FR3139794A1 - Structure de support flottant à multiples colonnes centrales pour éolienne offshore et procédé d’assemblage d’une telle structure - Google Patents
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Abstract
Structure de support flottant à multiples colonnes centrales pour éolienne offshore et procédé d’assemblage d’une telle structure
L’invention concerne une structure de support flottant (2-1) pour éolienne offshore, comprenant un connecteur inférieur (4) centré sur un axe (X-X) d’un mât (9) de l’éolienne et comprenant au moins trois réceptacles inférieurs (10) régulièrement répartis autour de l’axe du mât de l’éolienne, un connecteur supérieur (6) centré sur l’axe du mât de l’éolienne et comprenant, dans une partie supérieure, des moyens de réception (14) d’un mât d’éolienne et, dans une partie inférieure, au moins trois réceptacles supérieurs (12) régulièrement répartis autour de l’axe du mât de l’éolienne, et au moins trois colonnes centrales tubulaires (8) identiques qui sont assemblées à une extrémité inférieure dans l’un des réceptacles du connecteur inférieur et à une extrémité supérieure opposée dans l’un des réceptacles du connecteur supérieur (de façon à former un pylône de support flottant s’inscrivant dans le prolongement vertical du mât de l’éolienne. L’invention concerne aussi un procédé d’assemblage d’une telle structure.
Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des éoliennes offshore, c’est-à-dire implantées au large des côtes, et plus particulièrement aux structures de support flottant pour éoliennes offshore flottantes.
L’invention concerne également un procédé d’installation d’une éolienne offshore munie d’une telle structure de support.
Une éolienne offshore a pour but d’utiliser l’énergie du vent afin de produire de l’électricité grâce à une turbine et à un générateur électrique. Il existe deux principaux types d’éoliennes offshore : les éoliennes fixes qui sont implantées sur les fonds marins (à de faibles profondeurs typiquement inférieures à 50m), et les éoliennes flottantes qui offrent l’avantage de pouvoir être construites sur terre et implantées dans des zones où la profondeur des fonds marins dépasse typiquement 50m.
Les éoliennes flottantes qui sont concernées par la présente invention comprennent une turbine généralement formée par un moteur à plusieurs pales rotatives à axe horizontal et un générateur électrique accouplé au moteur, le moteur et le générateur étant fixés à une extrémité supérieure d’un mât (ou pylône) vertical. L’extrémité inférieure du mât est quant à elle montée sur une structure de support flottant.
Il existe quatre familles principales de structure de support flottant pour éolienne offshore : les flotteurs semi-submersibles, les flotteurs immergés avec câbles tendus (ou plateformes « TLP » pour « Tension-Leg Platform » en anglais), les flotteurs de type « SPAR » (pour « Single Point Anchor Reservoir »), les flotteurs semi-submersibles de type « barge », et flotteurs avec un contrepoids pendulaire
Les flotteurs semi-submersibles constituent le modèle de flotteur le plus répandu actuellement. Il s’agit d’une fondation en acier ou en béton qui se pré -
sente généralement sous la forme d’un trépied avec trois colonnes cylindriques (ou quatre) reliées entre elles par des structures métalliques. La stabilité de la structure est assurée grâce à un système de ballastage qui permet l’immersion d’une partie de la fondation. Cette structure est caractérisée par sa grande taille et son tirant d’eau réduit. On pourra se référer à la publication WO 2019/106283 qui décrit une structure de flotteur semi-submersible et un procédé d’installation d’une éolienne munie d’une telle structure de flotteur.
sente généralement sous la forme d’un trépied avec trois colonnes cylindriques (ou quatre) reliées entre elles par des structures métalliques. La stabilité de la structure est assurée grâce à un système de ballastage qui permet l’immersion d’une partie de la fondation. Cette structure est caractérisée par sa grande taille et son tirant d’eau réduit. On pourra se référer à la publication WO 2019/106283 qui décrit une structure de flotteur semi-submersible et un procédé d’installation d’une éolienne munie d’une telle structure de flotteur.
Les plateformes de type « TLP » sont des flotteurs qui présentent la particularité d’être majoritairement immergés, la plateforme étant reliée au fond marin par des câbles sous tension qui s’opposent à la remontée du flotteur en exerçant une force vers le fond.
Le flotteur de type « SPAR » se caractérise par sa forme cylindrique s’inscrivant dans le prolongement du mât de l’éolienne. Sa stabilité lui est conférée par un lourd ballast qui abaisse le centre de gravité de l’ensemble et qui est dotée d'ancrages caténaires permettant de fixer l’éolienne par accrochage au fond marin. On pourra se référer aux publications WO 2005/021961, WO 2006/121337 et WO 2006/132539 qui décrivent des exemples de réalisation d’une plateforme « SPAR », de son ancrage et de son procédé d’installation en mer.
Enfin, les flotteurs semi-submersibles de type « barge » se présentent sous la forme d’une fondation plus compacte qui est comparable à une barge rectangulaire percée en son centre et constituée principalement de béton ou d’acier.
La plupart des structures de support flottant n’ont pas été conçues pour s’inscrire dans le cadre d’une industrialisation à grande échelle. En effet, ces flotteurs se composent généralement d’un grand nombre d’éléments à assembler, ce qui nécessite du temps et de la place au sol.
L’invention a donc pour objet de proposer une structure de support flottant (de type « SPAR », semi-submersible ou de type « TLP ») pour éolienne offshore qui permette de simplifier son assemblage et d’accélérer le temps d’assemblage tout en minimisant l’espace requis à terre.
Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à une structure de support flottant à multiples colonnes centrales pour éolienne offshore, comprenant :
- au moins deux colonnes centrales tubulaires identiques et indépendantes qui sont assemblées les unes aux autres autour d’un axe d’un mât de l’éolienne de façon à former un pylône de support flottant s’inscrivant dans le prolongement vertical du mât de l’éolienne ;
- un connecteur inférieur centré sur l’axe du mât de l’éolienne et destiné à assurer un maintien et une reprise des efforts des colonnes centrales au niveau de leur extrémité inférieure respective ; et
- un connecteur supérieur centré sur l’axe du mât de l’éolienne et comprenant, dans une partie supérieure, des moyens de réception du mât de l’éolienne et, dans une partie inférieure, au moins deux réceptacles supérieurs pour recevoir une extrémité supérieure des colonnes centrales.
L’invention est remarquable en ce qu’elle se base sur une approche modulaire pour la réalisation de la structure de support flottant. En particulier, à partir de connecteurs inférieur et supérieur, l’invention prévoit de former le pylône de support flottant en utilisant une pluralité de colonnes centrales identiques et indépendantes qui sont assemblées grâce à ces connecteurs. Le nombre de colonnes centrales pourra être de 2, 3, 4, 5, 6, etc. et faire varier ainsi le design de la structure de support flottant en fonction des conditions du site d’implantation de la structure.
Du fait que les colonnes centrales soient toutes identiques, cela simplifie grandement l’assemblage de la structure de support flottant. En effet, ces colonnes centrales, mais aussi les connecteurs inférieur et supérieur, peuvent être préfabriquées en série sur un même modèle et rapidement assemblées sur site. Il en résulte une simplification d’assemblage et un gain de temps.
Le pylône de support flottant peut être dépourvu de traverse de façon à former un flotteur de type SPAR.
Alternativement, chaque colonne centrale peut être raccordée à au moins une traverse tubulaire dont une extrémité opposée à la colonne centrale constitue un nœud de flottaison espacé radialement du pylône de support flottant de façon à former un flotteur de type semi-submersible.
Dans une variante, chaque colonne centrale est raccordée, d’une part au niveau de son extrémité inférieure à au moins une traverse radiale, et d’autre part au-dessus de son extrémité inférieure à au moins une traverse diagonale, la traverse radiale et la traverse diagonale étant raccordées l’une à l’autre au niveau du nœud de flottaison de façon à former un ensemble unitaire flottant de forme triangulaire.
Dans une autre variante, chaque colonne centrale est raccordée, d’une part au niveau de son extrémité inférieure à au moins une première traverse radiale, et d’autre part au-dessus de son extrémité inférieure à au moins une seconde traverse radiale, les traverses radiales étant raccordées l’une à l’autre au niveau du nœud de flottaison de façon à former un ensemble unitaire flottant de forme rectangulaire.
De façon avantageuse, chaque ensemble unitaire flottant comprend au moins un module de flottaison positionné au niveau de son nœud de flottaison.
Chacun de ces modules de flottaison peut comprendre une tige centrale s’étendant parallèlement à l’axe du mât de l’éolienne et sur lequel sont emboîtés au moins un anneau en acier et/ou au moins un anneau en matériau non métallique.
L’axe du mât de l’éolienne peut être aligné sur un centre de symétrie du flotteur. Alternativement, l’axe du mât de peut être excentré par rapport à un centre de symétrie du flotteur.
De préférence, les nœuds de flottaison respectifs des ensembles unitaires flottant sont reliés les uns aux autres par au moins un câble, les nœuds de flottaison comprenant des dispositifs de mise en tension du câble.
La structure peut comprendre en outre au moins un élément de flottaison positionné autour du câble.
De préférence, chaque ensemble unitaire flottant comprend un réseau de tuyauterie de ballastage logé à l’intérieur d’au moins l’une des traverses et de la colonne centrale.
Le pylône de support flottant et/ou au moins l’une des traverses radiales peut comprendre au moins une unité centrale de flottaison.
Dans une variante, le connecteur inférieur est une pièce indépendante des colonnes centrales et comprend au moins deux réceptacles inférieurs pour recevoir chacun une extrémité inférieure des colonnes centrales.
Dans une autre variante, le connecteur inférieur est un collier de serrage venant serrer les extrémités inférieures respectives des colonnes centrales.
L’invention a également pour objet un procédé d’assemblage d’une structure de support flottant telle que définie précédemment, comprenant une étape d’assemblage au sec de l’extrémité inférieure de chaque colonne centrale sur le connecteur inférieur, suivie par une étape d’assemblage au sec du connecteur supérieur sur l’extrémité supérieure de chaque colonne centrale.
L’invention a encore pour objet un procédé d’assemblage d’une structure de support flottant telle que définie précédemment, comprenant successivement :
- une étape d’assemblage des éléments unitaires flottant sur le connecteur inférieur en soulevant chaque élément unitaire et en le pivotant pour faire reposer le nœud de flottaison sur un support préalablement positionné à terre pour garantir le bon positionnement latéral de l’élément unitaire flottant ;
- une étape d’assemblage du connecteur supérieur sur l’extrémité supérieure de la colonne centrale de chaque élément unitaire flottant ; et
- une étape de connexion des colonnes centrales des éléments unitaires flottant aux connecteurs inférieur et supérieur par soudage, par collage ou par assemblage mécanique.
Les étapes d’assemblage peuvent être réalisées sur une plateforme submersible permettant de mettre à l’eau la structure de support flottant dans une zone calme et protégée de la houle.
Dans ce cas, la plateforme submersible est avantageusement équipée d’un portique de levage permettant d’assembler le mât de l’éolienne sur la partie supérieure du connecteur supérieur de la structure de support flottant.
Les figures 1 à 3 représentent une structure de support flottant 2-1 de type semi-submersible selon un premier mode de réalisation de l’invention et destinée à recevoir un mât d’éolienne offshore (non représenté).
Selon l’invention, la structure de support flottant 2-1 comprend un assemblage entre un connecteur inférieur 4, un connecteur supérieur 6, et une pluralité (c’est-à-dire au moins deux, et au nombre de quatre sur le premier mode de réalisation des figures 1 à 3) colonnes centrales tubulaires 8 qui sont toutes identiques et indépendantes les unes des autres de façon à former un pylône s’inscrivant dans le prolongement vertical du mât 9 de l’éolienne.
Les colonnes centrales 8 ont généralement un diamètre compris entre 2 et 4 mètres. Elles peuvent être renforcées ou non à l'intérieur. Elles sont typiquement réalisées à partir de différentes technologies d'assemblage et sont faciles à fabriquer sans investissement important.
Comme représenté sur la , le connecteur inférieur 4 est, dans ce mode de réalisation, une pièce indépendante des colonnes centrales qui est centrée sur un axe vertical X-X du mât de l’éolienne et qui comprend au moins deux (au nombre de quatre sur cet exemple de réalisation) réceptacles inférieurs 10 régulièrement répartis autour de l’axe vertical X-X, ouverts vers le haut et destinés chacun à recevoir par emboîtement de formes complémentaires l’extrémité inférieure d’une colonne centrale 8.
De même, le connecteur supérieur 6 est une pièce indépendante des colonnes centrales qui est centrée sur un axe vertical X-X du mât 9 de l’éolienne et qui comprend, dans une partie inférieure, au moins deux (au nombre de quatre sur cet exemple de réalisation) réceptacles supérieurs 12 régulièrement répartis autour de l’axe vertical X-X, ouverts vers le bas et destinés chacun à recevoir par emboîtement de formes complémentaires l’extrémité supérieure d’une colonne centrale 8.
Le connecteur supérieur 6 comprend en outre, dans une partie supérieure, des moyens de réception du mât 9 de l’éolienne. Typiquement, ces moyens de réception se présentent sous la forme d’une bague 14 à l’intérieur de laquelle est emmanchée avant d’être fixée (par soudage par exemple) l’extrémité inférieure du mât de l’éolienne.
Bien entendu, il est possible d’envisager d’autres moyens de réception du mât de l’éolienne. De même, il est possible d’envisager que le connecteur supérieur ne fasse qu’une seule et même pièce avec une partie au moins du mât de l’éolienne.
Quant aux colonnes centrales 8, elles sont toutes identiques, indépendantes les unes des autres, et se présentent chacune sous la forme d’un cylindre qui s’étend verticalement et dont l’extrémité inférieure est emboîtée puis assemblée à l’intérieur de l’un des réceptacles 10 du connecteur inférieur 4, et l’extrémité supérieure est emboîtée puis assemblée à l’intérieur de l’un des réceptacles 12 du connecteur supérieur 6.
De préférence, comme représenté sur la , les réceptacles 10 du connecteur inférieur et/ou les réceptacles 12 du connecteur supérieur comportent chacun un guide de centrage 16 destiné à faciliter l’assemblage d’une extrémité correspondante de colonne centrale.
Par exemple, dans le mode de réalisation de la , ces guides de centrage 16 se présentent sous la forme de deux plaques 16a, 16b positionnées en croix et biseautées dans leur partie terminale respective pour former une pointe. Bien entendu, les guides de centrage peuvent prendre d’autres formes.
Une fois emmanchées à l’intérieur des réceptacles 10, 12 des connecteurs inférieur et supérieur, les colonnes centrales 8 sont fixés aux connecteurs par soudage, par collage ou par assemblage mécanique.
Le premier mode de réalisation de l’invention illustré par les figures 1 à 3 concerne un flotteur de type « semi-submersible » à quatre ensembles unitaires flottant.
Par « ensemble unitaire flottant », on entend que, pour chaque colonne centrale, il est prévu au moins une traverse tubulaire radiale et au moins une traverse tubulaire diagonale qui sont raccordées, d’une part à la colonne centrale, et d’autre part à un nœud de flottaison espacé radialement du pylône de support flottant.
Dans les différents modes de réalisation décrits ci-après (à l’exception de celui décrit en liaison avec les figures 4A, 4B, 22A et 22B), les ensembles unitaires flottant ont une forme triangulaire.
Plus précisément pour ces modes de réalisation, pour chaque colonne centrale 8, une traverse tubulaire radiale 20 est raccordée à une extrémité inférieure de la colonne en formant un angle compris entre 75° et 90° avec celle-ci, et une traverse tubulaire diagonale 22 est raccordée, d’une part à la colonne au-dessus de l’extrémité inférieure de celle-ci, et d’autre part à une extrémité libre de la traverse radiale en formant avec celle-ci un nœud de flottaison 24 espacé radialement de l’axe vertical X-X de façon à former un ensemble unitaire flottant 18 ayant une forme triangulaire.
Ces éléments unitaires flottant 18 de forme triangulaire sont de préférence tous identiques entre eux, ce qui facilite, d’une part leur fabrication, et d’autre part leur assemblage sur les connecteurs inférieur et supérieur.
Dans ce premier mode de réalisation, la structure de support flottant 2-1 présente quatre ensembles unitaires flottant 18 de forme triangulaire identiques qui sont régulièrement espacés les uns des autres (c’est-à-dire d’un même angle de 90°).
Bien entendu, les ensembles unitaires flottant peuvent présenter d’autres formes qu’une forme triangulaire en fonction du nombre et de la disposition des traverses radiales et diagonales. De même, ils ne sont pas forcément tous identiques les uns aux autres.
Par ailleurs, chaque ensemble unitaire flottant 18 comprend un module de flottaison 26 qui est positionné au niveau de son nœud de flottaison 24, c’est-à-dire à l’extrémité libre des traverses radiale 20 et diagonale 22 opposée à l’axe vertical X-X du mât.
Chaque module de flottaison 26 se compose d’une tige centrale 28 qui s’étend parallèlement à l’axe vertical X-X du mât et sur lequel sont emboîtés au moins un anneau en acier 30 formant un réservoir de ballast et/ou au moins un anneau en matériau non métallique 32.
Dans l’exemple de réalisation des figures 1 et 2, chaque module de flottaison 26 comprend ainsi un anneau en acier 30 surmonté de trois anneaux en matériau non métallique 32, deux autres anneaux matériau non métallique 32 étant montés sous l’anneau en acier 30.
De façon avantageuse, les anneaux non métallique 32 sont standardisés et tous identiques entre eux (en termes de dimensions et de matériau), ce qui permet d’ajuster leur nombre à chaque nœud de flottaison 24 en fonction des conditions d’implantation de l’éolienne.
Ces anneaux non métalliques 32 sont réalisés en matériaux non métalliques, soit solides, soit en mousse ou en mousse syntactique afin de jouer un rôle de flottaison. Les matériaux non métalliques peuvent être des thermodurcissables, des thermoplastiques ou des élastomères. Ces anneaux non métalliques sont maintenus sur la tige centrale 28 par tout moyen (par exemple par des circlips).
De plus, les anneaux en acier 30 formant réservoirs de ballast sont reliés à un réseau de tuyauterie de ballastage (décrit en liaison avec la ) qui est logé à l’intérieur d’au moins l’une des traverses 20, 22 et de la colonne centrale afin de déboucher au niveau d’une zone de contrôle (non représentée sur les figures) située au-dessus du connecteur supérieur 6.
Les nœuds de flottaison 24 respectifs des ensembles unitaires flottant 18 sont reliés les uns aux autres par au moins un câble 36, au moins certains des nœuds de flottaison étant équipés d’un dispositif de mise en tension du câble. Le ou les câbles 36 sont ainsi précontraints et permettent de réduire le poids global de la structure de support flottant et de diminuer le temps d’assemblage de celle-ci.
Comme représenté sur la relative au premier mode de réalisation, il peut s’agir d’une pluralité de câbles 36 métalliques reliant deux à deux les nœuds de flottaison des ensembles unitaires flottant 18.
Dans ce cas, la mise en tension des câbles 36 peut être assurée par un système vis-écrou, ou un vérin hydraulique (fonctionnant en traction) permettant de tirer l'extrémité du câble vers l'un des nœuds de flottaison, tandis que l'autre extrémité du câble est connectée au nœud de flottaison voisin. Dans cette configuration, il y a autant de dispositifs de mise en tension des câbles que d’éléments unitaires flottant 18. Ces dispositifs de mise en tension peuvent être amovibles dans le cas de vérins hydrauliques.
Dans une variante à plusieurs câbles (non représentée), il peut être prévu un seul dispositif de mise en tension du câble. En tendant celui-ci, les autres câbles sont également tendus car, dans cette variante, les éléments unitaires flottant possèdent un degré de rotation possible autour de l'axe vertical X-X au niveau de leur ancrage dans les connecteurs inférieur et supérieur.
Dans une variante de réalisation non représentée, il peut s’agir d’un même et unique câble ou chaîne métallique qui relie tous les nœuds de flottaison des ensembles unitaires flottant. Dans cette variante, le seul câble passe des rainures ménagées à chaque nœud de flottaison, ces rainures étant munies de bloqueurs (serre-câbles) permettant de fixer la position du câble une fois la tension obtenue. Ainsi, le trajet du câble correspond à la circonférence de la structure de support flottant définie par les ensembles unitaires flottant 18. La tension du câble ou de la chaîne est réalisée par un dispositif tel qu'un vérin ou un système vis-écrou fixé aux deux extrémités du câble (ou de la chaîne).
Enfin, une alternative possible aux câbles est de recourir à des entretoises horizontales en acier reliant entre eux les nœuds de flottaison des éléments unitaires flottant. Des connecteurs mécaniques rapides assurent alors la liaison entre les entretoises et les nœuds de flottaison afin de réduire au maximum le temps de montage.
La et la représentent deux variantes d’une structure de support flottant 2-2, 2-2’ selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, respectivement en perspective et en éclaté.
Les structures de support flottant 2-2, 2-2’ selon le deuxième mode de réalisation de l’invention forment des flotteurs de type « SPAR » (pour « Single Point Anchor Reservoir »), c’est-à-dire des flotteurs de forme cylindrique s’inscrivant dans le prolongement du mât de l’éolienne.
Plus précisément, la structure de support flottant 2-2 selon la variante de la comprend quatre colonnes centrales tubulaires 8 qui sont toutes identiques entre elles et indépendantes les unes des autres de façon à former un pylône s’inscrivant dans le prolongement vertical du mât de l’éolienne.
De même, la structure de support flottant 2-2’ selon la variante de la comprend trois colonnes centrales tubulaires 8 qui sont toutes identiques entre elles de façon à former un pylône.
De plus, contrairement au premier mode de réalisation, les colonnes centrales 8 formant le pylône de ces deux structures de support flottant 2-2, 2-2’ sont toutes dépourvues de traverse (aussi bien radiales que diagonales).
La est une vue en perspective d’une structure de support flottant 2-3 selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Dans ce mode de réalisation, la structure de support flottant 2-3 forme un flotteur semi-submersible à trois ensembles unitaires flottant 18 qui sont espacés angulairement les uns des autres d’un même angle de 120°. Dans cette configuration, les câbles 36 forment un triangle.
Les autres caractéristiques de cette structure de support flottant sont similaires à celles décrites en liaison avec le premier mode de réalisation.
La est une vue en perspective d’une structure de support flottant 2-4 selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
Dans ce mode de réalisation, la structure de support flottant 2-4 forme un flotteur semi-submersible à cinq ensembles unitaires flottant 18 qui sont espacés angulairement les uns des autres d’un même angle de 72°. Dans cette configuration, les câbles 36 forment un pentagone.
Les autres caractéristiques de cette structure de support flottant sont similaires à celles décrites en liaison avec le premier mode de réalisation.
La est une vue en perspective d’une structure de support flottant 2-5 selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
Dans ce mode de réalisation, la structure de support flottant 2-5 forme un flotteur semi-submersible à six ensembles unitaires flottant 18 qui sont espacés angulairement les uns des autres d’un même angle de 60°. Dans cette configuration, les câbles 36 forment un hexagone.
Les autres caractéristiques de cette structure de support flottant sont similaires à celles décrites en liaison avec le premier mode de réalisation.
La est une vue en perspective d’une structure de support flottant 2-1’ selon une variante de réalisation du premier mode de réalisation de l’invention, c’est-à-dire une structure de support flottant formant un flotteur semi-submersible à quatre ensembles unitaires flottant 18 qui sont espacés angulairement les uns des autres d’un même angle de 90°.
Cette variante de réalisation présente la particularité que des éléments de flottaison 38 sont positionnés autour de chaque câble 36. Par exemple, ces éléments de flottaison 38 se présentent sous la forme de cylindres en mousse montés autour des câbles.
Ces éléments de flottaison 38 viennent en complément des modules de flottaison 26 positionnés au niveau des nœuds de flottaison des ensembles unitaires flottant 18.
Les autres caractéristiques de cette structure de support flottant sont similaires à celles décrites en liaison avec le premier mode de réalisation.
La est une vue en perspective d’une structure de support flottant 2-1’’ selon une autre variante de réalisation du premier mode de réalisation de l’invention, c’est-à-dire une structure de support flottant formant un flotteur semi-submersible à quatre ensembles unitaires flottant 18 qui sont espacés angulairement les uns des autres d’un même angle de 90°.
Cette variante de réalisation présente la particularité que des unités de flottaison 40 sont positionnées autour des traverses radiales 20 de chaque ensemble unitaire flottant 18. Par exemple, ces unités de flottaison 40 se présentent sous la forme de cylindres en mousse montés autour des traverses radiales.
Ici, ces unités de flottaison 40 viennent en remplacement des modules de flottaison positionnés au niveau des nœuds de flottaison 24 des ensembles unitaires flottant 18.
Les autres caractéristiques de cette structure de support flottant sont similaires à celles décrites en liaison avec le premier mode de réalisation.
En liaison avec les figures 10 à 17, on décrira maintenant un exemple d’assemblage et d’installation d’une structure de support flottant selon l’invention, en particulier la structure de support flottant 2-5 selon le cinquième mode de réalisation de l’invention.
Bien entendu, le procédé d’assemblage appliqué aux autres modes de réalisation de l’invention découle de manière évidente de celui décrit ci-après.
L’assemblage peut être réalisé à quai ou sur une plateforme d’assemblage en mer (de type catamaran) pouvant être submersible. Le recours à un catamaran submersible permet de gagner en autonomie, de ne pas être dépendant du site de montage et surtout de la disponibilité des moyens de levage sur le site.
Préalablement au démarrage de l’assemblage, les connecteurs inférieur et supérieur, ainsi que les ensembles unitaires flottant peuvent être construits en série.
Dans une première étape, un contrepoids 42 de forme cylindrique est posé au sol sur le site d’assemblage, ce contrepoids étant destiné à être arrimé par des tendons 50 aux nœuds de flottaison 24 des ensembles unitaires flottant 18 afin d’assurer un ancrage gravitaire de la structure de support flottant (voir la mise en situation illustrée à la ).
Dans le mode de réalisation représenté sur la , ce contrepoids 42 présente un évidement central 44 destiné à recevoir le connecteur inférieur de la structure de support flottant.
Dans l’étape suivante illustrée par la , le connecteur inférieur 4 de la structure de support flottant est déplacé (par exemple à l’aide d’une grue ou d’un portique de levage) pour être positionné dans l’évidement 44 du contrepoids 40. En absence d’un tel évidement, le connecteur inférieur est déposé directement sur le contrepoids.
Au cours de l’étape suivante ( ), des supports de positionnement 46 sont avantageusement disposés sur le site d’assemblage autour du contrepoids 42 aux endroits précis où devront reposer les modules de flottaison des ensembles unitaires flottant.
Ces supports de positionnement 46 permettront un positionnement rapide et précis des éléments unitaires flottant ainsi qu'un ajustement parfait de la verticalité des colonnes centrales lors de la mise en place du connecteur supérieur. Bien entendu, ils seront réutilisables.
Comme représenté sur la , les éléments unitaires flottant 18 sont assemblés les uns après les autres sur le connecteur inférieur 4. A cet effet, chaque élément unitaire flottant 18 est soulevé (à l’aide de la grue ou du portique de levage) pour introduire verticalement l’extrémité inférieure de sa colonne centrale 8 dans l’un des réceptacles 10 du connecteur inférieur. L’élément unitaire flottant est également pivoté autour de sa colonne centrale pour faire reposer son module de flottaison 26 sur l’un des supports de positionnement 46.
La représente l’avancement du processus avec l’assemblage d’un second élément unitaire flottant 18 sur le connecteur inférieur 4.
La représente la structure une fois l’ensemble des éléments unitaires flottant 18 assemblés sur le connecteur inférieur 4.
Une fois l’ensemble des éléments unitaires flottant 18 assemblés puis fixés (par soudage, par collage ou par assemblage mécanique) sur le connecteur inférieur 4, l’étape suivante représentée à la consiste à assembler (à l’aide de la grue ou du portique d’assemblage) le connecteur supérieur 6 sur l’extrémité supérieure des colonnes centrales, puis d’assurer une fixation de ces pièces entre elles (par soudage, par collage ou par assemblage mécanique).
Une plateforme de contrôle 48 peut ensuite être montée autour de l’extrémité supérieure du connecteur supérieur 6.
Dans une dernière étape d’assemblage de la structure de support flottant 2-5 ( ), les câbles 36 sont fixés aux nœuds de flottaison 24 respectifs des ensembles unitaires flottant 18 puis sont mis en tension. Le mât et la turbine de l’éolienne peuvent alors être installés à l’aide de la grue ou du portique de levage.
Comme représenté sur la , la maintenance de l’éolienne offshore montée sur une structure de support flottant selon l’invention (ici la structure 2-1 à quatre ensembles unitaires flottant de la ) est possible notamment pour permettre le remplacement des composants de la turbine 52 ou des pales 54.
A cet effet, les traverses diagonales 22 d’au moins certains des ensembles unitaires flottant 18 de la structure de support flottant 2-1 sont équipées de broches 56 (voir également la ) afin de permettre l'installation d'une plateforme temporaire 58 afin d'installer une structure télescopique 60.
On notera que les broches 56 peuvent également recevoir d'autres structures de maintenance associées à des options de grues grimpantes.
Quel que soit le mode de réalisation de l’invention, on notera qu’il est possible, au cours de l’assemblage de la structure de support flottant, d’insérer au moins une unité centrale de flottaison 62 entre les colonnes centrales 8 formant le pylône (voir la avec une structure de support flottant 2-1 à quatre ensembles unitaires flottant 18 et la avec une structure de support flottant 2-6 à deux ensembles unitaires flottant). Cette unité centrale de flottaison 62 permet d’augmenter la flottaison de la structure de support flottant.
Ainsi, dans l’exemple illustré sur la , cette unité centrale de flottaison 62 (par exemple un cylindre en mousse) est insérée verticalement le long de l’axe X-X entre les colonnes centrales avant l’étape de mise en place du connecteur supérieur sur l’extrémité supérieure des colonnes centrales.
Dans une alternative non représentée sur les figures, une telle unité centrale de flottaison peut être pré-installée sur la première colonne centrale qui est assemblée lors du montage de la structure de support flottant.
La est une vue en perspective d’une variante de réalisation de la structure de support flottant 2-3’ selon le troisième mode de réalisation de l’invention.
Cette variante de réalisation se distingue de celle décrite en liaison avec la en ce que le connecteur inférieur de la structure ne comprend pas des réceptacles inférieurs pour recevoir les extrémités inférieures des colonnes. Ici, il s’agit d’un simple collier de serrage 4’ venant serrer les extrémités inférieures respectives des colonnes centrales.
Dans cette variante de réalisation, pour faciliter l’assemblage des colonnes centrales de la structure de support flottant 2-3’, un connecteur inférieur du type celui décrit en liaison avec la peut être installé temporairement au sol.
L’ensemble des modes de réalisation de la structure de support flottant selon l’invention qui ont été décrits jusqu’ici concernent des structures dont l’axe X-X du mât de l’éolienne est aligné sur un centre de symétrie du flotteur (le pylône de support flottant est aligné sur le centre de symétrie de la structure).
Par contraste, la est une vue en perspective d’une structure de support flottant de type semi-submersible selon un sixième mode de réalisation de l’invention qui est excentrée.
Dans ce sixième mode de réalisation, la structure de support flottant 2-6 ne comprend que deux ensembles unitaires flottant 18 qui forment entre eux un angle qui est différent de 180°. Aussi, l’axe X’-X’ du mât 9 de l’éolienne est excentré par rapport au centre de symétrie de la structure.
De plus, dans ce sixième mode de réalisation, chacun des deux ensembles unitaires flottant 18 comprend deux modules de flottaison 26 qui sont positionné au niveau de leur nœud de flottaison 24 respectif. Bien entendu, la présence de deux modules de flottaison par ensemble unitaire flottant peut s’appliquer aux structures de support de flottant des autres modes de réalisation.
Toujours dans ce sixième mode de réalisation, le câble reliant les nœuds de flottaison 24 respectifs des deux ensembles unitaires flottant 18 est remplacé par un élément de contreventement 36’.
Par ailleurs, ce sixième mode de réalisation prévoit de positionner une unité centrale de flottaison 62 entre les colonnes centrales 8 formant le pylône.
La et la montrent deux variantes de réalisation de la structure de support flottant 2-3’’ de type semi-submersible à trois ensembles unitaires flottant de forme rectangulaire selon le troisième mode de réalisation.
Dans ces deux variantes de réalisation, chaque ensemble unitaire flottant 18’ présente une forme rectangulaire avec une colonne centrale 8, ainsi que deux traverses radiales 20a, 20b (à savoir une traverse radiale haute 20a et une traverse radiale basse 20b espacées l’une de l’autre selon l’axe X-X du mât 9) et une traverse diagonale 22.
Par ailleurs, dans la variante de réalisation de la , les modules de flottaison 26’ se présentent sous la forme de colonnes verticales de section droite polygonale (ici hexagonale) qui peuvent être réalisées par assemblage de panneaux plans.
Dans la variante de réalisation de la , les modules de flottaison 26’’ se présentent sous la forme de colonnes verticales de forme cylindrique.
La montre un exemple de réalisation d’un réseau de tuyauterie de ballastage au sein d’une structure de support flottant selon l’invention (partiellement représentée sur la figure), et plus particulièrement au sein d’un ensemble unitaire flottant 18 de forme triangulaire.
Ce réseau de tuyauterie de ballastage comprend ainsi des canalisations 64 qui sont logées à l’intérieur des traverses radiale 20 et diagonale 22 de l’ensemble unitaire flottant. Ces canalisations 64 débouchent au niveau des modules de flottaison à l’intérieur de compartiments de ballastage 66 et s’ouvrent dans une même conduite centrale 68 logée à l’intérieur de la colonne centrale 8 de l’ensemble unitaire flottant.
Au niveau de son extrémité supérieure, la conduite centrale 68 est avantageusement munie d’un système de branchement 70 apte à coopérer avec un système d’utilisation complémentaire 72 logé dans le connecteur supérieur 6 de la structure de support flottant. En d’autres termes, ces systèmes 70, 72 forment un ensemble de type « plug and play » qui facilite l’assemblage et la mise en fonctionnement de la structure de support flottant.
Claims (19)
- Structure de support flottant (2-1 à 2-6) à multiples colonnes centrales pour éolienne offshore, comprenant :
- au moins deux colonnes centrales tubulaires (8) identiques et indépendantes qui sont assemblées les unes aux autres autour d’un axe (X-X ; X’-X’) d’un mât (9) de l’éolienne de façon à former un pylône de support flottant s’inscrivant dans le prolongement vertical du mât de l’éolienne ;
- un connecteur inférieur (4) centré sur l’axe (X-X) du mât (9) de l’éolienne et destiné à assurer un maintien et une reprise des efforts des colonnes centrales au niveau de leur extrémité inférieure respective ; et
- un connecteur supérieur (6) centré sur l’axe du mât de l’éolienne et comprenant, dans une partie supérieure, des moyens de réception (14) du mât de l’éolienne et, dans une partie inférieure, au moins deux réceptacles supérieurs (12) pour recevoir une extrémité supérieure des colonnes centrales.
- Structure selon la revendication 1, dans laquelle le pylône de support flottant est dépourvu de traverse de façon à former un flotteur (2-2) de type SPAR.
- Structure selon la revendication 1, dans laquelle chaque colonne centrale (8) est raccordée à au moins une traverse tubulaire (20, 22) dont une extrémité opposée à la colonne centrale constitue un nœud de flottaison (24) espacé radialement du pylône de support flottant de façon à former un flotteur de type semi-submersible.
- Structure selon la revendication 3, dans laquelle chaque colonne centrale (8) est raccordée, d’une part au niveau de son extrémité inférieure à au moins une traverse radiale (20 ; 20a, 20b), et d’autre part au-dessus de son extrémité inférieure à au moins une traverse diagonale (22), la traverse radiale et la traverse diagonale étant raccordées l’une à l’autre au niveau du nœud de flottaison (24) de façon à former un ensemble unitaire flottant (18) de forme triangulaire.
- Structure selon la revendication 3, dans laquelle chaque colonne centrale (8) est raccordée, d’une part au niveau de son extrémité inférieure à au moins une première traverse radiale (20a), et d’autre part au-dessus de son extrémité inférieure à au moins une seconde traverse radiale (20b), les traverses radiales étant raccordées l’une à l’autre au niveau du nœud de flottaison (24) de façon à former un ensemble unitaire flottant (18) de forme rectangulaire.
- Structure selon l’une des revendications 4 et 5, dans laquelle chaque ensemble unitaire flottant (18) comprend au moins un module de flottaison (26 ; 26’ ; 26’’) positionné au niveau de son nœud de flottaison (24).
- Structure selon la revendication 6, dans laquelle chaque module de flottaison (26) comprend une tige centrale (28) s’étendant parallèlement à l’axe (X-X) du mât de l’éolienne et sur lequel sont emboîtés au moins un anneau en acier (30) et/ou au moins un anneau en matériau non métallique (32).
- Structure selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, dans laquelle l’axe (X-X) du mât (9) de l’éolienne est aligné sur un centre de symétrie du flotteur.
- Structure selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, dans laquelle l’axe (X’-X’) du mât (9) de l’éolienne est excentré par rapport à un centre de symétrie du flotteur.
- Structure selon l’une quelconque des revendications 3 à 9, les nœuds de flottaison (24) respectifs des ensembles unitaires flottant sont reliés les uns aux autres par au moins un câble (36), les nœuds de flottaison comprenant des dispositifs de mise en tension du câble.
- Structure selon la revendication 10, comprenant en outre au moins un élément de flottaison (38) positionné autour du câble (36).
- Structure selon l’une quelconque des revendications 3 à 11, dans laquelle chaque ensemble unitaire flottant (18) comprend un réseau de tuyauterie de ballastage logé à l’intérieur d’au moins l’une des traverses (20, 22) et de la colonne centrale (8).
- Structure selon l’une quelconque des revendications 3 à 12, dans laquelle le pylône de support flottant et/ou au moins l’une des traverses radiales comprend au moins une unité centrale de flottaison (62).
- Structure selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle le connecteur inférieur (4) est une pièce indépendante des colonnes centrales et comprend au moins deux réceptacles inférieurs (12) pour recevoir chacun une extrémité inférieure des colonnes centrales.
- Structure selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle le connecteur inférieur est un collier de serrage (4’) venant serrer les extrémités inférieures respectives des colonnes centrales.
- Procédé d’assemblage d’une structure de support flottant selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant une étape d’assemblage au sec de l’extrémité inférieure de chaque colonne centrale (8) sur le connecteur inférieur (4), suivie par une étape d’assemblage au sec du connecteur supérieur (6) sur l’extrémité supérieure de chaque colonne centrale.
- Procédé d’assemblage d’une structure de support flottant selon l’une des revendications 4 et 5, comprenant successivement :
- une étape d’assemblage des éléments unitaires flottant (18) sur le connecteur inférieur (4) en soulevant chaque élément unitaire et en le pivotant pour faire reposer le nœud de flottaison (24) sur un support (46) préalablement positionné à terre pour garantir le bon positionnement latéral de l’élément unitaire flottant ;
- une étape d’assemblage du connecteur supérieur (6) sur l’extrémité supérieure de la colonne centrale (8) de chaque élément unitaire flottant (18) ; et
- une étape de connexion des colonnes centrales des éléments unitaires flottant aux connecteurs inférieur et supérieur par soudage, par collage ou par assemblage mécanique.
- Procédé selon la revendication 17, dans lequel les étapes d’assemblage sont réalisées sur une plateforme submersible permettant de mettre à l’eau la structure de support flottant dans une zone calme et protégée de la houle.
- Procédé selon la revendication 18, dans lequel la plateforme submersible est équipée d’un portique de levage permettant d’assembler le mât de l’éolienne sur la partie supérieure du connecteur supérieur de la structure de support flottant.
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