre dispositions, l'ensemble des masses pivotantes est équilibré et son centre de gravité coïncide avec l'axe de pivotement. Les couples des quatre rotors s'annulent et les mouvements d'enroulement des quatre vortex constituent une espèce d'engrenage aérodynamique qui réduit les vibrations ainsi que probablement le bruit. L'équilibrage aérodynamique gauche / droite est conservé quand on immobilise deux rotors d'un même étage mais que l'on maintient les deux autres rotors en fonctionnement normal. Une panne quelconque sur l'un des rotors n'oblige ainsi à arrêter que deux rotors et n'entraîne la perte que de la moitié du productif.

L'emploi de rotors à pas fixe est autorisé d'une part en employant le contrôle aérodynamique passif de l'écoulement sur l'extrados des profils par le phénomène connu du décrochage aérodynamique et d'autre part au moyen de l'installation d'une puissance électrique capable d'absorber sans surchauffe ni emballement un couple éolien supérieur au cours des rafales et par vent fort. L'expérience antérieure en France sur un prototype monorotor dont le rotor éolien à pas fixe avait 30 m de diamètre et était équipé d'un alternateur d'une puissance nominale de 800 KW a démontré qu'il était possible de produire sans dommage une puissance de 1000 KW par vent de 20 m/seconde. En Offshore et dans de très bon sites terrestres, ce taux d'équipement électrique d'environ 1250 W par m2 de rotor permet d'exploiter beaucoup mieux le gisement éolien.

Selon l'invention on emploie de préférence des rotors tripales ou bipales dont les pales sont biplanes. Les deux plans vrillés de chaque pale se joignent en un pied unique en forme de fourche et sont liés par un crochet d'extrémité et par une ou plusieurs membrures profilées et inclinées par exemple FR9700521 5. Selon l'invention, ces membrures de liaison de préférence des mâts simples, peuvent être vrillées, leurs extrémités se liant selon des angles différents de + ou 15% aux deux plans amont et aval. Ces membrures sont ainsi plus rigides et en régime normal contrarient moins les écoulements d'air de directions différentes sur l'intrados du plan aval (poussée) et l'extrados du plan amont (portance). Ce vrillage des membrures et leurs profils sont également conçus pour générer de la traînée aérodynamique à partir d'une certaine vitesse et ainsi limiter le risque d'emballement des rotors. On connaît chez Honnef des cordes et des profils différents des deux plans d'une pale biplane, selon une autre caractéristique de l'invention, on donnera aussi, à une même distance donnée du moyeu des incidences différentes de 0,5% à 5% aux plans avals et amont afin qu'ils ne décrochent pas au même moment.

Ces rotors légers et rigides sont plus faciles à porter de façon excentrée et pourront avoir une vitesse angulaire élevée et exploiter les vents forts sans crainte des vibrations. Selon une autre caractéristique de l'invention, les pales biplanes peuvent être constituées de plusieurs tronçons d'un encombrement réduit selon des découpes en S, chaque tronçon pouvant comprendre une partie de plan amont, une partie de plan aval et tout ou partie d'une ou plusieurs membrures de liaison. Tous ces tronçons peuvent être facilement et rigidement assemblés, au moyen par exemple de tringles.

Les quatre alternateurs à commande centralisée sont de préférence du type asynchrone à double alimentation et à 3 régimes de rotation par exemple 1500 Tours/minute, 2000 et 2500 TM Correspondant à trois régimes de vent. Ces alternateurs sont munis d'une électronique de puissance connue AC / DC / AC.

Lorsque le régime de rotation des quatre alternateurs et des quatre rotors est synchronisé, les caractéristiques aérodynamiques de fonctionnement des rotors sont les mêmes et ils s'orientent naturellement ensemble face à la direction du vent, d'autant plus facilement que leur contra rotation annule les couples de ces corps tournants. Lorsque la direction du vent change les quatre rotors sont attaqués d'abord obliquement par le vent puis ces rotors tendent à venir naturellement face au vent.

Ce moyen d'orientation purement aérodynamique est appelé orientation libre en lacet et permet un gain de rendement par rapport à l'orientation discontinue en force et mécanisée et une réduction très notable des efforts de torsion du support.

L'ensemble des quatre rotors étant monté sur un support pivotant commun, ce pivot est la partie la plus sollicitée mécaniquement de toute l'éolienne quadrirotor. D'autre part, vus les changements continuels et plus ou moins rapides de l'orientation en lacet les oscillations de la partie mobile doivent absolument être atténuées. Une des solutions envisagée par l'invention est l'installation d'électro-aimants à flux magnétique variable et contrôlé par l'intensité du courant d'excitation des bobines des électro-aimants. Ce dispositif permet de freiner et amortir les oscillations de la structure pivotante sans aucune usure.

Plusieurs agencements du pivot peuvent être employés dérivé chacun des mécanisme de pivotement connus des grues de grande capacité. Par exemple la structure pivotante peut être constituée comme une lanterne de grue reposant sur une platine au sommet d'un fût fixe encastré dans la partie supérieure du pylône fixe et qui le prolonge, et être guidée latéralement en partie basse autour de ce fût. Dans ce cas la sensibilité du mécanisme de pivotement est très élevée. La structure pivotante peut aussi reposer sur une couronne de rouleaux autour de la base du fut fixe et n'être que guidée à son sommet. La structure pivotante peut encore se prolonger axialement à l'intérieur du pylône fixe par un fut plus ou moins long et pivoter sur une platine ou sur une couronne de rouleaux fortement soutenus. Dans ce dernier cas, un important flotteur cylindrique solidaire du fût pourra en offshore soulager la très importante charge supportée.

Avant leur immobilisation mécanique par des freins, il est déjà possible d'éviter le vent et même d'arrêter les rotors à pas fixe dans le lit du vent en réduisant le régime de rotation des alternateurs du même côté (A et C ou B et D) par exemple de 2500 à 2000 Tours minute. La modification des caractéristiques aérodynamiques de fonctionnement des deux rotors concernés crée alors un moment qui fait pivoter l'ensemble des quatre rotors. Le retour face au vent s'effectue de la même manière, un ou deux rotors agissant alors comme hélice motrice et créant un moment capable de ramener les quatre rotors face au vent. On utilise encore un autre moyen de pilotage en lacet, un ou plusieurs volets articulés sur le support pivotant et créant une dissymétrie de traînée et un moment de rotation.

La disposition amont / aval et aval / amont des quatre rotors autorise la superposition partielle-des disques balayés par ces rotors. Par ce moyen on peut réduire sensiblement les dimensions et la masse de la structure porteuse pivotante.

Il a été découvert au moyen d'essais en soufflerie qu'une superposition partielle de 1/5 à 1/6 des rayons de deux rotors contrarotatifs situés dans deux plans parallèles écartés d'environ 1/sème du diamètre d'un rotor procurait un gain de rendement total des deux rotors d'environ 3% à 5% par rapport au deux mêmes rotors isolés. Il est par ailleurs connu que le rendement de deux rotors contrarotatifs situés côte à côte et de part et d'autre d'un support axial cylindrique ou conique lisse est supérieur d'environ 10% à celui des deux même rotors isolés.

Selon une autre caractéristique de l'invention les quatre rotors de l'éolienne quadrirotor sont portés par une structure pivotante en forme générale d'étoile à quatre branches dont la forme géométrique, les proportions et les dimensions sont choisies afin que les quatre rotors fixés aux quatre sommets de la structure en étoile puissent se superposer partiellement de 1/6 à 1/5 de leur rayon. Selon cette caractéristique les rotors A et B sont disposés sensiblement tangentiellement et de part et d'autre du pylône axial fixe en vue frontale, les rotors A et C se superposent à distance, C et D se superposent également à distance ainsi que D et B. Le pylône axial fixe s'élève à partir du sol ou du fond marin sensiblement jusqu'à la hauteur des axes des rotors A et B. Ce pylône a de préférence une forme d'égale résistance du type tour Eiffel par exemple à huit pieds et huit faces triangulées. Il est fixé dans le sol par des pieux métalliques. Par ce moyen on réalise un support très stable et rigide en évitant l'emploi des grosses masses stabilisatrices en béton des éoliennes usuelles.

La structure pivotante est formée de plusieurs longues poutre échelles triangulées et entrecroisées. Cette structure sans câble ni suspente présente moins de risques de vibrations que celle de certains projets quadrirotors antérieurs.

Les membrures tubulaires des poutre échelles sont constituées de deux coquilles de tôle d'acier raidies intérieurement par des couples et des lisses. Il est souhaitable que les arbres, sensiblement parallèles entre eux des rotors soient fixés de manière très rigide à cette structure par exemple en étant tenus chacun par deux poutres échelles convergentes formant flèche porteuse.

Ces quatre flèches pourront chacune se porter en surplomb et s'éloigner de 1 à 10 de l'axe transversal imaginaire de l'éolienne quadrirotor, avec pour résultat d'augmenter la distance entre les plans des rotors aval et amont et d'éloigner l'extrémité des pales des membrures de la structure.

Les multiplicateurs du régime de rotation des rotors d'éoliennes sont en général constitués de plusieurs trains d'engrenages épicycloïdaux à planétaires très lourds et coûteux. On connaît aussi le multiplicateur à pignons dentés et à chaînes léger et peu coûteux de l'éolienne Danoise de GEDSER. Jusqu'à ce jour un multiplicateur à chaînes n'a pas semblé assez compact pour entrer dans la nacelle orientable fermée d'une grande éolienne monorotor.

Dans le cas d'une éolienne quadrirotor il est avantageux d'utiliser quatre multiplicateurs à chaîne externe pour constituer le premier étage de multiplication, par exemple dans un rapport de 1 X 6 et quatre nacelles fixées à la structure pivotante et désaxées contenant l'étage de multiplication rapide à engrenages dans un rapport par exemple de 1 à 12 accouplé à l'alternateur. Les quatre roues dentées qui sont solidaires des quatre moyeux des rotors peuvent avoir sans inconvénient par exemple un dixième de diamètre des rotors et être fabriquées de façon ajourée en alliage d'aluminium avec des dentures d'acier rapportées. Les Chaînes de grande résistance à la traction sont fabriquées en acier inoxydable ou en d'autres matériaux ayant des propriétés auto lubrifiantes. Ces moyens qui allègent la charge pivotante améliorent grandement la faisabilité d'une éolienne quadrirotor.

Un autre point spécifique de l'éolienne quadrirotor est la résistance mécanique des arbres des rotors qui peuvent être soumis à des efforts gyroscopiques lorsque le support pivote et que les rotors tendent à conserver leur orientation. Selon l'invention on emploie des arbres fixes et creux de forte section qui sont solidaire de la structure pivotante et participent à sa résistance. Comme on l'a vu, ces quatre arbres fixes sont horizontaux et peuvent former un angle de 1 à 10 par rapport à leur flèche porteuse. Les moyeux des rotors à pas fixe tournent librement sur des paliers autour des arbres fixes.

Selon une autre caractéristique de l'invention les quatre alternateurs sont refroidis par un circuit fermé d'air pulsé et les membrures tubulaires nervurées des poutre échelles font office de gaines d'air et d'échangeurs de chaleur entre l'air interne et l'extérieur.

Ces moyens et agencements énumérés mais non limitatifs sont spécifiquement adaptés à la réalisation d'éoliennes quadrirotors d'une puissance installée comprise par exemple entre 10 MW et 20 MW dont le taux d'installation électrique est d'environ 1250 W par mètre carré de surface balayée par un rotor. Dans cette gamme de puissance, le diamètre des rotors est compris entre 55m et 70m de diamètre.

L'invention est relative également à un parc éolien idéal réalisé par tranches successives, installé offshore à 10 ou 20 Km de la côte sur des fonds sensiblement horizontaux de 10 à 30m de profondeur. On installe des éoliennes quadrirotors de 20 MW chacune équipées de quatre rotors de 70m de diamètre et écartées les unes des autres par un espace de 7 fois le diamètre d'un rotor soit disposées tous les 500m.

On installe d'abord un centre technique relié à la côte par un câble sousmarin en courant alternatif ou continu. Dans ce centre se trouve toutes les facilités nécessaires au contrôle, à la maintenance et à la distribution de la production électrique. On installe une première tranche de 6 éoliennes soit 120 MW formant un hexagone de 500m de côté, puis une seconde tranche de 12 éoliennes totalisant 240 MW sur un hexagone concentrique de 1000m de côté, puis éventuellement une troisième tranche de 18 machines et 350MW et une quatrième de 24 et 480 MW. Sur cette base on peut créer un parc éolien de 60 éoliennes quadrirotor totalisant 1200 MW dans un périmètre hexagonal de 2000m de côté. Cette géométrie hexagonale est la plus favorable pour recevoir et exploiter les vents soufflant de toutes les directions. Cette centrale électrique éolienne sera associée de préférence à une unité électrique à turbines à gaz installée à terre et d'une puissance du quart par exemple, soit 300 MW, afin d'assurer à l'installation une puissance minimale garantie et prévisible.

Les éoliennes quadrirotors sont construites de préférence dans un chantier naval ou un site côtier spécialement aménagé comme chantier de construction. On amène d'abord sur une barge flottante le pylône couché puis il est coulé et redressé par une grue de grande capacité sur ponton. On amène sur une barge la structure pivotante et on la lève et la pose avec la même grue. Sont amenés ensuite séparément et successivement les nacelles et les rotors qui sont levés et assemblés au moyen de palans portés par la structure pivotante en l'absence de la grue. Ce levage est facilité par le fait que la barge qui amène les nacelles ou les rotors peut se positionner à l'aplomb et sous la structure pivotante.

Dans le cas d'une installation terrestre, surtout de sites mal desservis ou le transport d'éléments métalliques de grande taille est problématique le pylône fixe du quadrirotor est réalisé in situ en voile mince de béton armé selon une forme à double courbure d'égale résistance à base large et s'affinant vers le haut. Dans ce cas la structure pivotante est réalisée en tronçons courts transportables assemblés sur place tandis que la longueur limitée des pales entières ou en tronçons et la compacité des nacelles de masse réduite facilitent leur transport.

Certains éléments et détails de l'invention destinés au quadrirotor peuvent trouver une application ailleurs. Par exemple les transmissions à chaînes, les axes fixes, l'agencement du pylône et d'une structure orientable unique en poutre échelles et le refroidissement par air pulsé sont applicables à n'importe quelle éolienne birotor ou multirotor.

Au delà de leur application connue à des birotors, la disposition architecturale amont aval des rotors, leur contra rotation et les principes de synchronisation et de pilotage aérodynamique par les génératrices ou par volet peuvent permettre d'élaborer n'importe quelle éolienne multirotor à structure pivotante unique comprenant un nombre pair de rotor.

Les pales biplans à membrures de liaison vrillées décrites conviennent aussi à une éolienne monorotor classique à pas variable ou fixe.

Enfin, on pourra avantageusement déployer n'importe quel type d'éolienne, surtout en offshore selon la disposition hexagonale et concentrique décrite. On comprendra mieux l'invention en consultant la Description et les figures qui suivent.

La Figure 1 est une vue de face de l'éolienne quadrirotor.

La Figure 2 est une vue latérale de la partie orientable et des rotors de la même éolienne quadrirotor.

La Figure 3 est une vue de dessus de la même éolienne quadrirotor.

La Figure 4 est une vue schématique de détail en coupe frontale d'un agencement fixe du fut 17.

La Figure 5 est une vue schématique de détail en coupe frontale d'un agencement mobile du fût 17.

La Figure 6 est une vue en perspective de la structure pivotante 1 et de l'agencement des quatre rotors de l'éolienne quadrirotor.

La Figure 7 est une vue de détail et en perspective de l'agencement d'un des quatre rotors à l'extrémité d'une flèche de l'éolienne quadrirotor, précisément du rotor amont inférieur C 3, du mécanisme d'entraînement d'un alternateur, et d'un agencement du volet 46.

La Figure 8 est une vue en perspective d'une des pales biplanes 23 de l'éolienne quadrirotor.

La figure 9 est une vue schématique en coupe d'une section environ à mi longueur d'une pale biplane telle que 23.

La figure 10 est une vue de détail et en perspective d'une membrure vrillée 26 liant les 10 deux plans d'une pale biplane telle que 23.

La Figure 11 est une vue schématique axiale et de dessus de la même membrure vrillée 26. d'une pale biplane telle que 23.

La Figure 12 est une vue de détail et en perspective du crochet 261 liant les deux plans à l'extrémité d'une pale biplane telle que 23.

La Figure 13 est une vue d'ensemble en perspective d'un parc éolien 99 offshore constitué d'éoliennes quadrirotor et raccordé à la côte et à une centrale à gaz 74.

DESCRIPTION de l'EOLIENNE QUADRIROTOR

L'éolienne quadrirotor 70 se caractérise en premier lieu par son architecture générale et la disposition de ses quatre rotors et en second lieu par son mode d'orientation et de mise en sécurité dans le lit du vent qui permet l'usage de rotors à pas fixe et une meilleure exploitation des vents forts.

Les rotors 3, 4, 5 et 6 sont disposés sur deux étages au quatre sommets 8, 9, 10 et 11 d'une structure pivotante 1 en forme d'étoile à quatre branche formée par cinq poutre échelles 12, 13,14, 15 et 16 entrecroisées entre elles et avec un fût axial 17 fixe ou pivotant (figure 5 et 6).

Cette structure pivotante 1 est portée sur un pylône fixe 2 octopode de type Tour Eiffel à large base et s'affinant vers son sommet, qui a un profil d'égale résistance et dont chacun des huit pieds est fixé par un pieu 19 battu dans le sol. Dans une variante, et tout en conservant la même forme générale ce pylône fixe peut être réalisé en voile continu et mince de béton armé.

Ce pylône fixe 2 peut être surmonté d'un fût axial 17 solidaire de lui et pénétrant dans la structure pivotantel. La structure pivotante 1 peut alors soit être portée suspendue et tourner sur un appui tournant 211 situé au sommet du fût 17 et être guidée par des galets à axe verticaux 221 disposés autour de la base du fut 17, soit être portée au niveau de la poutre échelle 12 sur une couronne de rouleaux 220 disposée autour de la base du fût 17 et n'être alors que guidée au sommet du fût fixe à la place de 211.

Dans un autre cas, le fût axial 17 est solidaire de la structure pivotante 1 et pénètre de 15 à 30 m dans la partie supérieure du pylône fixe 2 pour prendre appui sur un appui tournant 210 fortement soutenu par le pylône fixe 2, et 17 est toujours guidé par des galets à axe verticaux 221.

Des électroaimants 20 à flux magnétique contrôlé par des bobinages sont situés entre le pylône fixe 2 et la structure pivotante 1 pour freiner et contrôler les oscillations en lacet de cette structure pivotante 1.

La structure pivotante 1 équilibrée autour de l'axe central 7 porte les quatre rotors A 3, B 4, C 5 et D 6 selon une configuration aval / amont à chaque étage. Cette disposition est inversée entre un étage et l'autre. Ainsi le rotor A 3 est en amont au premier étage, et le rotor B 4 en aval au premier étage, le rotor C 5 en aval au second étage et le rotor D 6 en amont du second étage.

Les rotors 3, 4, 5 et 6 sont tous de même diamètre par exemple 50m à 70m ou en tout cas de même diamètre à chaque étage et sont contrarotatifs deux à deux à un même étage et aussi par rapport au rotor de l'autre étage situé du même côté. Les rotors supérieurs C 5 et D 6 sont supra convergents et les rotors inférieurs A 3 et B 2 sont supra divergents.

Les quatre moyeux 29, 30, 31 et 32 des quatre rotors 3,4,5 et 6 tournent chacun sur un palier autour de leur arbre horizontal fixe 33, 34, 35 ou 36. Ces arbres fixes situés aux sommets 8, 9, 10 et 11 sont sensiblement parallèles entre eux, solidaires de la structure pivotante 1 et chacun d'eux est tenu rigidement par deux poutre échelles convergentes: 8 est tenu par 12 et 15, 9 est tenu par 12 et 16, 10 par 13 et 16 et 11 par 14et15.

Les quatre rotors 3, 4, 5 et 6 tournent donc dans des plans sensiblement parallèles, soit deux plans principaux, le premier commun aux rotors A 3 et D 6 amont et l'autre commun aux rotors aval B 4 et C 5, soit dans quatre plans distincts, deux étant en aval et deux autres en amont de 1.

Afin d'éloigner l'extrémité des pales 23 des rotors 1, 2, 3 et 4 de la structure 1, chaque poutre échelle 12,13, 14, 16 et 16 peut tendre à s'éloigner vers son extrémité de l'axe horizontal imaginaire 18 de 1 à 7 pour augmenter le surplomb du rotor 1, 2, 3, ou 4. Cet angle accroît aussi la distance entre plans aval et plans amont. Il s'ensuit que chacune des poutre échelles forme un angle supérieur à 90 avec l'arbre fixe 33, 34, 35, ou 36 qu'il porte afm que ce dernier soit bien horizontal.

Les disques des rotors inférieurs 3 et 4 sont sensiblement tangentiels au pylône fixe 2 tandis que la distance qui sépare les axes fixes 35 et 36 de l'étage supérieur, 33 et 35 du côté bâbord et 34 et 36 de l'autre côtétribord, identique, n'est égale environ qu'aux 4/5 ou aux 5/6 du diamètre d'un rotor tel que 3. Il s'ensuit que les disques balayés des rotors C 5 et D 6, A 3 et C 5 et B 4 et D 6 se superposent partiellement en vue frontale d'environ 1/5 à 1/6 du rayon d'un rotor. Ce chevauchement réciproque des disques est facilement réalisé grâce à la distance entre plans aval et amont qui supprime tout risque de voir les pales se heurter.

Les quatre alternateurs 41, 42, 43 et 44 ont une puissance installée d'environ 1250 Watts par m2 de surface balayée par les rotors soit 5 MW par rotor de 70m de diamètre et 20 MW en tout par éolienne quadrirotor 70, dont la puissance nominale est obtenue à une vitesse de vent de 17 mlseconde environ. Tous les alternateurs amont 41 et 43 comme aval 42 et 44 tournent pourtant dans le même sens du fait de la contra rotation des rotors apparente en vue frontale.

Les alternateurs 41, 42, 43 et 44 sont logés dans des gondoles closes et solidement assujettis aux poutre échelles, 12 et 15 dans le cas de 41, dans une position excentrée par rapport aux arbres fixes 33, 34, 35 et 36. Chaque alternateur 41, 42, 43 ou 44 est accouplé à son rotor 3, 4, 5, ou 6 via une boîte d'engrenages multiplicateurs à planétaires 40 mue par un pignon denté 38 entraîné par une chaîne 39 transmettant la force d'un autre pignon denté de plus grand diamètre 37 dont la forme est celle d'une roue ajourée 45 et qui tourne autour de l'arbre fixe 33, 34, 35 ou 36 solidairement avec le moyeu 29, 30, 31 ou 32 de chaque rotor 3, 4, 5 ou 6. Les quatre ensembles de pignons 37 et 38 constituent un premier étage multiplicateur, 37 ayant un diamètre d'environ 5% à 10% de celui d'un rotor tel que 3 et six fois supérieur à celui de 39.

Les alternateurs 41, 42, 43 et 44 sont à vitesse variable et ils sont refroidis par la circulation d'air pulsé à l'intérieur de la structure pivotante 1, les membrures des poutre échelles 12, 13, 14, 15 et 16 jouant le rôle d'échangeurs de chaleur entre l'air intérieur à 1 et l'extérieur. Ce système refroidit aussi les boites d'engrenages 40, les freins, etc...

La transmission à pignons dentés 37 et 38, à chaînes 39 et à planétaires 40 fonctionne dans les deux sens, transmettant à 41 l'énergie des rotors ou bien permettant aux alternateurs 41 d'entraîner les rotors 3, 4, 5 et 6 tous ensemble ou séparément.

Il résulte de la configuration de la structure pivotante 1 et du montage aval / amont des rotors 3, 4, 5 et 6, de leur transmissions 37, 38, 39 et 40 et de leurs alternateurs 41 que toutes les masses des parties mobiles de 70 s'équilibrent sur l'axe vertical 7 et sur les appuis tournants 210, 211 ou sur la couronne de rouleaux 220. Rotors 3, 4, 5 et 6 arrêtés et pales 23 placées dans une position symétrique bâbord / tribord par rapport à 7, la traînée aérodynamique de cet ensemble pivotant et aussi du fût 17 est également équilibrée sur l'axe vertical 7, et l'ensemble s'oriente naturellement et en permanence face au vent.

Cet équilibre aérodynamique est maintenu en fonctionnement normal de l'éolienne quadrirotor 70 par la synchronisation des quatre alternateurs 41, 42, 43 et 44 qui amène les rotors 3, 4, 5 et 6 à tourner aussi de façon synchronisée et contrarotative en vue frontale et à présenter constamment une envergure symétrique quoique variable puisque toujours centrée sur l'axe 7. A tous les régimes de fonctionnement les rotors 3, 4, 5 et 6 dont les couples se neutralisent et la structure 1 s'orientent donc naturellement et en permanence face au vent, ces mouvements en lacet pouvant cependant être contrôlés, freinés voire interdits par le flux magnétique contrôlé dans les bobinages des électroaimants 20 placés entre le pylône fixe 2 et la structure pivotants 1.

L'équilibre aérodynamique est conservé avec une vitesse de rotation des alternateurs 41 et des rotors différents d'un étage à l'autre mais identique à un même étage par exemple A 3 et B 4 synchronisés et C 5 et D 6 synchronisés. Toute rupture de la symétrie aérodynamique bâbord / tribord sur l'axe vertical 7 par exemple un défaut de synchronisation des alternateurs 41 et donc la modification de la traînée des rotors mène la structure pivotante 1 et les rotors 3, 4, 5 et 6 à se mettre de travers par rapport à la direction du vent. On peut aussi commander la désynchronisation d'un ou de plusieurs alternateurs 40 pour orienter la structure 1 ainsi que les rotors 3, 4, 5 et 6 par rapport à la direction du vent ou bien en l'absence de vent, par exemple en utiliseant un ou deux rotors comme hélices motrices produisant un couple.

Au moins un volet articulé 46 d'une surface alaire correspondant par exemple à 2% de la surface balayée par un rotor tel que 3 est positionné près de l'extrémité d'une des poutre échelles 12, 13, 14, 15 ou 16, de préférence près d'un rotor amont et aussi loin que possible de 7, par exemple sur la poutre échelle 15. Ce volet profilé n'engendre pas en fonctionnement normal de 70 de traînée aérodynamique mais peut être déployé sur commande ou automatiquement par exemple en pivotant autour de son axe central 48 sous l'action par exemple d'un vérin pneumatique 47 ou bien de ressorts afin d'offrir une prise au vent maximale. Par vent suffisant, la traînée du volet 46 plus ou moins déployé peut obliger la structure pivotante 1 et les rotors 3, 4, 5 et 6 arrêtés ou en fonctionnement à prendre une position partiellement ou totalement de travers par rapport à la direction du vent. Maintenu déployé à fond, le volet 46 agit comme dérive et peut maintenir les rotors 3, 4, 5 et 6 et la structure pivotante 1 complètement dans le lit du vent en position de sécurité, toujours à 90 de sa direction changeante.

Dans cette position de sécurité dite de mise à la cape par analogie avec la navigation, les rotors à pas fixe 3, 4, 5 et 6 sont effacés et leurs pales 23 offrent une prise minimale au vent.

le volet 46 peut fonctionner de manière autonome indépendamment de l'alimentation électrique de l'éolienne quadrirotor 70. Le déploiement de 46 pour faire pivoter 1, 3, 4, 5 et 6 en position de sécurité se déclenche par exemple en cas de survitesse, de tornade, d'incident quelconque ou de décrochage du réseau et sera accompagné d'une interruption du flux magnétique des électroaimants 20 qui pourraient contrecarrer son action.

Les rotors 3, 4, 5 et 6 à pas fixe de l'éolienne quadrirotor 70 sont normalement tripales mais peuvent aussi être bipales et sont de préférence quoique de façon non limitative équipés de pales biplanes 23. Deux versions de cette pale biplane 23, exact miroir l'une de l'autre mais à part cela rigoureusement identiques équipent les rotors 3 et 6 d'une part et 4 et 5 d'autre part selon que ces rotors tournent dans le sens ou en sens inverse des aiguilles d'une montre et il en irait de même pour quelque type de pale par exemple monoplane classique dont on veuille équiper l'éolienne quadrirotor 70, et dont le profil peut être du type NACA 23.021 Une pale biplane 23 est constituée de deux plans profilés aval 24 et amont 25 effilés et vrillés sensiblement identiques se réunissant l'un à l'autre au pied de pale 262 et reliés entre eux par un crochet 261 d'extrémité de pale ainsi que par plusieurs membrures inclinées 26. Ces membrures 26 au nombre par exemple de trois sont profilées vrillées. C'est à dire que le profil d'extrémité de chaque membrure 26 qui joint l'intrados du plan aval 24 forme un angle de plus ou moins 92 95 ou plus avec le bord d'attaque de 24 et n'est donc pas perpendiculaire à lui, tandis que le profil de l'autre extrémité de chaque membrure 26 qui joint l'extrados du plan amont 24 forme également avec le bord d'attaque du plan amont 25 un angle du même ordre mais inverse, comme cela se voit en regardant axialement une membrure 26.

Ce vrillage et les profils des membrures 26 sont conçus pour épouser en régime de rotation normale d'un rotor tel que 3 la direction de l'écoulement de l'air différente sur l'extrados du plan amont 25 et l'intrados du plan aval 24 et aussi, au delà d'une vitesse d'écoulement de l'air de 70 m/s pour générer une importante traînée turbulente qui s'oppose à l'emballement des rotors 3, 4, 5 ou 6.

Le profil 27 du plan aval 24 et celui 28 du plan amont 25 peuvent être identiques par exemple biconvexes du type laminaire, dont l'épaisseur est située à 40% de la corde par exemple NACA 65.213, ou du type laminaire supercritique GA 8(W-1) de la NASA. A une section donnée de la pale 23, ces plans 24 et 25 peuvent avoir un calage différent par exemple de 1 ou plus de telle sorte que leur décrochage aérodynamique ne se produise pas au même moment.

Chaque pale biplane 23 peut être monobloc ou bien est constituée de deux tronçons ou plus, solidement assemblés entre eux selon des découpes en S 231 par exemple au moyen de tringles. Chacun de ces tronçons de la pale 23 peut comprendre une partie du plan amont 25, une partie du plan aval 24 et tout ou partie d'une ou plusieurs membrures de liaison 26. Le crochet d'extrémité 261 peut aussi former un tronçon de 23.

Les éoliennes quadrirotors 70 par exemple de 20 MW chacune seront installées en parc terrestre ou préférablement offshore 99 comprenant de 6 à 60 éoliennes quadrirotors 70 disposées à intervalles réguliers d'une distance égale à sept fois le diamètre d'un rotor 3 de l'éolienne 70 par exemple 500m, selon un hexagone central 50 et d'autres hexagones concentriques 51 et connectées par un réseau 72 constitué de six quartiers à un centre technique 71 de commandement et de maintenance d'ou part la ligne 73 de raccordement du parc 99 à la côte et au réseau électrique terrestre.

Une ou plusieurs turbines à gaz 74 sont basées à terre et placées sous une direction commune au parc 99. Cette unité 74 d'une puissance totale environ égale à 1/5 de celle du parc 99 génère à la demande un appoint de production électrique. La synergie du parc 99 et des turbines 74, leur souplesse d'emploi et leur grande réactivité permettent de lisser le productif des éoliennes 70, aident à remplir les engagements de productif à six minutes, garantit une production minimale en cas de calme ou permet utilement de répondre à une pointe imprévue de la demande du réseau.

Claims (28)

REVENDICATIONS

1) Eolienne quadrirotor du type selon lequel quatre rotors, non coaxiaux et tournant dans des plans sensiblement parallèles sont fixés sur une structure (1) commune pivotante à axe vertical qui est portée sur un pylône fixe (2), et caractérisée en ce que deux des rotors seulement tels que A (3) et D (6) sont fixés en amont de la structure pivotante (1) et que les deux autres rotors seulement tels que B (4) et C (5) sont fixés en aval de cette structure pivotante (1), que les quatre rotors A (3),B (4), C (5) et D (6) sont disposés sur deux étages et selon une configuration inversée à chaque étage, par exemple amont / aval à un étage et aval / amont à l'autre étage, que l'ensemble des quatre rotors est équilibré sur l'axe de pivotement vertical (7), que cet ensemble s'oriente naturellement face à la direction du vent et qu'il peut être désorienté sur commande ou automatiquement par des moyens aérodynamiques.

2) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux rotors du premier étage tels que A (3) et B (4) sont contrarotatifs, par exemple supra divergents et que les deux rotors C (5) et D (6) du deuxième étage sont contrarotatifs et supra convergents et que selon ces sens de rotation, les quatre rotors sont contrarotatifs deux à deux horizontalement et verticalement.

3) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que les quatre rotors sont agencés et tournent selon une des quatre configurations suivante 1 A en amont B en aval supra convergent C en aval D en amont supra divergents 2 A en amont B en aval supra divergent C en aval D en amont supra convergent 3 A en aval B en amont supra convergent C en amont D en aval supra divergent 4 A en aval B en amont supra divergent C en amont D en aval supra convergent

4) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,2, et 3 caractérisée en ce que les quatre rotors A (3), B (4), C (5) et D (6) sont fixés au quatre sommets (8), (9), (10) et (Il) d'une structure pivotante métallique en forme d'étoile à quatre branches constituée principalement par l'entrecroisement de cinq poutre échelles (12), (13), (14), (15) et (16) et d'un fut vertical (17).

5) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,2,3 et 4 caractérisée en ce que les rotors qui sont en amont de la structure pivotante par exemple A (3) et D (6) tournent sensiblement dans un même plan, et les deux rotors qui sont en aval par exemple B (4) et C (5) tournent sensiblement dans un autre plan, que les plans de rotation sensiblement parallèles des rotors A (3), B (4), C (5) et D (6) forment chacun un angle de 1% à 7% avec la ou les poutres qui les portent chacun, et que chacune de ces poutres s'éloigne vers son extrémité de l'axe imaginaire transversal (18).

6) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisée en ce que les disques balayés des deux rotor A (3) et B (4) de l'étage inférieur sont sensiblement tangentiels au pylône fixe (2) tandis que la distance séparant les axes (33) et (35) des rotors A (3) et C (5) du côté bâbord, (34) et (36) des rotors B (4) et D (6) du côté tribord et (35) et (36) des rotors C (5) et D (6) de l'étage supérieur, identique, n'est égale qu'aux 4/5 ou aux 5/6 du diamètre d'un rotor 3, 4, 5 ou 6 et que les disques balayés de A (3) et C (5) , B (4) et D (6) et C (5) et D (6) se recouvrent donc partiellement en vue frontale.

7) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 4 caractérisée en ce que la structure mobile pivotante (1) est portée par un pylône fixe (2) en charpente métallique dont la base est polygonale et qui a un profil d'égale résistance de type tour Eiffel, et que ce pylône(2) est fixé par des pieux (19) dans le sol ferme ou dans le fond marin.

8) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 4 dont le pylône fixe (2) a une géométrie à double courbure et profil d'égale résistance et est réalisé en béton armé.

9) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 4 caractérisée en ce que des électroaimants (20) à flux magnétique contrôlé par des bobinages sont situés entre le pylône fixe (2) et la structure pivotante (1) et que ces électroaimants (20) permettent de freiner et d'amortir les oscillations en lacet de cette structure pivotante (1) et des quatre rotors (3), (4), (5) et (6).

10) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,4,7 et 8 caractérisée en ce que le fùt (17)) solidaire de (1) pénètre de 15 à 30m dans le pylône fixe (2) et pivote sur un appui tournant (210), ou bien que (17) fixe est solidaire du pylône (2) auquel cas la charge de (1) repose et pivote soit au sommet de (17) sur un appui tournant (211) soit autour de la base de (17) sur une couronne de rouleaux (220), (1) étant toujours guidée par des galets à axe verticaux (221) placés par exemple au sommet de (2).

11) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1 caractérisée en ce que les quatre rotors tels que A (3), B (4), C (5) et D (6) sont de type bipale ou tripale à pas fixe.

12) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 11 caractérisée en ce que les pales (23) de ses rotors 3, 4, 5 et 6 sont du type biplane, que chaque pale (23) est constituée de deux plans profilés, effilés et vrillés aval (24) et amont (25) reliés entre eux au pied de pale (262), par un crochet à l'extrémité de la pale (261) et par des membrures (26) et que le vrillage et les profils de ces membrures (26) sont conçus pour épouser l'écoulement de direction différente sur l'intrados de 24 et sur l'extrados de 25 en fonctionnement normal et pour générer une traînée turbulente importante s'opposant à l'emballement des rotors à partir d'une vitesse d'écoulement de 70m/s.

13) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,11 et 12 caractérisée en ce que les profils (27) et (28) des plans (24) et (25) sont biconvexes, du type laminaire dont l'épaisseur maximale est située à 40% de la corde par exemple NACA 65.213, ou du type laminaire supercritique GA 8(W-1) de la NASA.

14) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 11 caractérisée en ce que les pales monoplanes, vrillées et effilées de ses rotors ont un profil du type NACA 23.021.

15) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,11 et 12 caractérisée en ce que les plans (24) et (25) d'une même de ses pale biplans (23) ont entre eux à une section donnée de la pale (23) un calage différent par exemple de 1 et que (23) est formée de tronçons transportables séparément selon des découpes en S (231) coupant le pied de pale (262), le plan aval (24), amont (25), les membrures (26) ou le crochet (261) .

16) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,2 et 3 caractérisée en ce que les deux rotors amont et aval par exemple A (3) et B (4) d'un même étage peuvent fonctionner isolément des deux rotors à l'arrêt par exemple C (5) et D (6) de l'autre étage et que l'ensemble pivotant (1), (3), (4), (5) et (6) reste équilibré et manoeuvrable.

17) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1,2,3 et 16 caractérisée en ce que les régimes de rotation des rotors d'un étage par exemple A (3) et B (4) et de l'autre étage par exemple C (5) et D (6) peuvent être différenciés et que l'ensemble (1), (3), (4), (5) et (6) reste équilibré et manoeuvrable.

18) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1 et 11 caractérisée en ce que les quatre moyeux (29), (30), (31) et (32) des quatre rotors tournent sur des paliers autour de quatre arbres horizontaux fixes (33), (34),(35) et (36) sensiblement parallèles entre eux et solidaires de la structure pivotante (1).

19) Eolienne quadrirotor selon les revendications 1 et 18 dont les quatre rotors (3), (4), (5) et (6) sont accouplés à quatre alternateurs tels que (41) à régime de rotation variable par le moyen de quatre transmissions à pignons dentés (37) et (38) à chaînes (39) et quatre boîtes d'engrenages (40).

20) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1, 18 et 19 caractérisée en ce que les pignons dentés (37) coaxiaux aux rotors (3), (4), (5) et (6) ont la forme d'une roue ajourée (45) d'un diamètre de 5% à 10% de celui des rotors.

21) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1 et 4 dont les quatre alternateurs tels que (41) sont refroidis par un circuit d'air pulsé circulant à l'intérieur des poutre échelles (12), (13), (14), (15) et (16) dont les membrures nervurées intérieurement et éventuellement extérieurement servent d'échangeur de chaleur à air de grande surface.

22) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1 caractérisée en ce que sa puissance électrique installée est d'environ 1250 W par m2 de surface balayée par les rotors et que sa puissance nominale est obtenue par vent de 17 m/seconde environ.

23) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1,16 et 17 caractérisée en ce que les plans des quatre rotors (3), (4), (5) et (6) s'orientent naturellement face à la direction du vent lorsque le régime de rotation des quatre alternateurs (41), (42), (43) et (44) est synchronisé ou bien le même à chaque étage.

24) Éolienne quadrirotor selon la revendication 1, 16 et 17 caractérisée en ce que le système de sécurité et de sauvegarde des quatre rotors à pas fixe (3), (4), (5) et (6) consiste à faire pivoter sur son axe (7) la structure (1) d'environ 90 et à mettre les plans de rotation de (3), (4), (5) et (6) de travers par rapport à la direction du vent, par exemple en modifiant électriquement le régime de rotation d'un alternateur (41), (42) , (43) ou (44) et de son rotor (3),(4),(5) ou (6).

25) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1 et 24 caractérisée en ce qu'en l'absence d'alimentation électrique, la structure (1) pivote d'environ 90 sur l'axe (7) et que les plans de rotation des rotors (3), (4), (5) et (6) se mettent de travers par rapport à la direction du vent et sont maintenus dans cette position de sécurité par la traînée aérodynamique d'au moins un volet articulé (46), que (46) est articulé à l'une des poutre échelles (12), (13), (14), (15) ou (16) et actionné par exemple par un vérin pneumatique (47) ou des ressorts, et bascule par exemple autour de son axe central (48) pour former dérive.

26) Eolienne quadrirotor selon la revendication 1,16,17 et 24 caractérisée en ce que la structure (1) et les quatre rotors (3), (4), (5) et (6) en position neutre de sauvegarde, sont ramenés en position de fonctionnement face à la direction du vent en actionnant électriquement au moins un alternateur (41), (42), (43) ou (44) entraînant un rotor (3), (4), (5) ou (6) qui agit alors comme hélice motrice.

27) Eoliennes quadrirotors (70) selon la revendication 1 d'une puissance totale de 10 MW à 20 MW et dont les rotors tels que (3) ont un diamètre de 50m à 70m environ.

28) Parc éolien (99) offshore ou terrestre d'une puissance installée de 120 à 1200 MW caractérisé en ce qu'il comporte de 6 à 60 éoliennes quadrirotors (70) selon l'une des revendications 1 à 27 dont l'espacement (77) est d'environ sept fois le diamètre de l'un des rotors (3), lesdites éoliennes étant réparties sur un réseau d'interconnexion (72) selon un hexagone central (50) et un nombre variable d'hexagones concentriques (51) autour d'un centre technique commun (71) de raccordement électrique à la côte (73), de télécommande et de maintenance, et en ce que le parc (99) de 1200MW s'inscrit à l'intérieur d'un hexagone (51) de 2 Km de côté.