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FR3152486A1 - Set comprising a floating structure, a wind turbine and means of motorizing it - Google Patents

Set comprising a floating structure, a wind turbine and means of motorizing it Download PDF

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FR3152486A1
FR3152486A1 FR2309328A FR2309328A FR3152486A1 FR 3152486 A1 FR3152486 A1 FR 3152486A1 FR 2309328 A FR2309328 A FR 2309328A FR 2309328 A FR2309328 A FR 2309328A FR 3152486 A1 FR3152486 A1 FR 3152486A1
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wind
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Eolink
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Abstract

L’invention concerne un ensemble (1) flottant pour la production d’énergie électrique comprenant une structure flottante (10) reliée une bouée (20) à l’aide d’au moins une liaison souple (30), des moyens (40) reliés à la bouée (20) pour ancrer ladite structure flottante (10) à un fond marin (5), une éolienne (100) comportant une structure porteuse (110) supportant une hélice (120) tournant autour d’un axe de rotation (XX’), et des moyens (60 ; 70) de détermination de l’un au moins des paramètres suivants parmi la direction du vent, la vitesse du vent, le sens du courant marin et la vitesse du courant marin, caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens (128) pour motoriser l’hélice (120) afin de faire tourner son rotor (126) dans un sens de rotation ou dans le sens opposé, des moyens (50) pour mesurer la distance d’éloignement D entre la structure flottante (10) et un axe de rotation verticale (ZZ’) de la bouée (20), des moyens (80) pour mettre en route les moyens (128) de motorisation et faire tourner son rotor (126 ) afin d’éloigner la structure flottante (10) de ladite bouée (20) lorsque ladite distance d’éloignement D mesurée par le capteur de distance (50) est inférieure à un seuil déterminé. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 The invention relates to a floating assembly (1) for producing electrical energy comprising a floating structure (10) connected to a buoy (20) using at least one flexible connection (30), means (40) connected to the buoy (20) for anchoring said floating structure (10) to a seabed (5), a wind turbine (100) comprising a supporting structure (110) supporting a propeller (120) rotating about an axis of rotation (XX'), and means (60; 70) for determining at least one of the following parameters among the wind direction, the wind speed, the direction of the sea current and the speed of the sea current, characterized in that it further comprises means (128) for motorizing the propeller (120) in order to rotate its rotor (126) in one direction of rotation or in the opposite direction, means (50) for measuring the separation distance D between the floating structure (10) and a vertical rotation axis (ZZ’) of the buoy (20), means (80) for starting the motorization means (128) and rotating its rotor (126) in order to move the floating structure (10) away from said buoy (20) when said separation distance D measured by the distance sensor (50) is less than a determined threshold. Figure for the abstract: Fig. 1

Description

Ensemble comportant une structure flottante, une éolienne et des moyens de motorisation de celle-ciAn assembly comprising a floating structure, a wind turbine, and means of propelling it. Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention

La présente invention concerne un ensemble flottant comportant au moins une structure flottante reliée à une bouée immergée à l’aide d’au moins une liaison souple, des moyens liés à la bouée immergée pour ancrer ladite structure flottante à un fond marin et une éolienne montée sur la structure flottante et comportant une hélice reliée à un rotor tournant sur lui-même autour d’un axe de rotation.The present invention relates to a floating assembly comprising at least one floating structure connected to a submerged buoy by means of at least one flexible link, means connected to the submerged buoy for anchoring said floating structure to a seabed and a wind turbine mounted on the floating structure and comprising a propeller connected to a rotor rotating on itself around an axis of rotation.

Face au réchauffement climatique et à la raréfaction des ressources fossiles, sujet de plus en plus prégnant et d’actualité, la majorité des grandes puissances mondiales ont décidé d'introduire comme alternative une part croissante d'énergies renouvelables dans leur politique énergétique. Il en résulte que l'énergie éolienne figure parmi les deux sources d'énergie connaissant la plus forte progression en termes de puissance installée annuellement.Faced with climate change and the depletion of fossil fuel resources, an increasingly pressing and topical issue, most of the world's major powers have decided to introduce a growing share of renewable energies into their energy policies. As a result, wind power is among the two energy sources experiencing the strongest growth in terms of installed capacity annually.

De manière connue, une éolienne comporte un mât solidaire d’un socle (fondations en béton) et dressé vers le haut sur lequel est montée une nacelle de turbine pourvue d’un moyeu et d'une hélice à plusieurs pales (en général trois disposée à 120°l’une de l’autre). Ce système mécanique est complété par une unité de transformation du mouvement de rotation de l'hélice en un courant électrique comportant notamment un frein, un multiplicateur, un générateur/alternateur, un transformateur et des câbles pour son couplage au réseau électrique. Les éoliennes sont généralement implantées dans les champs (cultivés ou non) ou dans des espaces dédiés, et sont le plus souvent rassemblées sous forme de fermes éoliennes.A wind turbine typically consists of a tower attached to a base (concrete foundation) and rising upwards. A turbine nacelle is mounted on this tower. The nacelle contains a hub and a multi-bladed propeller (usually three blades arranged at 120° intervals). This mechanical system is complemented by a unit that converts the propeller's rotational motion into an electrical current. This unit includes components such as a brake, a gearbox, a generator/alternator, a transformer, and cables for connection to the electrical grid. Wind turbines are generally installed in fields (cultivated or uncultivated) or in designated areas, and are most often grouped together in wind farms.

Toutefois, habiter à proximité de ces champs d’éoliennes présente de nombreux inconvénients pour les riverains. Tout d'abord, les éoliennes génèrent un bruit lors de leur fonctionnement. Ce bruit est notamment dérangeant lorsque les éoliennes fonctionnent la nuit pendant que les riverains souhaitent dormir. Par ailleurs, bien que des efforts aient été déployés pour les rendre esthétiques, les éoliennes forment une masse importante pouvant dénaturer le paysage et faire fuir la faune environnante. En outre, l'espace nécessaire pour l'implantation d'une éolienne terrestre peut s’évérer important. Ainsi, il peut être impossible d'implanter une éolienne terrestre à certains endroits, ou bien une limite du nombre d'éoliennes terrestres implantées peut être imposée au détriment de la capacité de production électrique.However, living near these wind farms presents numerous drawbacks for residents. First, wind turbines generate noise during operation. This noise is particularly disruptive when the turbines are running at night while residents are trying to sleep. Furthermore, although efforts have been made to make them more aesthetically pleasing, wind turbines form a significant mass that can detract from the landscape and drive away local wildlife. In addition, the space required for installing a land-based wind turbine can be substantial. Therefore, it may be impossible to install a land-based wind turbine in certain locations, or a limit may be imposed on the number of turbines installed, thus reducing electricity production capacity.

Pour limiter les nuisances sonores et visuelles aux riverains, et améliorer les capacités de production électrique, la construction de fermes éoliennes offshore est en plein essor aux quatre coins du globe suite à la mise en place de politiques publiques favorisant les énergies renouvelables. Cet intérêt porté aux installations offshore s'explique notamment, mais pas seulement, par la plus grande force et la plus grande régularité du vent en mer (au large), qui permettent un rendement théorique total supérieur (facteur de charge bien plus élevé, de l’ordre de 40% alors qu’il atteint en général environ 30% en éolien terrestre) et potentiellement un meilleur retour sur investissement.To limit noise and visual pollution for local residents and improve electricity production capacity, the construction of offshore wind farms is booming worldwide following the implementation of public policies promoting renewable energy. This interest in offshore installations is explained in particular, but not exclusively, by the greater strength and consistency of wind at sea, which allows for a higher total theoretical yield (a much higher capacity factor, around 40%, compared to the average of about 30% for onshore wind power) and potentially a better return on investment.

Il existe peu de différences technologiques entre une éolienne terrestre et une éolienne offshore. En effet, les éléments qui composent l’éolienne en tant que telle (sans son support donc) restent sensiblement identiques, seule une résistance accrue à la corrosion en milieu marin est requise pour l’offshore. Celle-ci est notamment obtenue grâce à une protection plus efficace des éléments intérieurs et au revêtement appliqué sur les éléments extérieurs. L’augmentation de l’épaisseur des matériaux composant le mât est également un moyen de lutter contre les agressions régulières des vagues et du courant. De plus, alors qu’une éolienne terrestre est le plus souvent limitée à 3,5-5 MW, une éolienne offshore peut fournir facilement 8-10 MW, voire 12-15 MW pour des modèles très récents. En effet, ceci est possible en raison de la qualité du vent que l’offshore permet d’atteindre, c’est-à-dire un vent plus fort, plus régulier, avec un écoulement laminaire qui n’est pas perturbé par d’éventuels reliefs. Il est même envisagé d’aller plus loin, toujours dans le but d’augmenter la compétitivité de l’éolien offshore sur le marché de l’énergie. Il existe ainsi à e jour trois grands types d'éoliennes marines.There are few technological differences between a land-based and an offshore wind turbine. In fact, the components of the turbine itself (excluding its support structure) remain essentially the same; only increased corrosion resistance in a marine environment is required for offshore turbines. This is achieved primarily through more effective protection of the internal components and the coating applied to the external parts. Increasing the thickness of the materials used in the tower also helps to combat the regular stresses of waves and currents. Furthermore, while a land-based wind turbine is most often limited to 3.5-5 MW, an offshore wind turbine can easily provide 8-10 MW, or even 12-15 MW for very recent models. This is possible due to the quality of wind that offshore wind turbines can achieve: stronger, more consistent wind with laminar flow that is not disrupted by any topography. There are even plans to go further, always with the aim of increasing the competitiveness of offshore wind power in the energy market. Currently, there are three main types of offshore wind turbines.

Le premier type concerne les éoliennes marines dites classiques, ou posées, c'est-à-dire les éoliennes telles que celles qui sont implantées sur terre, mais qui sont légèrement modifiées pour pouvoir être implantées en mer. Les plus connues d’entre elles sont constituée d’un mat fixe de plusieurs dizaines de mètres (jusqu’à 150 m voire au-delà) relié aux fonds marins et supportant trois pales entrainées par les vents du large ou côtiers pouvant mesurer chacune plus de 100 m de longueur. La direction du vent pouvant changer, ce premier type d'éolienne marine comprend une turbine montée en règle générale mobile sur un mât de manière à s'adapter à la direction du vent. Or, la turbine constitue un poids important en haut de l'éolienne, ce qui engendre un bras de levier considérable et peut provoquer d'importantes contraintes de basculement. Il est donc nécessaire de prévoir une structure d'ancrage de l'éolienne devant résister aux contraintes liées à la fois à la force du vent et au poids de la turbine. A ce jour, la majorité des éoliennes marines est posée sur le fond marin. Le mât de ce premier type d’éoliennes offshore repose donc le plus souvent soit sur un tube métallique profondément enfoncé dans le sous-sol sous-marin (éolienne mono-pieu), soit sur un socle (béton gravitaire) constitué d’une large structure posée sur le fond marin ou soit (plus rarement) sur une structure métallique en treillis appelée « jacket » reposant au sol. Les éoliennes marines de ce premier type sont généralement très lourdes et leur installation, notamment celle de la structure d'ancrage, peut être longue, coûteuse et fastidieuse, notamment en fonction des conditions météorologiques. En effet, pour une éolienne de 8MW la longueur de pénétration dans le sol marin du mono-pieu peut dépasser les 30 mètres pour un diamètre de pieu d’environ 8-10 m. En ce qui concerne la fondation gravitaire, il peut être nécessaire de couler plus de 2000 tonnes de béton, à plusieurs dizaines de mètres de profondeur, avec une emprise au sol de plusieurs dizaines de mètres de diamètre (environ 50-60 mètres pour une éolienne de 8 MW).The first type concerns conventional or fixed offshore wind turbines, meaning turbines similar to those installed on land, but slightly modified for use at sea. The most well-known of these consist of a fixed mast several tens of meters high (up to 150 m or even more) anchored to the seabed and supporting three blades driven by offshore or coastal winds. Each blade can be over 100 m long. Since wind direction can change, this first type of offshore wind turbine includes a turbine, generally mounted on a movable mast to adapt to the wind direction. However, the turbine represents a significant weight at the top of the turbine, which creates a considerable lever arm and can cause significant tilting stresses. Therefore, it is necessary to design an anchoring structure for the turbine that can withstand the stresses related to both the wind force and the weight of the turbine. To date, the majority of offshore wind turbines are installed on the seabed. The tower of this first type of offshore wind turbine therefore most often rests either on a metal tube driven deep into the seabed (single-pile turbine), or on a foundation (gravity-bearing concrete) consisting of a large structure placed on the seabed, or (more rarely) on a metal lattice structure called a "jacket" resting on the seabed. These first-type offshore wind turbines are generally very heavy, and their installation, particularly that of the anchoring structure, can be lengthy, costly, and complex, especially depending on weather conditions. Indeed, for an 8MW wind turbine, the penetration depth of the single pile into the seabed can exceed 30 meters for a pile diameter of approximately 8-10 meters. Regarding the gravity foundation, it may be necessary to pour more than 2000 tons of concrete, several tens of meters deep, with a footprint of several tens of meters in diameter (approximately 50-60 meters for an 8 MW wind turbine).

Ces éoliennes présentent cependant un rendement énergétique qui n’est pas optimisé. En effet, la technique de l’éolienne offshore posée, n’est pas viable économiquement dans des eaux trop profondes (40m et au-delà – dans certaines régions, cette profondeur est très vite atteinte proche des côtes, ce qui ne résout pas la problématique de la pollution visuelle voire sonore) notamment en raison des coûts d’installation et de manutention. Ceci représente un sérieux frein au développement de l’énergie éolienne.These wind turbines, however, do not have optimized energy efficiency. Indeed, the offshore wind turbine technique is not economically viable in waters that are too deep (40m and above – in some regions, this depth is reached very quickly close to the coast, which does not solve the problem of visual or even noise pollution), particularly due to installation and handling costs. This represents a serious obstacle to the development of wind energy.

Pour cette raison, la communauté scientifique s’intéresse depuis plusieurs années aux éoliennes sur plateformes flottantes (FWT pour Floating Wind Turbine), c’est-à-dire fixées sur des flotteurs et potentiellement positionnées loin des côtes avec une bathymétrie de plusieurs centaines de mètres (typiquement 100-300 mètres). Cette technologie présente un coût de construction et de mise en œuvre sensiblement identique, quelle que soit la profondeur de l'eau. Du point de vue du génie civil, les FWT sont en outre moins sensibles aux conditions géotechniques du fond marin que les éoliennes posées. De plus, leur maintenance est simplifiée car il est facile si besoin de les tracter au port pour une réparation à quai et à l’abri, même si le lieu d’implantation est potentiellement plus éloigné que pour une éolienne posée.For this reason, the scientific community has been interested for several years in floating wind turbines (FWTs), that is, turbines mounted on floats and potentially positioned far from the coast in waters several hundred meters deep (typically 100-300 meters). This technology has a construction and implementation cost that is virtually identical, regardless of the water depth. From a civil engineering perspective, FWTs are also less sensitive to the geotechnical conditions of the seabed than fixed-bottom turbines. Furthermore, their maintenance is simplified because, if necessary, they can be towed to port for repairs at the dock and under cover, even if the installation site is potentially further offshore than for a fixed-bottom turbine.

Au contraire des éoliennes marines fixes précitées, les éoliennes flottantes peuvent donc être installées bien au-delà de 40-50 m de profondeur, là où les vents sont encore de meilleure qualité en termes de puissance et de régularité car il n’y a, a priori, strictement aucun relief à proximité, ce qui améliore encore le facteur de charge (50% et au-delà). Elles comprennent à cet effet une structure flottante de support sur laquelle est dressé un mât portant la turbine de l’éolienne. L'assemblage entre la turbine et la plateforme flottante de support peut avantageusement être réalisé à terre et non en mer où les conditions sont plus potentiellement plus difficiles (courants, houle, météorologie) avant de remorquer l’ensemble sur site (avec la possibilité de choisir une date favorable du point de vue des conditions de navigation) à l’aide d’un remorqueur hauturier pour procéder au mouillage. Les éoliennes flottantes sont en général maintenues sur leur site de production en mer à l'aide de systèmes d'ancrage. Ces systèmes sont conçues pour résister aux conditions courantes d’utilisation et à des conditions potentiellement plus extrêmes. Ils sont donc en général composés d'ancres (ancre à traînée, ancre à succion, plaques ensouillées, ou encore poids mort) et d’une ou plusieurs lignes d'ancrages (en chaîne, en câble métallique, en matériaux synthétiques tels que polyester, polyéthylène haute densité, voire polyamide) reliées à la plateforme flottante. Les flotteurs de type SPAR (Single Point Anchor Reservoir) sont stabilisés par leur grande inertie car leur fond est lesté, ce qui augmente considérablement leur masse et leurs moments d'inertie en roulis et en tangage. Les éoliennes flottantes de type TLP (Tension Leg Platform) comportent quant à elle une plate-forme tenue par des ancrages tendus de sorte que c'est la raideur induite par ces ancrages qui permet une grande stabilité. Enfin, les éoliennes flottantes de type à flotteur semi-submersible (inspiré de l’offshore pétrolier et gazier), les plus répandues, comportent une plateforme le plus souvent à fond plat à faible tirant d’eau (10-20 mètres en général) et des ancrages non tendus, sa stabilité étant assurée par la poussée d'Archimède.Unlike the aforementioned fixed offshore wind turbines, floating wind turbines can be installed at depths well beyond 40-50 meters, where winds are even more powerful and consistent because there is virtually no nearby terrain, further improving the capacity factor (50% and above). They consist of a floating support structure on which a mast carrying the turbine is erected. The turbine and the floating support platform can advantageously be assembled on land rather than at sea, where conditions are potentially more challenging (currents, swell, weather), before being towed to the site (with the possibility of choosing a date favorable to navigation) using a deep-sea tug for anchoring. Floating wind turbines are generally secured at their offshore installation site using anchoring systems. These systems are designed to withstand normal operating conditions and potentially more extreme ones. They generally consist of anchors (trail anchors, suction anchors, ground plates, or deadweights) and one or more mooring lines (chain, wire rope, or synthetic materials such as polyester, high-density polyethylene, or even polyamide) connected to the floating platform. SPAR (Single Point Anchor Reservoir) type floats are stabilized by their high inertia because their bottom is ballasted, which considerably increases their mass and their moments of inertia in roll and pitch. TLP (Tension Leg Platform) type floating wind turbines, on the other hand, have a platform held by tensioned anchors, so that the stiffness induced by these anchors provides high stability. Finally, the most widespread type of floating wind turbines, of the semi-submersible float type (inspired by offshore oil and gas), include a platform that is most often flat-bottomed with a shallow draft (10-20 meters in general) and unstretched anchors, its stability being ensured by Archimedes' principle.

Là encore, ces éoliennes ne sont pas optimisées en termes de rendement énergétique car elles ne s’adaptent pas ou peu à leur environnement du fait de leur position statique. En effet, dans le cas de l’utilisation d’un mât, il est nécessaire d’une part d’avoir une plateforme flottante très stable (donc grande, lourde, et chère) pour limiter l’inclinaison du mât (tangage et roulis) et d’autre part de limiter la taille des éoliennes ou leur efficacité à cause de problèmes vibratoires et de la proximité pales-mât. En eau profonde, cette technologie est intéressante. Mais le fait que l’éolienne ne soit pas encastrée au fond de la mer augmente très significativement les sollicitations mécaniques induites par les vagues (tangage et/ou roulis). En effet, en production, ces éoliennes flottantes sont soumises aux courants et à la houle qui peuvent induire un angle de lacet à l'éolienne, c'est-à-dire une rotation de l'éolienne flottante par rapport à un axe vertical. Ces perturbations augmentent les mouvements du flotteur et par conséquent les sollicitations mécaniques sur plusieurs de ses éléments, notamment le mât, réduisant leur durabilité. On pourrait atténuer cette sensibilité à la houle en augmentant la taille et le poids du flotteur mais cette solution augmenterait le coût du kWh produit.Here again, these wind turbines are not optimized in terms of energy efficiency because they adapt poorly, if at all, to their environment due to their static position. Indeed, when using a mast, it is necessary, on the one hand, to have a very stable floating platform (therefore large, heavy, and expensive) to limit the mast's tilt (pitch and roll), and on the other hand, to limit the size of the wind turbines or their efficiency due to vibration issues and the proximity of the blades to the mast. In deep water, this technology is promising. However, the fact that the wind turbine is not anchored to the seabed significantly increases the mechanical stresses induced by waves (pitch and/or roll). In fact, during operation, these floating wind turbines are subject to currents and swells, which can induce a yaw angle in the turbine, that is, a rotation of the floating turbine around a vertical axis. These disturbances increase the float's movement and consequently the mechanical stresses on several of its components, particularly the mast, reducing their durability. This sensitivity to swell could be mitigated by increasing the float's size and weight, but this solution would increase the cost per kWh produced.

Pour lutter contre l’angle de lacet, certains modèles d’éoliennes flottantes comprennent un système de réglage électrique. Par exemple, des moteurs électriques ou un système de dérive sous le vent permettent de faire tourner la turbine par rapport au mât afin de (re)positionner l'axe de rotation de l'hélice de la turbine dans l'axe du vent.To counteract yaw, some floating wind turbine models include an electrical adjustment system. For example, electric motors or a leeward drift system allow the turbine to be rotated relative to the mast in order to (re)position the turbine's rotor axis in line with the wind.

Afin d'améliorer la résistance structurelle des éoliennes flottantes, le document de brevet déposé le 18 avril 2013 et publié sous le numéro FR3004764 décrit un troisième type d'éolienne flottante qui comprend une structure flottante qui porte une turbine d’éolienne à axe horizontale à l'aide de plusieurs bras et non plus d’un seul mât. La nacelle de la turbine est fixe par rapport à la structure flottante de l'éolienne flottante si bien qu'elle ne peut plus s'orienter face au vent indépendamment de la structure flottante qui la supporte pour compenser l'angle de lacet dû aux efforts de la mer. Ainsi, c'est l'ensemble constitué par la plateforme flottante, les bras de support et la turbine de l’éolienne qui s'oriente face au vent, en tournant autour d'un moyen d'ancrage tel qu'une bouée ou un touret. Ce troisième type concerne donc des éoliennes marines dites du type auto-orientables. Ces éoliennes sont généralement plus petites et plus légères que celles du premier type et du deuxième type.To improve the structural strength of floating wind turbines, the patent document filed on April 18, 2013, and published under number FR3004764, describes a third type of floating wind turbine. This type comprises a floating structure that supports a horizontal-axis wind turbine using several arms rather than a single mast. The turbine nacelle is fixed relative to the floating structure, meaning it can no longer orient itself into the wind independently of the supporting floating structure to compensate for the yaw angle caused by sea forces. Instead, the entire assembly—the floating platform, the support arms, and the turbine—orients itself into the wind by rotating around an anchoring device such as a buoy or a reel. This third type therefore concerns self-orienting offshore wind turbines. These wind turbines are generally smaller and lighter than those of the first and second types.

Cependant, la structure flottante étant soumises aux conditions extérieures, telles que la météorologie et surtout l’état de la mer (courant, houle, vagues), l’efficacité et le rendement global de ces dispositif ne sont pas optimisés, notamment en raison des contraintes citées précédemment. En effet, des expérimentations et des modélisations numériques montrent qu’un système éolien flottant utilisant un ancrage par point unique peut présenter des instabilités dynamiques entraînant une perte de production électrique ainsi qu’une augmentation de la fatigue de l’éolienne. En effet, l’éolienne flottante peut osciller avec un mouvement de queue de poisson, appelé fish-tailing dans l’état de la technique.However, because the floating structure is subject to external conditions, such as weather and especially sea state (currents, swell, waves), the efficiency and overall performance of these devices are not optimized, particularly due to the constraints mentioned above. Indeed, experiments and numerical modeling show that a floating wind turbine system using a single-point anchor can exhibit dynamic instabilities leading to a loss of electricity production and increased turbine fatigue. Specifically, the floating wind turbine can oscillate with a fishtail motion, known as fish-tailing in the prior art.

Afin de ne pas subir ces instabilités dynamiques défavorables au bilan économique des éoliennes flottantes, il est possible d’utiliser un ancrage par point unique présentant la particularité suivante : Deux lignes d’ancrages souples bâbord et tribord appelées aussières relient l’éolienne par sa proue (bâbord et tribord) à une bouée déportée, elle-même ancrée au fond marin par l’intermédiaire de 3 lignes d’ancrages. La géométrie d’un tel ensemble permet de ne pas avoir d’instabilités dynamiques défavorables tout en minimisant les dimensions du flotteur et donc son coût. Mathématiquement, cette géométrie, si la longueur des lignes, leur élasticité et l’écartement bâbord-tribord sont judicieusement choisies, assure que la partie réelle de la valeur propre du système mécanique projetée dans le plan horizontal est négative. Généralement, l’éolienne reste à distance de la bouée car la poussée des pales de la turbine génère une force opposée, en direction, à la projection dans le plan horizontal de la surface de l’eau de l’axe passant par le centre du rotor de l’éolienne et le centre de la bouée. Dans d’autres conditions, plus rares, ce sont les efforts de dérive générés par les vagues et/ou le courant est/sont prévalents qui permettent à l’éolienne de rester à distance du point d’ancrage unique.To avoid these dynamic instabilities, which are detrimental to the economic viability of floating wind turbines, a single-point anchoring system can be used with the following characteristic: Two flexible mooring lines, port and starboard, called hawsers, connect the wind turbine at its bow (port and starboard) to an offset buoy, itself anchored to the seabed by three mooring lines. The geometry of such an assembly eliminates unfavorable dynamic instabilities while minimizing the dimensions of the floating platform and therefore its cost. Mathematically, this geometry, if the length of the lines, their elasticity, and the port-starboard spacing are judiciously chosen, ensures that the real part of the mechanical system's eigenvalue projected onto the horizontal plane is negative. Generally, the wind turbine remains away from the buoy because the thrust of the turbine blades generates a force opposing, in direction, the projection onto the horizontal plane of the water surface of the axis passing through the center of the wind turbine rotor and the center of the buoy. In other, less frequent conditions, it is the drift forces generated by waves and/or currents that allow the wind turbine to remain away from the single mooring point.

Toutefois, ce système présente le risque que l’éolienne se rapproche de la bouée dans certaines conditions ou transitions météorologiques par temps très calmes avec très peu ou pas de vent, courant et houle. Il peut alors arriver que la somme des forces aérodynamiques et/ou hydrodynamiques appliquées à la plateforme flottante changent de direction, ce qui induit que la distance minimale de sécurité entre la bouée et l’éolienne n’est plus assurée.However, this system presents a risk that the wind turbine may approach the buoy under certain weather conditions or during very calm periods with little or no wind, current, or swell. In such cases, the sum of the aerodynamic and/or hydrodynamic forces applied to the floating platform may change direction, meaning that the minimum safety distance between the buoy and the wind turbine is no longer guaranteed.

L'invention a notamment pour objectif de palier les inconvénients de l'art antérieur cité ci-dessus. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un ensemble de production d'énergie en milieu marin, permettant de contrer les efforts de la mer et du vent pour stabiliser de manière optimale l'éolienne afin d'assurer une bonne orientation de la turbine et garantir un rendement de production élevé de l'éolienne.The invention aims, in particular, to overcome the drawbacks of the prior art cited above. More specifically, the invention aims to provide a marine energy production system that counteracts the forces of the sea and wind to optimally stabilize the wind turbine, ensuring proper turbine orientation and guaranteeing high energy production.

Présentation de l'inventionPresentation of the invention

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice, performante, fiable, réactive, utilisable dans un grand nombre de conditions marines/météorologiques, polyvalente, écologique et facilement adaptable.The present invention aims to remedy these drawbacks with a totally innovative, high-performance, reliable, responsive approach, usable in a wide range of marine/meteorological conditions, versatile, ecological and easily adaptable.

Ainsi, l’invention se rapporte à un ensemble flottant comportant une structure flottante de support pour au moins une éoliennes, ladite structure flottante étant reliée à une bouée ancrée aux fonds marins de sorte que cet ancrage présente la particularité de permettre une rotation de l’éolienne autour d’un point de pivot afin de s’orienter face au vent.Thus, the invention relates to a floating assembly comprising a floating support structure for at least one wind turbine, said floating structure being connected to a buoy anchored to the seabed so that this anchoring has the particularity of allowing the wind turbine to rotate around a pivot point in order to orient itself towards the wind.

A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention se rapporte à un ensemble flottant en milieu marin pour la production d’énergie électrique utilisant le vent comprenant :
- une structure flottante comportant au moins une plateforme pourvue d’une proue à laquelle est reliée une bouée à l’aide d’au moins une liaison souple de type aussière,
- des moyens reliés à la bouée pour ancrer ladite structure flottante à un fond marin,
- au moins une éolienne montée sur la structure flottante et comportant une structure porteuse dressée sensiblement verticalement sur la structure flottante et supportant une hélice à plusieurs pales reliées à un rotor commun tournant sur lui-même autour d’un axe de rotation, et
- des moyens de détermination de l’un au moins des paramètres suivants parmi la direction du vent, la vitesse du vent, le sens du courant marin et la vitesse du courant marin,
caractérisé en ce qu’il comporte en outre :
- des moyens pour motoriser l’hélice de l’éolienne afin de faire tourner son rotor dans un sens de rotation ou dans le sens opposé,
- des moyens pour mesurer la distance d’éloignement entre la proue de la structure flottante et un axe de rotation verticale de la bouée,
- des moyens de pilotage pour mettre en route les moyens de motorisation de l’hélice et faire tourner son rotor afin d’éloigner la structure flottante de ladite bouée lorsque ladite distance d’éloignement mesurée par le capteur de distance est inférieure à un seuil déterminé.
Accordingly, in a first aspect, the present invention relates to a floating assembly in a marine environment for the production of electrical energy using wind, comprising:
- a floating structure comprising at least one platform equipped with a bow to which a buoy is connected by means of at least one flexible connection of the hawser type,
- means connected to the buoy for anchoring said floating structure to a seabed,
- at least one wind turbine mounted on the floating structure and comprising a supporting structure erected substantially vertically on the floating structure and supporting a multi-bladed propeller connected to a common rotor rotating on itself around an axis of rotation, and
- means for determining at least one of the following parameters: wind direction, wind speed, direction of ocean current and speed of ocean current,
characterized in that it also comprises:
- means to motorize the wind turbine's propeller in order to rotate its rotor in one direction or in the opposite direction,
- means for measuring the distance between the bow of the floating structure and a vertical axis of rotation of the buoy,
- piloting means to start the propeller's motorization means and rotate its rotor in order to move the floating structure away from said buoy when said distance measured by the distance sensor is less than a determined threshold.

L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.The invention is implemented according to the embodiments and variants set out below, which are to be considered individually or in any technically feasible combination.

Selon une caractéristique complémentaire permettant d’améliorer la détection de la distance d’éloignement et la précision/rapidité de réaction du système de repositionnement de la plateforme flottante de l’éolienne par rapport à la bouée, l’ensemble comporte outre des moyens pour évaluer la prévision de position azimutale de la structure flottante par rapport à la bouée et des moyens de pilotage pour mettre en route les moyens de motorisation de l’hélice et faire tourner son rotor afin de déplacer la structure flottante autour ladite bouée selon son axe dans le sens horaire ou dans le sens anti-horaire selon ladite prévision de position azimutale de la structure flottante.According to a complementary feature enabling improvement of the detection of the distance away and the accuracy/speed of reaction of the system for repositioning the floating platform of the wind turbine relative to the buoy, the assembly includes, in addition to means for evaluating the prediction of the azimuthal position of the floating structure relative to the buoy, and piloting means for starting up the propeller motorization means and rotating its rotor in order to move the floating structure around said buoy along its axis in a clockwise or counter-clockwise direction according to said prediction of the azimuthal position of the floating structure.

De préférence, les pales composant l’hélice disposent de moyens d’ajustement de leur pas en fonction de la position azimutale de chaque pale, de manière à créer une composante axiale de poussée du rotor colinéaire avec l’axe dudit rotor et une composante latérale de poussée du rotor perpendiculaire à l’axe dudit rotor.Preferably, the blades composing the propeller have means for adjusting their pitch according to the azimuthal position of each blade, so as to create an axial thrust component of the rotor collinear with the axis of said rotor and a lateral thrust component of the rotor perpendicular to the axis of said rotor.

Cette solution permet notamment d’améliorer la précision et la rapidité d’orientation de la plateforme flottante de l’éolienne une fois le seuil de distance d’éloignement dépassé et les moyens de motorisation activés.This solution notably improves the accuracy and speed of orientation of the floating platform of the wind turbine once the distance threshold has been exceeded and the motorization means have been activated.

Avantageusement, les moyens de motorisation de l’hélice sont constitués par le rotor de l’éolienne fonctionnant en mode propulsion et relié à une génératrice principale d’énergie électrique fonctionnant en mode propulsion grâce à la machine électrique fonctionnant en mode moteur, là où la machine électrique sert habituellement en mode générateur pour transformer l'énergie du vent en électricité.Advantageously, the propeller's motorization means consist of the wind turbine rotor operating in propulsion mode and connected to a main electrical energy generator operating in propulsion mode thanks to the electric machine operating in motor mode, where the electric machine usually serves in generator mode to transform wind energy into electricity.

Cette solution permet d’intégrer au mieux les moyens de motorisation par rapport à l’éolienne, afin notamment d’optimiser leur efficacité et leur réactivité et réduire le poids de l’ensemble.This solution allows for the best possible integration of the motorization means in relation to the wind turbine, in particular to optimize their efficiency and responsiveness and reduce the overall weight.

De manière complémentaire, l’ensemble comporte en outre au moins un propulseur secondaire subaquatique d’étrave lié à la structure flottante et connecté à une source secondaire d’énergie électrique.In addition, the assembly also includes at least one secondary underwater bow thruster linked to the floating structure and connected to a secondary source of electrical power.

Cette solution optimise encore les déplacements de l’ensemble flottant une fois le seuil de distance d’éloignement détecté afin de le repositionner de la meilleure façon possible pour un fonctionnement optimal de l’éolienne.This solution further optimizes the movements of the floating assembly once the distance threshold is detected in order to reposition it in the best possible way for optimal operation of the wind turbine.

Selon une caractéristique particulière, la génératrice principale d’énergie et/ou la source secondaire d’énergie comporte(nt) une batterie.Depending on a particular characteristic, the main power generator and/or the secondary power source includes a battery.

Cette solution permet de garantir une autonomie des moyens de motorisation de l’éolienne et du propulseur secondaire.This solution ensures the autonomy of the wind turbine's motorization system and the secondary propulsion system.

En complément, la batterie est rechargeable et est reliée à un panneau photovoltaïque fixée à la structure flottante ou à la structure porteuse de l’éolienne.In addition, the battery is rechargeable and is connected to a photovoltaic panel attached to the floating structure or the supporting structure of the wind turbine.

Ainsi, les moyens de propulsions disposeront d’une source d’énergie écologique, inépuisable et facile à stocker.Thus, propulsion systems will have an ecological, inexhaustible and easy-to-store energy source.

Selon une variante de réalisation, la génératrice principale d’énergie et/ou la source secondaire d’énergie comporte(nt) un moteur à combustible fossile tel qu’un générateur diesel.According to one embodiment, the main power generator and/or the secondary power source includes a fossil fuel engine such as a diesel generator.

Préférentiellement, la génératrice principale d’énergie électrique et la source secondaire d’énergie sont confondues en un seul dispositif.Preferably, the main generator of electrical power and the secondary source of power are combined into a single device.

Cette solution, permet une miniaturisation des sources d’énergie et une simplification de l’ensemble.This solution allows for miniaturization of energy sources and simplification of the whole system.

Selon un mode de réalisation préférée de la présente invention, les moyens de mesure de la distance d’éloignement comportent un système de géolocalisation de type GPS.According to a preferred embodiment of the present invention, the means for measuring the distance of separation comprise a GPS-type geolocation system.

Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, les moyens de mesure de la distance d’éloignement comportent au moins un détecteur monté sur un connecteur double-axes de chaque aussière reliant la bouée à la structure flottante et mesurant une différence d’inclinaison de l’aussière considérée entre une première position de référence dans laquelle ladite aussière est totalement sous tension et une seconde position dans laquelle ladite aussière est détendue afin d’en déduire une diminution potentielle de la tension dans ladite aussière et une diminution de la distance d’éloignement.According to a particular embodiment of the present invention, the means for measuring the separation distance comprise at least one detector mounted on a double-axis connector of each mooring line connecting the buoy to the floating structure and measuring a difference in inclination of the mooring line considered between a first reference position in which said mooring line is totally under tension and a second position in which said mooring line is slack in order to deduce a potential decrease in tension in said mooring line and a decrease in the separation distance.

Cette solution procure ainsi une mesure fiable, rapide, et facile à interpréter de la distance d’éloignement, garantissant un déplacement optimisé de l’ensemble flottant lorsque cette d’éloignement a atteint le seuil déterminé.This solution thus provides a reliable, fast, and easy-to-interpret measurement of the separation distance, guaranteeing an optimized movement of the floating assembly when this separation distance has reached the determined threshold.

Selon un aspect complémentaire, la structure flottante étant reliée à la bouée par deux aussières disposées respectivement à bâbord et tribord, et chaque aussière comportant un connecteur double-axe, les moyens de mesure de la distance d’éloignement D comportent un détecteur par axe de connecteur, c’est-à-dire quatre détecteurs au total.According to a complementary aspect, the floating structure being connected to the buoy by two mooring lines arranged respectively on the port and starboard sides, and each mooring line having a double-axis connector, the means of measuring the separation distance D include one detector per axis of connector, i.e. four detectors in total.

Cette solution de doublement des capteurs permet d’améliorer la précision de la mesure de la distance d’éloignement, laquelle peut être difficile à déterminer, notamment lors de creux de vagues importants. Cette solution de doublement des capteurs permet d’améliorer la robustesse de la mesure de la distance d’éloignement, laquelle peut être difficile à déterminer si un capteur tombe en panne.This sensor duplication solution improves the accuracy of distance measurements, which can be difficult to determine, especially during large wave troughs. This sensor duplication solution also improves the robustness of distance measurements, which can be difficult to determine if one sensor fails.

Selon un aspect particulièrement intéressant de la présente invention, les moyens de pilotage comprennent au moins un module de type Proportionnel Intégrale Dérivée adaptant en temps réel la vitesse de rotation du rotor en fonction de la distance d’éloignement mesurée et/ou la vitesse de déplacement de la structure flottante et/ou la puissance fournie aux moyens de motorisation afin que ladite structure flottante soit située en permanence à une distance d’éloignement supérieure ou égale au seuil déterminé.According to a particularly interesting aspect of the present invention, the control means comprise at least one Proportional Integral Derivative type module adapting in real time the rotation speed of the rotor according to the measured distance distance and/or the speed of movement of the floating structure and/or the power supplied to the motorization means so that said floating structure is permanently located at a distance distance greater than or equal to the determined threshold.

Cette solution améliore la réactivité du système de repositionnement de l’ensemble flottant.This solution improves the responsiveness of the floating assembly repositioning system.

Selon une caractéristique complémentaire, les moyens de pilotage comportent deux modules PID, un par aussière, collaborant l’un avec l’autre pour contrôler la vitesse de rotation du rotor et le pas des pales de l’hélice.According to a complementary feature, the piloting means include two PID modules, one per hawser, collaborating with each other to control the rotational speed of the rotor and the pitch of the propeller blades.

Cette solution améliore encore la précision de la mesure et donc celle du déplacement de l’ensemble flottant pour un mouvement fluide (sans à-coups) et rapide.This solution further improves the accuracy of the measurement and therefore that of the movement of the floating assembly for a smooth (without jerks) and rapid movement.

De manière avantageuse, la bouée est ancrée de manière statique au sol marin à l’aide de trois lignes d’ancrage souples espacées angulairement l’une de l’autre de 120°selon un plan de projection horizontal desdites lignes d’ancrage.Advantageously, the buoy is statically anchored to the seabed using three flexible anchor lines spaced angularly 120° apart along a horizontal projection plane of said anchor lines.

Cette solution assure un ancrage homogène et stable de l’ensemble flottant.This solution ensures a homogeneous and stable anchoring of the floating assembly.

Selon une caractéristique particulièrement intéressante de la présente invention, les moyens de détermination de la direction du vent comportent l’un au moins des dispositifs suivants choisis parmi un anémomètre ou une girouette.According to a particularly interesting feature of the present invention, the means for determining the wind direction comprise at least one of the following devices chosen from an anemometer or a wind vane.

De la même manière, les moyens de détermination du sens et de la vitesse du courant marin reposent sur la connaissance des courants de marée en fonction de la date et de l’heure, l’utilisation d’un courantomètre, et la connaissance de la surface et des coefficients de trainée de la partie immergée de la structure flottante.Similarly, the means of determining the direction and speed of the ocean current rely on knowledge of tidal currents according to the date and time, the use of a current meter, and knowledge of the surface area and drag coefficients of the submerged part of the floating structure.

Avantageusement, le seuil de distance d'éloignement est compris entre environ 80% à 90% de la distance nominale pour laquelle l’aussière de liaison de la structure flottante à la bouée est tendue .Advantageously, the distance threshold is between approximately 80% and 90% of the nominal distance for which the mooring line connecting the floating structure to the buoy is taut.

Brève description des figuresBrief description of the figures

D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :Other advantages, purposes and features of the present invention will become apparent from the following description, given for explanatory purposes and in no way as a limitation, with reference to the accompanying drawings, in which:

FIG. 1laFIG. 1est une vue en perspective d’un ensemble flottant en milieu marin pour la production d’énergie électrique utilisant le vent conforme à la présente invention, FIG. 1 there FIG. 1 is a perspective view of a floating assembly in a marine environment for the production of electrical energy using wind, according to the present invention.

FIG. 2laFIG. 2est une vue de côté de l’ensemble flottant de laFIG. 1et comportant principalement une structure flottante et une éolienne, FIG. 2 there FIG. 2 is a side view of the floating assembly of the FIG. 1 and consisting primarily of a floating structure and a wind turbine,

FIG. 3laFIG. 3est une vue de face de laFIG. 1, FIG. 3 there FIG. 3 is a front view of the FIG. 1 ,

FIG. 4laFIG. 4est une vue de dessus de laFIG. 1, FIG. 4 there FIG. 4 is a top view of the FIG. 1 ,

FIG. 5laFIG. 5est une vue de détail d’une partie de l’ensemble flottant des figures 1 à 4, FIG. 5 there FIG. 5 is a detailed view of part of the floating assembly shown in figures 1 to 4,

FIG. 6laFIG. 6est une vue de côté de l’ensemble dans laquelle la plateforme est dans une position différente de celle des figures 1 à 5, FIG. 6 there FIG. 6 is a side view of the assembly in which the platform is in a different position than in figures 1 to 5,

FIG. 7laFIG. 7est vue de détail de laFIG. 6, et FIG. 7 there FIG. 7 is a detailed view of the FIG. 6 , And

FIG. 8laFIG. 8est une variante de réalisation de laFIG. 5. FIG. 8 there FIG. 8 is a variant implementation of the FIG. 5 .

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation.This description is not exhaustive, as each feature of one embodiment can be combined with any other feature of any other embodiment.

On note, dès à présent, que les figures ne sont pas nécessairement à l’échelle, sans que cela nuise à leur compréhension.It should be noted from the outset that the figures are not necessarily to scale, without this hindering their understanding.

Les figures 1 à 5 représentent un ensemble flottant 1 pour la production d’énergie électrique utilisant le vent, en particulier de type offshore, comprenant une structure flottante 10 comportant au moins une plateforme 11 pourvue d’une proue 12 reliée à une bouée immergée 20 à l’aide d’au moins une liaison souple 30 de type aussière, et de préférence deux aussières 30 comme cela est représenté,
- des moyens 40 de type filaire reliés à la bouée 20 pour ancrer ladite structure flottante 10 à un fond marin 5, et
- au moins une éolienne 100 montée sur la structure flottante 10 et comportant principalement une structure porteuse 110 dressée sensiblement verticalement sur la structure flottante 10 et supportant une hélice 120 à plusieurs pales 122 reliées à un rotor 124 commun tournant sur lui-même autour d’un axe de rotation XX’.
Figures 1 to 5 represent a floating assembly 1 for the production of electrical energy using wind, in particular of the offshore type, comprising a floating structure 10 having at least one platform 11 provided with a bow 12 connected to a submerged buoy 20 by means of at least one flexible hawser 30, and preferably two hawsers 30 as shown,
- 40 wire-type means connected to the buoy 20 to anchor said floating structure 10 to a seabed 5, and
- at least one wind turbine 100 mounted on the floating structure 10 and comprising mainly a supporting structure 110 erected substantially vertically on the floating structure 10 and supporting a propeller 120 with several blades 122 connected to a common rotor 124 rotating on itself around an axis of rotation XX'.

La plateforme 11 de la structure flottante 10 est de type connu et comporte par exemple des poutres métalliques mécanosoudées résistantes à la corrosion marine et supportées par exemple par des caissons de flottaison immergés. Cette plateforme 11 présente ici une forme basique carrée à quatre angles 15 et mesure environ 50 mètres de côté pour une hauteur, caissons de flottaison immergés compris, d’environ 25 à 30 mètres, pour une puissance de 5 MW. Pour une éolienne de 20 MW, la longueur du flotteur est de l’ordre de 80m. D’autres formes sont bien entendu envisageables, par exemple rectangulaire. Le tirant d’eau de la structure flottante 10 est déterminé à l’aide des caissons de flottaison (ballast) et est adaptable si besoin à la zone d’implantation offshore de l’ensemble 1 de production d’énergie, notamment en fonction de la profondeur de l’eau, de la distance à la côté et des conditions de houle.The platform 11 of the floating structure 10 is of a known type and comprises, for example, welded steel beams resistant to marine corrosion and supported, for example, by submerged flotation caissons. This platform 11 has a basic square shape with four corners 15 and measures approximately 50 meters on each side, with a height, including the submerged flotation caissons, of approximately 25 to 30 meters, for a power output of 5 MW. For a 20 MW wind turbine, the length of the float is approximately 80 meters. Other shapes are of course possible, for example, rectangular. The draft of the floating structure 10 is determined using the flotation caissons (ballast) and can be adapted, if necessary, to the offshore location of the power generation unit 1, particularly according to the water depth, the distance from the coast, and wave conditions.

La bouée 20 est quant à elle reliée à deux points espacés 13 et 14 de la proue 12 de la plateforme 11 à l’aide de deux aussières 30 identiques de manière à former un triangle isocèle.Buoy 20 is connected to two points spaced 13 and 14 on the bow 12 of platform 11 by means of two identical hawsers 30 so as to form an isosceles triangle.

La bouée 20 est typiquement positionnée à environ 100-110 mètres de la proue 12 de la plateforme 11, par exemple environ 105 mètres. Compte-tenu de la largeur de la plateforme 11 et de la hauteur des points d’accroche 13 et 14 par rapport au niveau E de l’eau, les aussières 30 mesurent chacune environ 110 à 120 de longueur lorsqu’elles sont totalement sous tension. Un câble électrique 35 relie également la bouée immergée 20 à la plateforme 11 afin de transmettre l’électricité produite par l’éolienne 100 durant son fonctionnement, ou son stockage sous forme gazeuse ou liquide dans un réservoir (non représenté) posé sur la plateforme 11 (laquelle pourra alors présenter un sol s’étendant entre poutres mécanosoudées) pour une utilisation ultérieure. La bouée 20 est également équipée d’un câble 36 relié à la côte pour transporter l’énergie électrique produite. La bouée 20 peut être totalement immergée sous le niveau E de l’eau dans certaines configurations.The buoy 20 is typically positioned approximately 100-110 meters from the bow 12 of the platform 11, for example, about 105 meters. Given the width of the platform 11 and the height of the mooring points 13 and 14 relative to water level E, the mooring lines 30 are each approximately 110 to 120 meters long when fully tensioned. An electrical cable 35 also connects the submerged buoy 20 to the platform 11 to transmit the electricity produced by the wind turbine 100 during its operation, or to store it in gaseous or liquid form in a tank (not shown) placed on the platform 11 (which may then have a floor extending between welded beams) for later use. The buoy 20 is also equipped with a cable 36 connected to the shore to carry the generated electrical energy. Buoy 20 can be fully submerged below water level E in certain configurations.

Comme cela est visible sur les figures 1 à 4, la bouée 20 est également fermement ancrée au fond marin 5 à l’aide de trois autres aussières 40, dont par exemple une première aussière frontale de grande longueur (environ 500 à 600 mètres) et deux aussières latérales identiques de moindre longueur (environ 140 à 150 mètres). D’autres dimensions sont parfaitement envisageables selon la topographie des fonds marins 5 d’implantation. Ces trois aussières 40 sont de préférence agencées, quand on regarde la bouée 20 à son zénith (le long de l’axe ZZ’), à 120° les unes des autres, comme illustré sur laFIG. 4. Ces trois aussières 40 maintiennent ainsi la bouée 20 en position de manière sensiblement statique, mais celle-ci peut osciller de haut en bas le long de l’axe vertical ZZ’ au gré de la houle. La bouée 20 définit donc un point sensiblement fixe (hormis verticalement) pour l’amarrage de la structure flottante 10 de l’ensemble 1 de production d’énergie électrique.As can be seen in Figures 1 to 4, the buoy 20 is also firmly anchored to the seabed 5 by means of three other mooring lines 40, including, for example, a long frontal line (approximately 500 to 600 meters) and two identical shorter lateral lines (approximately 140 to 150 meters). Other dimensions are perfectly feasible depending on the topography of the seabed 5 where it is installed. These three mooring lines 40 are preferably arranged, when viewed from the zenith of the buoy 20 (along the axis ZZ'), at 120° angles to each other, as illustrated in the FIG. 4 These three mooring lines 40 thus hold the buoy 20 in a substantially static position, but it can oscillate up and down along the vertical axis ZZ' according to the swell. The buoy 20 therefore defines a substantially fixed point (except vertically) for the mooring of the floating structure 10 of the electrical power generation unit 1.

L’éolienne 100 comporte quant à elle une structure porteuse 110 se présentant dans le cas présent sous la forme de quatre montants / poteaux dressés reliant les quatre angles 15 de la plateforme 11 et se rejoignant en un sommet commun 124 pour former une pyramide à cinq faces (une face inférieur formée par la base de la plateforme 11 et quatre faces latérales identiques formées par deux montants adjacents définissant ensemble un triangle isocèle ou équilatéral). La hauteur au sommet de cette structure porteuse 110 de l’éolienne 100 par rapport au niveau de la mer est d’environ 85 à 90 mètres pour une éolienne de 5 MW, et d’environ 160-180 m pour une éolienne de 20 MW.Wind turbine 100 comprises a supporting structure 110, in this case consisting of four uprights/posts connecting the four corners 15 of the platform 11 and converging at a common apex 124 to form a five-sided pyramid (a lower face formed by the base of the platform 11 and four identical lateral faces formed by two adjacent uprights together defining an isosceles or equilateral triangle). The height to the apex of this supporting structure 110 of wind turbine 100 above sea level is approximately 85 to 90 meters for a 5 MW wind turbine, and approximately 160-180 m for a 20 MW wind turbine.

L’axe XX’ de rotation du rotor 124 supportant les pales 122 de l’hélice 120 de l’éoliennes 100 passe sensiblement par le sommet de la structure porteuse pyramidale 110, cet axe étant par ailleurs sensiblement parallèle au plan défini par la plateforme 11 (une plaque reliant les angles 15 des poutres mécanosoudées de la structure flottante 10 peut former un sol si besoin). Ainsi, en position dressée et parfaitement verticale de l’éolienne 100 (plateforme 11 horizontale), l’axe XX’ de rotation du rotor 124 est lui-même horizontal. Les pales 122 décrivent en tournant un cercle d’environ 100 à 120 m de diamètre de sorte que le point culminant des pales 122 est d’environ 150 à 160 m par rapport au niveau E de l’eau pour une éolienne de 5 MW et d’environ 320 m pour une éolienne de 20 MW.The axis XX' of rotation of the rotor 124, which supports the blades 122 of the propeller 120 of the wind turbine 100, passes substantially through the apex of the pyramidal support structure 110. This axis is also substantially parallel to the plane defined by the platform 11 (a plate connecting the corners 15 of the welded beams of the floating structure 10 can form a floor if necessary). Thus, in the upright and perfectly vertical position of the wind turbine 100 (with the platform 11 horizontal), the axis XX' of rotation of the rotor 124 is itself horizontal. The blades 122, as they rotate, describe a circle with a diameter of approximately 100 to 120 m, so that the highest point of the blades 122 is approximately 150 to 160 m above the water level E for a 5 MW wind turbine and approximately 320 m for a 20 MW wind turbine.

Conformément à la présente invention, l’ensemble flottant de production d’énergie comporte 1 par ailleurs des moyens 60 et 70 de détermination de l’un au moins des paramètres suivants parmi la direction du vent, la vitesse du vent, le sens du courant marin et la vitesse du courant marin. Dans le cas présent, les moyens 60 de détermination de la direction du vent comportent l’un au moins des accessoires suivants choisis parmi un anémomètre un LIDAR ou une girouette placé de manière fixe en haut de l’éolienne 100, c’est-à-dire à une hauteur suffisamment élevée pour mesurer avec précision les vents pouvant influencer le mouvement de la structure porteuse 10 en agissant sur les pales 122.According to the present invention, the floating energy production assembly also includes means 60 and 70 for determining at least one of the following parameters: wind direction, wind speed, direction of the ocean current, and speed of the ocean current. In this case, the means 60 for determining the wind direction include at least one of the following accessories, selected from an anemometer, a LIDAR, or a wind vane, fixedly placed at the top of the wind turbine 100, that is, at a height sufficiently high to accurately measure the winds that can influence the movement of the supporting structure 10 by acting on the blades 122.

Les moyens 70 de détermination du sens et de la vitesse du courant marin sont constitués par un capteur immergé de type courant mètre relié à la plateforme 11 et relié à un ordinateur de commande 80 renfermant par exemple une base de connaissance des courants de marée en fonction de la date et de l’heure, et de la surface et des coefficients de trainée de la partie immergée de la structure flottante 10.The means 70 for determining the direction and speed of the marine current consist of an immersed current meter type sensor connected to the platform 11 and connected to a control computer 80 containing, for example, a knowledge base of tidal currents according to the date and time, and of the surface and drag coefficients of the submerged part of the floating structure 10.

Enfin, l’ensemble 1 de production d’énergie électrique conforme à la présente invention comporte un système complexe de repositionnement automatique de la plateforme flottante 10 par rapport à la bouée 20 qui va être expliqué plus en détail ci-après.Finally, the electrical power production assembly 1 according to the present invention includes a complex system for the automatic repositioning of the floating platform 10 relative to the buoy 20, which will be explained in more detail below.

A cet effet, l’ensemble 1 comporte :
- des moyens 128 pour motoriser l’hélice 120 de l’éolienne 100 afin de faire tourner son rotor 126 dans un sens de rotation ou dans le sens opposé,
- des moyens 50 pour mesurer la distance d’éloignement D entre la proue 12 de la structure flottante 10 et l’axe de rotation verticale ZZ’ de la bouée 20, et
- des moyens de pilotage 80, par exemple un ordinateur) pour mettre en route les moyens 128 de motorisation de l’hélice 120 et faire tourner son rotor 126 afin d’éloigner la structure flottante 10 de la bouée 20 lorsque ladite distance d’éloignement D mesurée par le capteur de distance 50 est inférieure à un seuil déterminé.
For this purpose, set 1 comprises:
- means 128 for motorizing the propeller 120 of the wind turbine 100 in order to rotate its rotor 126 in one direction of rotation or in the opposite direction,
- means 50 for measuring the distance D between the bow 12 of the floating structure 10 and the vertical axis of rotation ZZ' of the buoy 20, and
- control means 80, for example a computer) to start the means 128 for motorizing the propeller 120 and to rotate its rotor 126 in order to move the floating structure 10 away from the buoy 20 when said separation distance D measured by the distance sensor 50 is less than a determined threshold.

Selon une particularité de l’invention, les moyens 128 de motorisation de l’hélice 120 sont constitués par le moteur 128 du rotor 126 de l’éolienne fonctionnant en mode propulsion et relié à une génératrice principale d’énergie électrique 129 de type batterie ou générateur diesel ou câble électrique d’export.According to a particular feature of the invention, the means 128 for motorizing the propeller 120 consist of the motor 128 of the rotor 126 of the wind turbine operating in propulsion mode and connected to a main electrical power generator 129 of the battery type or diesel generator or export electrical cable type.

Les moyens 50 de mesure de la distance d’éloignement D comportent quant à eux au moins un détecteur 51 monté sur un connecteur double-axes de chaque aussière 30 reliant la bouée 20 à la structure flottante 10 et mesurant une différence d’inclinaison αde l’aussière considérée 30 entre une première position de référence dans laquelle ladite aussière 30 est totalement sous tension et une seconde position dans laquelle ladite aussière 30 est détendue afin d’en déduire une diminution potentielle de la tension dans ladite aussière et une diminution de la distance d’éloignement D. Dans le cas présent, et de manière à améliorer les mesures, chaque aussière 30 comporte deux connecteurs double-axe, pourvu chacun d’un détecteur 51 par axe, c’est-à-dire quatre détecteurs 50 d’éloignement D au total.The means 50 for measuring the separation distance D include at least one detector 51 mounted on a double-axis connector of each mooring line 30 connecting the buoy 20 to the floating structure 10 and measuring a difference in inclination α of the mooring line 30 between a first reference position in which said mooring line 30 is fully under tension and a second position in which said mooring line 30 is slack in order to deduce a potential decrease in tension in said mooring line and a decrease in the separation distance D. In the present case, and in order to improve the measurements, each mooring line 30 has two double-axis connectors, each equipped with a detector 51 per axis, i.e. four separation detectors 50 in total.

De manière à affiner l’efficacité du système, l’ensemble 1 comporte également des moyens 90 pour évaluer la prévision de position azimutale de la structure flottante 10 par rapport à la bouée 20, par exemple une centrale inertielle, un magnétomètre ou un ensemble de GPS différentiels et des moyens 80 de pilotage pour mettre en route les moyens de motorisation 128 de l’hélice 120 et faire tourner son rotor 126 afin de déplacer la structure flottante 10 autour ladite bouée 20 selon l’axe ZZ’ dans le sens horaire ou dans le sens anti-horaire selon ladite prévision de position azimutale de la structure flottant.In order to refine the efficiency of the system, assembly 1 also includes means 90 for evaluating the azimuthal position prediction of the floating structure 10 relative to the buoy 20, for example an inertial measurement unit, a magnetometer or a set of differential GPS and piloting means 80 for starting up the motorization means 128 of the propeller 120 and turning its rotor 126 in order to move the floating structure 10 around said buoy 20 along the axis ZZ’ in a clockwise or counterclockwise direction according to said azimuthal position prediction of the floating structure.

A cet effet, les pales 122 composant l’hélice 120 disposent de moyens 130 d’ajustement de leur pas en fonction de la position azimutale de chaque pale 122 de manière à créer une composante axiale de poussée du rotor 126 colinéaire avec l’axe XX’ dudit rotor 126 et une composante latérale de poussée du rotor 126 perpendiculaire à l’axe XX’ dudit rotor 126. En faisant varier le pas de chacune des pales en fonction de leur position azimutale , par exemple de manière sinusoïdale avec respectivement 10°, 0°, -10°, 0° pour des positions azimutale de 0°, 90°, 180°, 270°, le rotor génère une poussée latérale suffisante pour déplacer la structure. L’incidence des pales 122 est ajustée afin de générer une poussée axiale/latérale qui va faire reculer l’éolienne par rapport à la bouée 20 et tendre les aussières 30. La poussée axiale/latérale est régulée afin de conserver une distance D suffisante tout en minimisant la consommation électrique nécessaire (qui reste totalement infime en comparaison avec la quantité d’énergie produite par l’éolienne en mode production, par exemple environ 60W pour une puissance nominale de 4 kW). Le sens de la poussée latérale est choisi afin de minimiser l'énergie et la longueur de l'arc de cercle à parcourir pour atteindre une position stabilisée.To this end, the blades 122 composing the propeller 120 have means 130 for adjusting their pitch according to the azimuthal position of each blade 122 so as to create an axial thrust component of the rotor 126 collinear with the axis XX’ of said rotor 126 and a lateral thrust component of the rotor 126 perpendicular to the axis XX’ of said rotor 126. By varying the pitch of each of the blades according to their azimuthal position, for example sinusoidally with respectively 10°, 0°, -10°, 0° for azimuthal positions of 0°, 90°, 180°, 270°, the rotor generates a lateral thrust sufficient to move the structure. The angle of attack of the blades 122 is adjusted to generate an axial/lateral thrust that will move the wind turbine backward relative to the buoy 20 and tighten the mooring lines 30. The axial/lateral thrust is regulated to maintain a sufficient distance D while minimizing the required electrical consumption (which remains negligible compared to the amount of energy produced by the wind turbine in production mode, for example, approximately 60W for a nominal power of 4 kW). The direction of the lateral thrust is chosen to minimize the energy and the length of the arc of a circle to be traveled to reach a stabilized position.

Ces moyens d’ajustement peuvent être complété par deux propulseurs secondaires subaquatiques d’étrave 95 et 96 reliés à la plateforme 11 et connectés à une source secondaire d’énergie électrique 98 telle qu’une batterie (la même que celle des moyens de motorisation 128 de l’éolienne 100) ou un générateur diesel.These adjustment means can be supplemented by two secondary underwater bow thrusters 95 and 96 connected to the platform 11 and connected to a secondary source of electrical power 98 such as a battery (the same as that of the propulsion means 128 of the wind turbine 100) or a diesel generator.

Enfin, les moyens de pilotage 80 comportent au moins un module de type Proportionnel Intégrale Dérivée (PID) adaptant en temps réel la vitesse de rotation du rotor 126 en fonction de la distance d’éloignement D mesurée et/ou la vitesse de déplacement de la structure flottante 10 et/ou la puissance fournie aux moyens de motorisation 128 afin que ladite structure flottante 10 soit située en permanence à une distance d’éloignement D supérieure ou égale au seuil déterminé. Il est même prévu que les moyens de pilotage 80 comportent deux modules PID, un par aussière 30, collaborant l’un avec l’autre pour contrôler l’un au moins des paramètres parmi la vitesse de rotation du rotor 126, le pas des pales 122 de l’hélice et la puissance des propulseurs secondaires subaquatiques d’étrave 95 et 96.Finally, the piloting means 80 include at least one Proportional-Integral-Derivative (PID) module that adapts in real time the rotational speed of the rotor 126 according to the measured distance D and/or the speed of movement of the floating structure 10 and/or the power supplied to the propulsion means 128 so that said floating structure 10 is constantly located at a distance D greater than or equal to the determined threshold. It is even planned that the piloting means 80 will include two PID modules, one per mooring line 30, working together to control at least one of the following parameters: the rotational speed of the rotor 126, the pitch of the propeller blades 122, and the power of the secondary underwater bow thrusters 95 and 96.

LaFIG. 8montre un autre type de structure dit « upwind » (à façade verticale et vent arrivant de face) dont les pales 122 de l’éolienne 100 ne tournent pas au centre de la pyramide formée par la structure porteuse 110 mais à l’extérieur et sur l’avant de la structure tubulaire 110. Néanmoins, les mêmes moyens que ceux décrits en relation avec les figures 1 à 7 sont utilisés pour le même objectif.There FIG. 8 shows another type of structure called "upwind" (with vertical face and wind coming from the front) in which the blades 122 of the wind turbine 100 do not rotate in the center of the pyramid formed by the supporting structure 110 but outside and on the front of the tubular structure 110. Nevertheless, the same means as those described in relation to figures 1 to 7 are used for the same objective.

Comme il a été expliqué en préambule, il arrive que la structure flottante 10 se rapproche involontairement de la bouée 20 (flèche F de laFIG. 6), que les pales 122 de l’hélice 120 soient en rotation (mode production d’énergie) ou non.As explained in the introduction, it sometimes happens that the floating structure 10 unintentionally approaches the buoy 20 (arrow F of the FIG. 6 ), whether the blades 122 of the propeller 120 are rotating (energy production mode) or not.

Ce phénomène a été étudié longuement pas la déposante selon les protocole décrit ci-après.This phenomenon has been studied extensively by the applicant according to the protocol described below.

En effet, en raison de son système d'ancrage basé sur un amarrage à point unique (Single Point Mooring - SPM), les éoliennes offshore flottantes sont soumises à des mouvements potentiellement dangereux dans des conditions de faible vent. En effet, la poussée appliquée sur le rotor 124 lorsque les pales 122 de l'éolienne 100 produisent de l’énergie électrique est supérieure à la force de traînée induite par le courant. Le flotteur 10 s'aligne donc naturellement sur la direction du vent. Pour des vitesses de vent inférieures à 4 m/s, les pales 122 de l'éolienne 100 sont arrêtées et la poussée résultante tend à être inférieure à la traînée du courant. Le flotteur 10 a donc tendance à s'aligner sur la direction du courant avec une trajectoire incontrôlée après l'arrêt de la rotation des pales 122 de l’éolienne 100. Cela peut entraîner un accrochage de l'une des aussières 30 avec les lignes d'amarrage ou le câble électrique, ou, dans le pire des cas, une collision entre le flotteur 10 et la bouée 20.Indeed, due to their anchoring system based on single-point mooring (SPM), floating offshore wind turbines are subject to potentially dangerous movements in low wind conditions. Specifically, the thrust applied to the rotor 124 when the blades 122 of the turbine 100 generate electrical energy is greater than the drag force induced by the current. The float 10 therefore naturally aligns itself with the wind direction. For wind speeds below 4 m/s, the blades 122 of the turbine 100 are stopped, and the resulting thrust tends to be less than the current drag. The float 10 therefore tends to align itself with the direction of the current with an uncontrolled trajectory after the rotation of the blades 122 of the wind turbine 100 has stopped. This can lead to one of the mooring lines 30 getting caught on the mooring lines or the electric cable, or, in the worst case, a collision between the float 10 and the buoy 20.

Afin d'identifier les conditions environnementales dans lesquelles les moyens de pilotage 80 (appelé également système dans la présente description) doivent être activés, un tableau de cas de charge comprenant des vents faibles et des courants de directions opposées a été utilisé. Des séries temporelles de résultats sont extraites d'une base de données de mesures et utilisées comme données environnementales de référence pour évaluer les performances système. Ces données sont issues d’une première campagne A de mesure d’une durée de 7 années débutée en 2012 et terminée en 2019 avec des données échantillonnées toutes les heures, suivie d’une seconde campagne B de mesure d’une durée de 3 mois conduite en 2013 avec un échantillonnage des données toutes les 10 minutes. Les données ainsi recueillies permettent de dresser un graphique représentant la vitesse du courant en m/s, dans une plage allant de 0 à plus de 1,2, et la vitesse du vent en m/s dans une plage allant de 0 à plus de 25 m/s.To identify the environmental conditions under which the control system 80 (also referred to as the system in this description) should be activated, a load case table including low winds and opposing currents was used. Time series of results were extracted from a measurement database and used as baseline environmental data to evaluate system performance. This data comes from a first measurement campaign (A) lasting seven years, which began in 2012 and ended in 2019 with hourly data sampling, followed by a second measurement campaign (B) lasting three months, conducted in 2013 with 10-minute data sampling. The data thus collected allows for the creation of a graph representing the current speed in m/s, in a range from 0 to over 1.2, and the wind speed in m/s in a range from 0 to over 25 m/s.

En s’intéressant en particulier aux transitoires élevées de vent et de courant, des études basées sur une sélection de données de vent/courant issu de la campagne B (pour avoir un taux d’échantillonnage plus petit et une résolution plus élevée) ont été menées et une sélection a été faites pour identifier les cas dans lesquels la vitesse du vent est inférieure à 5 m/s et la direction du vent par rapport au courant est supérieure à 90°.With particular interest in high wind and current transients, studies based on a selection of wind/current data from campaign B (to have a smaller sampling rate and higher resolution) were carried out and a selection was made to identify cases in which the wind speed is less than 5 m/s and the wind direction relative to the current is greater than 90°.

Il a ainsi été possible de faire ressortir 47 cas différents qui peuvent être classés en 3 catégories, à savoir des conditions statiques de type à vent faible et courant faible, dans lesquelles le système 80 selon l’invention doit être utilisé pour compenser la tension résiduelle des aussières 30 qui tendent à attirer le flotteur 10 vers la bouée 20, des conditions de prédominance du courant sur le vent dans lesquelles l'éolienne 100 est en mode de production d’énergie électrique, et des conditions de prédominance du vent sur le courant dans lesquelles l'éolienne 100 est arrêtée.It was thus possible to highlight 47 different cases which can be classified into 3 categories, namely static conditions of the type with low wind and low current, in which the system 80 according to the invention must be used to compensate for the residual tension of the mooring lines 30 which tend to attract the float 10 towards the buoy 20, conditions of predominance of the current over the wind in which the wind turbine 100 is in mode of producing electrical energy, and conditions of predominance of the wind over the current in which the wind turbine 100 is stopped.

Suite à une sélection, 13 de ces 47 cas ont été étudiées de manière plus détaillée, en couvrant les 3 catégories présentées ci-avant. La plupart des cas de charge identifiés comprennent des vitesses de courant allant de 0,05 m/s à 0,3 m/s. Un seul cas de charge présente des vitesses de courant allant jusqu'à 0,6 m/s.Following a selection process, 13 of these 47 cases were studied in more detail, covering the three categories presented above. Most of the identified load cases involve current velocities ranging from 0.05 m/s to 0.3 m/s. Only one load case exhibits current velocities up to 0.6 m/s.

L'étude de la campagne A montre quant à elle que le courant peut atteindre des vitesses allant jusqu'à 1,1 m/s. Cette seconde étude permet d’obtenir un échantillon étendu plus représentatif des vitesses de courant. La sélection menée dans cette seconde étude permet ainsi d’extraire 8 cas dans lesquels les transitoires présentent une vitesse du courant supérieure à 0,5 m/s et une orientation du vent par rapport au courant supérieure à 90°.Study A shows that the current can reach speeds of up to 1.1 m/s. This second study provides a larger, more representative sample of current speeds. The selection process in this second study allows us to extract eight cases in which the transients exhibit a current speed greater than 0.5 m/s and a wind direction relative to the current greater than 90°.

Toutes ces données sont rassemblées et introduites dans une plateforme de simulation Orcaflex ®. En absence d’un quelconque système conforme à la présente invention, la simulation met en évidence plusieurs situations critiques où le flotteur 10 se rapproche plus ou moins de la bouée 20 et plus ou moins vite (flèche F de laFIG. 6). Au cours de ces événements, les deux aussières 30 ont ainsi tendance à se détendre. Cela peut être mesuré par leur inclinaison par rapport à l’horizontale.All this data is collected and entered into an Orcaflex® simulation platform. In the absence of any system conforming to the present invention, the simulation highlights several critical situations where the float 10 approaches the buoy 20 to varying degrees and at varying speeds (arrow F of the FIG. 6 During these events, the two hawsers 30 tend to slacken. This can be measured by their inclination relative to the horizontal.

Lorsque l'aussière 30 est correctement tendue, l’angle α est nul sur laFIG. 6ou 7, lorsque l’aussière se détend et se relâche, l’angle α est alors strictement supérieur à 0°, par exemple environ 5 à 30°, et plus spécifiquement entre environ 10 et 20°,selon le niveau de relâchement de l’aussière 30, qui peut même entrer en contact avec la surface E de l’eau. Quand l’angle α commence à dépasser les 10°, cela signifie que la proue 12 de la plateforme 11 s’est déjà rapprochée de plusieurs mètres de la bouée 20 et que le système 80 doit être mis en route.When the hawser 30 is properly tensioned, the angle α is zero on the FIG. 6 or 7, when the mooring line slackens and releases, the angle α is then strictly greater than 0°, for example approximately 5 to 30°, and more specifically between approximately 10 and 20°, depending on the degree of slack in the mooring line 30, which may even come into contact with the water's surface E. When the angle α begins to exceed 10°, this means that the bow 12 of the platform 11 has already moved several meters closer to the buoy 20 and that the system 80 must be activated.

On considère que le seuil de distance d'éloignement D à partir duquel le système 80 se met en route (de préférence automatiquement) est compris entre environ 80% à 90% de la distance nominale pour laquelle l’aussière de liaison 30 de la structure flottante 10 à la bouée 20 est sous tension maximale (sans étirement de l’aussière, c’est-à-dite une tension normale avec l’aussière bien droite). Ainsi, si la distance nominale D entre la proue et l’axe ZZ’ est d’environ 100m, alors le déclenchement du système 80 commencera dès que cette D distance est de 80 à 90 m.The threshold distance D at which system 80 activates (preferably automatically) is considered to be between approximately 80% and 90% of the nominal distance at which the connecting mooring line 30 from the floating structure 10 to the buoy 20 is under maximum tension (without stretching the mooring line, i.e., normal tension with the line perfectly straight). Thus, if the nominal distance D between the bow and the axis ZZ' is approximately 100 m, then system 80 will begin to activate as soon as this distance D reaches 80 to 90 m.

Il ressort de cette étude que les aussières 30 se détendent principalement dans les cas où la vitesse de courant est inférieure ou égal à 0,3 m/s. Pour les cas où la vitesse de courant est plus élevée (0,3 m/s et au-delà), les situations critiques sont rares. Ceci peut s'expliquer par le fait que le flotteur 10 s'aligne facilement sur la direction du courant lorsque la vitesse de ce dernier est élevée, tandis que les aussières 30 ont tendance à attirer le flotteur 10 vers la bouée 20 lorsque le courant est faible. Néanmoins, un courant de forte amplitude et de direction opposée au vent peut être problématique pendant la phase transitoire lorsque l'éolienne 100 est arrêtée.This study shows that the mooring lines 30 slack primarily when the current speed is less than or equal to 0.3 m/s. Critical situations are rare when the current speed is higher (0.3 m/s and above). This can be explained by the fact that the float 10 easily aligns with the current direction when the current speed is high, while the mooring lines 30 tend to pull the float 10 towards the buoy 20 when the current is weak. Nevertheless, a strong current flowing in the opposite direction to the wind can be problematic during the transitional phase when the wind turbine 100 is stopped.

L’invention permet ainsi de maintenir le flotteur 10 à une distance souhaitée de la bouée 20 avec les deux aussières 30 tendues. Dans certaines situations, l’invention a également la capacité de déplacer le flotteur 10 vers un endroit sûr où il ne risque pas de s'écraser en appliquant une force longitudinale et latérale à ce dernier.The invention thus makes it possible to maintain the float 10 at a desired distance from the buoy 20 with the two hawsers 30 taut. In certain situations, the invention also has the capacity to move the float 10 to a safe location where it will not be at risk of crashing by applying a longitudinal and lateral force to it.

Ce rôle est rempli par deux systèmes d'actionneurs, à savoir :
- l’éolienne 100 utilisée en mode moteur si le dispositif de production d’énergie est connecté au réseau, et
- deux propulseurs d’appoint 95 et 96, l'un longitudinal et l'autre latéral, si le dispositif de production d’énergie 1 n’est pas connecté au réseau.
This role is fulfilled by two actuator systems, namely:
- the 100 wind turbine used in motor mode if the energy production device is connected to the grid, and
- two auxiliary thrusters 95 and 96, one longitudinal and the other lateral, if the power generation device 1 is not connected to the network.

L’éolienne 100 utilisée en mode moteur a pour but de générer des forces longitudinales et latérales grâce à la combinaison de deux commandes :
- Utiliser le convertisseur pour piloter la machine électrique comme un moteur au lieu d'une génératrice, et
- Utiliser le contrôle individuel du pas (IPC) pour changer le pas des pales 122 dans une partie du disque de rotation afin de générer un mouvement latéral.
The 100 wind turbine used in motor mode aims to generate longitudinal and lateral forces through the combination of two controls:
- Use the converter to drive the electrical machine as a motor instead of a generator, and
- Use individual pitch control (IPC) to change the pitch of the 122 blades in a part of the rotating disk in order to generate lateral movement.

Plus précisément, lorsque la somme des 2 vecteurs présentés ci-dessous à l’instant t, ou la somme prévisionnelle dans les prochaines heures, indique que le flotteur 10 risque de se rapprocher de la bouée 20 :
- le vecteur représentant la poussée du vent (estimée grâce à un anémomètre, une girouette, la vitesse de rotation du rotor, l’incidence de chacune des pales, la connaissance de la surface et les coefficients de trainée de la partie émergée de la coque, des mâts et de la nacelle, la connaissance des prévisions de vent), et
- le vecteur représentant la poussée du courant (estimée grâce à la connaissance des courants de marées en fonction de la date et de l’heure, à un courantomètre, et la connaissance de la surface et les coefficients de trainée de la partie immergée de la coque),
- ou lorsque les moyens 50 de mesure d’inclinaison (inclinomètres) redondants placés sur les aussières mesurent 30 un angle α dépassent un certain seuil (par exemple 5° ou 10°selon la longueur des aussières 30 / la distance nominale D).
More precisely, when the sum of the 2 vectors presented below at time t, or the predicted sum in the next few hours, indicates that float 10 is likely to move closer to buoy 20:
- the vector representing the wind thrust (estimated using an anemometer, a wind vane, the rotor's rotation speed, the angle of attack of each blade, knowledge of the surface area and drag coefficients of the above-water part of the hull, masts and nacelle, and knowledge of wind forecasts), and
- the vector representing the current thrust (estimated using knowledge of tidal currents based on date and time, a current meter, and knowledge of the surface area and drag coefficients of the submerged part of the hull),
- or when the redundant 50 means of measuring inclination (inclinometers) placed on the mooring lines measure 30 an angle α exceeding a certain threshold (for example 5° or 10° depending on the length of the mooring lines 30 / the nominal distance D).

Alors, le mode moteur du rotor 124 de l’éolienne 100 est activé, si elle est connectée au réseau. A défaut, on peut activer sur le prototype des propulseurs d’étraves 95 et 96 alimentés par une source d’énergie de secours (batteries ou diesels).So, the motor mode of rotor 124 of wind turbine 100 is activated, if it is connected to the grid. Otherwise, bow thrusters 95 and 96, powered by a backup power source (batteries or diesels), can be activated on the prototype.

Un logiciel permet d’intégrer toutes les mesures afin de piloter l’éolienne 100 en mode moteur. Selon un schéma développé par la demanderesse, le logiciel comprend cinq blocs principaux, à savoir :
- un bloc d’estimation qui calcule les variables qui ne peuvent pas être mesurées (ex : poussée, traînée hydrodynamique...), ces variables étant utilisées par un bloc contrôleur,
- un bloc de supervision qui définit le mode de fonctionnement du système 80 en fonction des demandes d’un système de contrôle et d'acquisition de données en temps réel SCADA(de l’anglais : Supervisory Control And Data Acquisition), des données d'entrée et des signaux d'alarme, et qui choisit le système d'actionneur à utiliser,
- un bloc de détection qui permet d'utiliser la stratégie de contrôle en fonction des conditions environnementales (sens et force du vent, force et sens du courant),
- un bloc de contrôle qui calcule les commandes de force longitudinale et latérale à appliquer, et
- un bloc actionneur convertit ces commandes de force en commandes de pas de pale 122 et de vitesse de rotor 126 pour le mode moteur, ou en puissance pour chacun des propulseurs 95 et 96.
Software is used to integrate all the measurements necessary to control the 100-watt wind turbine in motor mode. According to a diagram developed by the applicant, the software comprises five main blocks, namely:
- an estimation block that calculates variables that cannot be measured (e.g., thrust, hydrodynamic drag...), these variables being used by a controller block,
- a supervisory block that defines the operating mode of system 80 according to the demands of a SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) real-time control and data acquisition system, input data and alarm signals, and that selects the actuator system to use,
- a detection block that allows the control strategy to be used according to environmental conditions (wind direction and strength, current strength and direction),
- a control block that calculates the longitudinal and lateral force commands to be applied, and
- an actuator block converts these force commands into blade pitch commands 122 and rotor speed commands 126 for motor mode, or into power for each of the thrusters 95 and 96.

Il doit être bien entendu que la description détaillée de l’objet de l'Invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.It must be clearly understood that the detailed description of the object of the Invention, given solely as an illustration, does not in any way constitute a limitation, technical equivalents also being included in the scope of the present invention.

Ainsi, la plateforme flottante 10 pourrait servir de support à plusieurs éoliennes 100 et non plus une seule.Thus, the floating platform 10 could serve as a support for several wind turbines 100 and no longer just one.

Claims (17)

Ensemble (1) flottant en milieu marin pour la production d’énergie électrique utilisant le vent comprenant :
- une structure flottante (10) comportant au moins une plateforme (11) pourvue d’une proue (12) à laquelle est reliée une bouée (20) à l’aide d’au moins une liaison souple de type aussière (30),
- des moyens (40) reliés à la bouée (20) pour ancrer ladite structure flottante (10) à un fond marin (5),
- au moins une éolienne (100) montée sur la structure flottante (10) et comportant une structure porteuse (110) dressée sensiblement verticalement sur la structure flottante (10) et supportant une hélice (120) à plusieurs pales (122) reliées à un rotor (126) commun tournant sur lui-même autour d’un axe de rotation (XX’), et
- des moyens (60 ; 70) de détermination de l’un au moins des paramètres suivants parmi la direction du vent, la vitesse du vent, le sens du courant marin et la vitesse du courant marin,
caractérisé en ce qu’ilcomporte en outre :
- des moyens (128) pour motoriser l’hélice (120) de l’éolienne (100) afin de faire tourner son rotor (126) dans un sens de rotation ou dans le sens opposé,
- des moyens (50) pour mesurer la distance d’éloignement D entre la proue (12) de la structure flottante (10) et un axe de rotation verticale (ZZ’) de la bouée (20),
- des moyens de pilotage (80) pour mettre en route les moyens (128) de motorisation de l’hélice (120) et faire tourner son rotor (126 ) afin d’éloigner la structure flottante (10) de ladite bouée (20) lorsque ladite distance d’éloignement D mesurée par le capteur de distance (50) est inférieure à un seuil déterminé.
Assembly (1) floating in a marine environment for the production of electrical energy using wind comprising:
- a floating structure (10) comprising at least one platform (11) equipped with a bow (12) to which a buoy (20) is connected by means of at least one flexible hawser-type connection (30),
- means (40) connected to the buoy (20) for anchoring said floating structure (10) to a seabed (5),
- at least one wind turbine (100) mounted on the floating structure (10) and comprising a supporting structure (110) erected substantially vertically on the floating structure (10) and supporting a propeller (120) with several blades (122) connected to a common rotor (126) rotating on itself around an axis of rotation (XX'), and
- means (60; 70) for determining at least one of the following parameters among wind direction, wind speed, direction of ocean current and speed of ocean current,
characterized in that it also comprises:
- means (128) for motorizing the propeller (120) of the wind turbine (100) in order to rotate its rotor (126) in one direction of rotation or in the opposite direction,
- means (50) for measuring the distance D between the bow (12) of the floating structure (10) and a vertical axis of rotation (ZZ') of the buoy (20),
- piloting means (80) to start the propeller (120) motorization means (128) and rotate its rotor (126) in order to move the floating structure (10) away from said buoy (20) when said separation distance D measured by the distance sensor (50) is less than a determined threshold.
Ensemble (1) selon la revendication 1,caractérisé en ce qu’ilcomporte en outre :
– des moyens (90) pour évaluer la prévision de position azimutale de la structure flottante (10) par rapport à la bouée (20),
- des moyens (80) de pilotage pour mettre en route les moyens de motorisation (128) de l’hélice (120) et faire tourner son rotor (126) afin de déplacer la structure flottante (10) autour ladite bouée (20) selon l’axe (ZZ’) dans le sens horaire ou dans le sens anti-horaire selon ladite prévision de position azimutale de la structure flottante (10).
Assembly (1) according to claim 1, characterized in that it further comprises:
– means (90) for evaluating the predicted azimuthal position of the floating structure (10) relative to the buoy (20),
- piloting means (80) to start the motorization means (128) of the propeller (120) and rotate its rotor (126) in order to move the floating structure (10) around said buoy (20) along the axis (ZZ') clockwise or counterclockwise according to said azimuthal position prediction of the floating structure (10).
Ensemble (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce queles pales (122) composant l’hélice (120) disposent de moyens (130) d’ajustement de leur pas en fonction de la position azimutale de chaque pale (122), de manière à créer une composante axiale de poussée du rotor (126) colinéaire avec l’axe (XX’) dudit rotor (126) et une composante latérale de poussée du rotor (126) perpendiculaire à l’axe (XX’) dudit rotor (126).Assembly (1) according to claim 2, characterized in that the blades (122) composing the propeller (120) have means (130) for adjusting their pitch as a function of the azimuthal position of each blade (122), so as to create an axial thrust component of the rotor (126) collinear with the axis (XX') of said rotor (126) and a lateral thrust component of the rotor (126) perpendicular to the axis (XX') of said rotor (126). Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce queles moyens (128) de motorisation de l’hélice (120) sont constitués par le moteur (128) du rotor (126) de l’éolienne fonctionnant en mode propulsion et relié à une génératrice principale d’énergie électrique (129).Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the propeller (120) motorization means (128) consist of the motor (128) of the rotor (126) of the wind turbine operating in propulsion mode and connected to a main electric power generator (129). Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce qu ’ilcomporte en outre au moins un propulseur secondaire subaquatique d’étrave (95 ; 96) lié à la structure flottante (10) et connecté à une source secondaire d’énergie électrique (98).Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises at least one secondary underwater bow thruster (95; 96) linked to the floating structure (10) and connected to a secondary source of electrical power (98). Ensemble (1) selon les revendications 4 et 5,caractérisé en ce quela génératrice principale d’énergie électrique (129) et/ou la source secondaire d’énergie électrique (98) comporte(nt) une batterie.Assembly (1) according to claims 4 and 5, characterized in that the main electric power generator (129) and/or the secondary electric power source (98) comprise(s) a battery. Ensemble (1) selon les revendications 4 et 5,caractérisé en ce quela génératrice principale d’énergie électrique (129) et/ou la source secondaire d’énergie (98) comporte(nt) un moteur à combustible fossile tel qu’un générateur diesel.Assembly (1) according to claims 4 and 5, characterized in that the main electric power generator (129) and/or the secondary power source (98) comprise(s) a fossil fuel engine such as a diesel generator. Ensemble (1) selon la revendication 6 ou la revendication 7,caractérisé en ce quela génératrice principale d’énergie électrique (129) et la source secondaire d’énergie électrique (98) sont confondues en un seul dispositif.Assembly (1) according to claim 6 or claim 7, characterized in that the main electric power generator (129) and the secondary electric power source (98) are combined into a single device. Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce queles moyens (50) de mesure de la distance d’éloignement D comportent un système de géolocalisation de type GPS.Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the means (50) for measuring the distance D comprise a GPS-type geolocation system. Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce queles moyens (50) de mesure de la distance d’éloignement D comportent au moins un détecteur (51) monté sur un connecteur double-axes de chaque aussière (30) reliant la bouée (20) à la structure flottante (10) et mesurant une différence d’inclinaison (α) de l’aussière considérée (30) entre une première position de référence dans laquelle ladite aussière (30) est totalement sous tension et une seconde position dans laquelle ladite aussière (30) est détendue afin d’en déduire une diminution potentielle de la tension dans ladite aussière et une diminution de la distance d’éloignement D.Assembly (1) according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the means (50) for measuring the separation distance D comprise at least one detector (51) mounted on a double-axis connector of each mooring line (30) connecting the buoy (20) to the floating structure (10) and measuring a difference in inclination (α) of the mooring line considered (30) between a first reference position in which said mooring line (30) is totally under tension and a second position in which said mooring line (30) is slack in order to deduce a potential decrease in tension in said mooring line and a decrease in the separation distance D. Ensemble (1) selon la revendication 10,caractérisé en ce que, la structure flottante (10) étant reliée à la bouée (20) par deux aussières (30) disposées respectivement à bâbord et tribord, et chaque aussière (30) comportant deux connecteurs double-axe, les moyens de mesure (50) de la distance d’éloignement D comportent un détecteur (51) par axe de connecteur, c’est-à-dire quatre détecteurs au total.Assembly (1) according to claim 10, characterized in that , the floating structure (10) being connected to the buoy (20) by two mooring lines (30) arranged respectively on the port and starboard sides, and each mooring line (30) comprising two double-axis connectors, the means for measuring the separation distance D comprise a detector (51) per connector axis, i.e. four detectors in total. Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce queles moyens de pilotage (80) comprennent au moins un module de type Proportionnel Intégrale Dérivée (PID) adaptant en temps réel la vitesse de rotation du rotor (126) en fonction de la distance d’éloignement D mesurée et/ou la vitesse de déplacement de la structure flottante (10) et/ou la puissance fournie aux moyens de motorisation (128) afin que ladite structure flottante (10) soit située en permanence à une distance d’éloignement D supérieure ou égale au seuil déterminé.Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the control means (80) comprise at least one Proportional Integral Derivative (PID) type module adapting in real time the rotation speed of the rotor (126) as a function of the measured distance D and/or the speed of movement of the floating structure (10) and/or the power supplied to the drive means (128) so that said floating structure (10) is permanently located at a distance D greater than or equal to the determined threshold. Ensemble (1) selon les revendications 11 et 12,caractérisé en ce queles moyens de pilotage (80) comportent deux modules PID, un par aussière (30), collaborant l’un avec l’autre pour contrôler la vitesse de rotation du rotor (126) et le pas des pales (122) de l’hélice (120).Assembly (1) according to claims 11 and 12, characterized in that the piloting means (80) comprise two PID modules, one per hawser (30), collaborating with each other to control the rotational speed of the rotor (126) and the pitch of the blades (122) of the propeller (120). Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela bouée (20) est ancrée de manière statique au sol marin (5) à l’aide de trois lignes d’ancrage souples (40) espacées angulairement l’une de l’autre de 120°selon un plan de projection horizontal desdites lignes d’ancrage.Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the buoy (20) is statically anchored to the seabed (5) by means of three flexible anchor lines (40) spaced angularly apart from each other by 120° along a horizontal projection plane of said anchor lines. Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce queles moyens (60) de détermination de la direction du vent comportent l’un au moins des dispositifs suivants choisis parmi un anémomètre ou une girouette.Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the means (60) for determining the wind direction comprise at least one of the following devices selected from an anemometer or a wind vane. Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce queles moyens (70) de détermination du sens et de la vitesse du courant marin reposent sur la connaissance des courants de marée en fonction de la date et de l’heure, l’utilisation d’un courantomètre, et la connaissance de la surface et des coefficients de trainée de la partie immergée de la structure flottante.Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the means (70) for determining the direction and speed of the marine current are based on knowledge of tidal currents as a function of date and time, the use of a current meter, and knowledge of the surface area and drag coefficients of the submerged part of the floating structure. Ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quele seuil de distance d'éloignement D est compris entre environ 80% à 90% de la distance nominale pour laquelle l’aussière de liaison (30) de la structure flottante (10) à la bouée (20) est tendue.Assembly (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation distance threshold D is between approximately 80% and 90% of the nominal distance for which the connecting hawser (30) of the floating structure (10) to the buoy (20) is stretched.
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