FR2910738A1

FR2910738A1 - Dispositif de stockage d'energie cinetique en couches cloisonnees

Info

Publication number: FR2910738A1
Application number: FR0611118A
Authority: FR
Inventors: Dominique Mareau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-06-27

Abstract

L'invention consiste en un dispositif de stockage d'énergie cinétique à haute densité d'énergie, plus de 1000 WH/kg selon l'application. Il est composé de plusieurs couches ; chacune comprenant une bande fine (1), en mouvement dont la contrainte mécanique tangentielle est exactement compensée par une composante radiale magnétique. Les jeux mécaniques sont passivement auto ajustables. La bande (1) comporte une couche aimantée ou diamagnétique, une cloison aimantée (2) fixée par des joues (4). La bande (1), avec ses pigments magnétiques multipolaires, collabore avec une couche inductrice fixe (3) pour stocker ou restituer l'énergie par induction sous forme électrique. Il représente une large application des supraconducteurs et particulièrement pour les nano tubes. Une variante permet de cumuler le stockage d'énergie et d'information.

Description

1 On connaît les différents moyens de stocker de l'énergie à partir d'une

source non fossile par exemple à partir d'un réseau électrique principalement alimenté par des sources de types : nucléaire, hydraulique, hydro thermique, éolienne ou autres. Pour tous ces moyens de stockage il existe un ratio pragmatique exprimé par la densité d'énergie ; R = ENERGIE / MASSE exprimé en Joules / Kg ou Watt Heure / Kg. Ce ratio est très important pour le stockage d'énergie pour les véhicules dont la puissance utile est de nature mécanique et non thermique. En effet si les dérivés du pétrole atteignent un ratio de 10 000 W H / Kg sous forme d'énergie thermique, ce ratio tombe à environ 1500 W H / Kg concernant l'énergie mécanique exploitable sur un véhicule automobile. Cette densité d'énergie reste cependant largement supérieure à celle des batteries au plomb qui plafonnent à environ 40 W H / Kg. On peut citer également d'autres modes de stockage : le type pneumatique E _ '12 V (V = volume et c = pression) avec un ratio maxi de l'ordre de 50 WH / Kg ; stockage de type électrochimique (batteries) avec un ratio compris entre 30 à 140 W H / Kg et jusqu'à 180 W H / Kg pour l'accumulateur de type Lithium ion dernièrement mis au point ; stockage de type inertiel (1/2 J o 2) avec un ratio maximum de l'ordre de 50 WH / KG. On attend cependant dans les prochaines années des progrès concernant la nano technologie apportant entre autres des améliorations sensibles sur la résistance des matériaux. Cependant ces ratio restent faibles si on les compare à celui du carburant fossile classique qui atteint 1 500 WH / Kg après conversion en utilisation mécanique. Il existe également un autre critère de qualité représenté par le nombre N de cycles charge décharge d'un stockeur d'énergie. On sait que les batteries Lithium ion ont un nombre N d'environ 500, ce qui n'est pas très élevé. Pourtant il existe un fort potentiel d'énergie électrique durant la nuit produit par les centrales électriques nucléaires. On sait qu'à échéance de quelques dizaines d'années, des centrales à fusion (ITER ou autres) sans déchets radioactifs seront disponibles pour produire de l'énergie électrique de manière plus écologique. La présente invention appelée Stockeur d'Energie Cinétique en Couches Cloisonnées ou SE-3C permet une amélioration sensible du ratio du stockage d'énergie cinétique. On connaît les limites du volant inertiel classique qui sont principalement liées aux contraintes mécaniques dues à l'accélération radiale générée par la vitesse de rotation (m v2 / r). On peut considérer que les problèmes de frottement et de centrage sont théoriquement résolus par l'utilisation de paliers magnétiques sous enceinte vide. Pour espérer approcher, voire dépasser, le ratio des carburants fossiles, il faudrait s'affranchir de la contrainte mécanique radiale qui induit une contrainte tangentielle limite et donc critique au volant d'inertie. En optant pour une géométrie annulaire on augmente 2910738 2 le moment d'inertie à masse égale. Cependant la contrainte mécanique croît si l'on réduit la section droite de l'anneau. Par ailleurs, la partie tournante plutôt massique induit des vibrations et des problèmes ardus de centrage dynamique dans les 3 axes. La présente invention a pour objet l'annulation totale de la contrainte radiale du volant 5 d'inertie. Elle consiste à concevoir un volant d'inertie en multi couches ultra fines et légères tel que le facteur : masse linéique unitaire x accélération radiale soit exactement compensé par une force permanente de nature magnétique, Pratiquement, il s'agit d'empiler radialement des couches de bandes pourvues d'une zone magnétisée ultra mince. Cette technologie de magnétisation en couche mince bien que 10 récente, connaît actuellement un grand développement. A titre d'exemple un dispositif relatif à cette invention de rayon r = 1 mètre, de hauteur h = 0,1 m, d'épaisseur e = 10 microns, de densité d = 1000 kg/m3 génère une pression radiale de 0,4x106 pascals pour une vitesse tangentielle de 6 300 m / s. Une telle pression est compensée par un aimant permanent dont la pression (calculée à quelques 15 centièmes de mm avant contact) est proche de a = B2 / 2 o avec e exprimée en Pascal. Sa valeur unitaire (pour B = 1 Tesla) est donc proche de 0,4 MPa. Les aimants permanents dernièrement mis au point atteignent et même dépassent les 4 teslas sous certaines conditions de dispositions spatiales. Par ailleurs le dispositif de stockage relatif à cette invention peut parfaitement fonctionner avec des aimants non passifs (électro- 20 aimant classiques et supraconductivité). Cependant le mode passif reste celui qui présente le plus d'atout en matière de sécurité surtout pour les stockeurs d'énergie embarqués. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente en coupe le dispositif de forme annulaire.

25 La figure 2 représente une vue partielle de face du circuit inducteur (3). La figure 3 représente deux vues partielles recto verso de la bande (1) La figure 4 représente en coupe le dispositif de forme annulaire oblongue. La figure 5 représente une vue du dispositif de forme annulaire en variante oblongue. La figure 6 représente en coupe une variante du dispositif de forme annulaire.

30 La figure 7 représente une vue partielle d'une variante de bande (1). Le dispositif de stockage d'énergie relatif à cette invention, de forme annulaire, est composé de deux joues (4) solidaires de plusieurs cloisons périphériques aimantées (2) maintenant radialement et axialement, par une courbure adaptée, une bande fine aimantée (1) en mouvement tangentiel qui collabore par induction avec la couche 35 inductrice fixe (3) par laquelle transite l'énergie électrique lors de son stockage ou déstockage (figure 1).

2910738 3 La pression magnétique compense exactement la pression mécanique, générée par la force centrifuge de la bande (1) en rotation divisée par la surface en vis-à-vis, et ce pour toute dilatation de type thermique ou élastique. Pour assurer le bon maintien radial de la bande, le module d'élasticité longitudinal de la 5 bande est volontairement choisi d'une valeur faible afin que la pression radiale due à la force centrifuge soit exactement compensée par la pression magnétique relative à l'interaction de la bande (1) avec la cloison aimantée (2). En première variante la bande (1) est constituée de deux couches distinctes assemblées ; la couche (1 ad), située côté extérieur, composée d'un matière diamagnétique homogène 10 et une couche (1 b), située côté centre, comprenant des pigments magnétiques multipolaires (7) collaborant par induction avec la couche fixe inductrice (3) équipée de circuits conducteurs (5) (figures 2 et 3). L'envoi d'un courant alternatif approprié dans le circuit imprimé Du circuit inducteur (3) 15 permet de créer une FEM sur la bande (1) selon le principe bien connu des moteurs multipolaires à aimants permanents. La bande (1) est radialement maintenue dans l'intervalle sous l'influence contraire des champs magnétiques des cloisons aimantées (2) qui l'entourent. Puis l'effet centrifuge la décale progressivement à quelques centièmes de millimètres de la cloison aimantée (2) extérieure où l'intensité de son champ magnétique 20 repoussant devient prédominante par rapport à celle de la cloison aimantée (2) inférieure. Lorsque la bande (1) est lancée, chaque pigment magnétique (7) induit une variation de son champ B devant les conducteurs du circuit inducteur fixe (3). Cela génère donc un courant dans ces circuits dès qu'ils sont raccordés à l'impédance d'un récepteur. Ainsi on comprend mieux les avantages propres au dispositif en multicouche fines, 25 souples et légères : Le premier avantage permet d'ajuster la pression radiale centrifuge à celle (limitée) de la pression magnétique centripète. La multiplication des couches est une façon avantageuse d'augmenter la surface magnétique par unité de masse inertielle. Par exemple si chaque mètre linéaire pour 100 couches totalise 1 kg, il n'est que de 10 g par 30 couche ce qui limite la force de type Fradiale = m v2 / r en conservant un terme v2 suffisamment grand pour obtenir une énergie maximale. Ce paramètre avantageux se traduit par la grandeur du ratio Surface / masse / mètre linéaire. Le second avantage, lié à la souplesse et la légèreté de la bande (1), réside dans la diminution des contraintes liées aux vibrations et à la gestion du maintien magnétique 35 dans les 3 axes. A cet égard l'auto centrage axial de la bande peut s'obtenir en rendant les cloisons aimantées (2) légèrement concaves (figure 1).

2910738 4 Le troisième avantage est lié au cloisonnement. Chaque bande (1) à une énergie cinétique relativement faible. Un accident périphérique n'occasionnera qu'une destruction partielle de l'ensemble. Le cloisonnement par les cloisons aimantées (2) permet également la non propagation d'une fuite concernant le vide interne.

5 Le quatrième avantage lié à l'absence de contrainte mécanique dans la bande (1) permet d'optimiser l'utilisation des caractéristiques des matériaux modernes. Si ces derniers supportent des grandes contraintes mécaniques, ils conservent un module d'élasticité comparable aux aciers. Il en résulte des déformations importantes souvent incompatibles avec certains ajustements mécaniques précis. Concernant la présente invention, la bande 10 (1) s'ajuste automatiquement aux allongements radiaux de type élastique ou de type dilatation. Cet auto ajustement est sans conséquence notable sur les contraintes mécaniques dans la bande (1) qui, volontairement conçue avec un faible module d'élasticité est naturellement ajustée au plus près de l'aimant (2) supérieur. Le cinquième avantage concerne le nombre N de cycles charge / décharge. Si les 15 batteries électrochimiques sont souvent limitées à 500 cycles de charges/décharges, le dispositif relatif à cette invention, ne générant ni frottement, efforts alternés, laisse augurer un nombre N se comptant en millions. Le sixième avantage réside dans le fait que sous certaines conditions de taille et de géométrie, le ratio WH/Kg dépasse largement celui propre aux carburants dérivés du 20 pétrole (1 500 WH/Kg). Les contraintes de la présente invention sont : Le ratio R en WH/Kg augmente avec le rayon r de courbure. La seconde contrainte est liée aux effets axiaux gyroscopiques. Ces derniers devront être compensés en alternant les sens de rotation.

25 L'effet lié au moment gyroscopique imposera de placer le dispositif à plat pour les véhicules automobiles afin de ne pas gêner leur changement de direction. La faible vitesse de rotation angulaire de la terre n'induit qu'un très faible moment gyroscopique sur l'axe. II pourra éventuellement être compensé par des correcteurs d'assiettes appropriés.

30 La troisième contrainte concerne le temps de charge qui est d'environ le tiers de celui de la décharge à pleine puissance. Dans certaines utilisations on pourra avantageusement utiliser la technique du rack qui consiste à échanger le stockeur d'énergie vide par un plein. Le véhicule sera alors avantageusement équipé d'un dispositif permettant de retirer le 35 stockeur en quelques secondes à la manière d'un tiroir. Cette possibilité n'aurait que peu d'intérêt pour les batteries, y compris au lithium ion, à faible durée de vie (500 cycles de charges/décharges).

2910738 Tableau comparatif estimatif : Stockeur Energie W H I Kg Cycles Autonomie Applications Moyen recharge Pétrole (W mécanique) 1 500 - Grande Auto Accu Lithium ion 180 500 Faible Auto Pneumatique 30 >1000 Très faible Auto Inertiel classique 30 >1000 Très faible Auto SE-3C (oblong 2x3)* 200 >106 faible Auto SE-3C (oblong 2x10))* 600 >106 moyenne Bus SE-3C (oblong 10x200) 2000 >106 grande Réseau * avec supraconducteurs. Le ratio triple dans une projection de type nano plastique. La figure 2 montre un tronçon de bande inductrice fixe (3) dans laquelle est gravé un circuit inducteur (5) dont un des pôles de raccordement extérieur (6) est représenté.

5 En seconde variante la bande (1) est constituée de deux couches distinctes assemblées ; la couche (1am), située côté extérieur, composée d'une matière magnétique homogène et une couche (1 b), située côté centre, comprenant des pigments magnétiques multipolaires (7) collaborant par induction avec la couche inductrice (3) équipée des circuits conducteurs (5) (figures 2 et 3).

10 Les pigmentations (7) de la bande (1) confèrent une variation du champ magnétique qui induit un courant dans les circuits conducteurs (5) de l'inducteur fixe (3). En troisième variante, le dispositif de stockage d'inertie relatif à cette invention est caractérisé par une géométrie annulaire de forme oblongue de type ovale ou elliptique 15 dont les tronçons à grand rayon sont équipés de cloisons aimantées (2) amincies et allégées dégageant ainsi un évidement (12) (figure 4). Cette configuration permet de réduire sensiblement la ruasse des aimants dans les parties à grand rayon ou la bande (1) est soumise à une force centrifuge plus faible. La densité d'énergie est alors augmentée par un second ratio de type géométrique exprimé 20 par R9 = Grand axe / petit axe de l'ellipse. La réduction de la masse des aimants s'obtient notamment soit en réduisant le nombre d'aimants dans les parties droites soit en diminuant leur densité et leur épaisseur, soit en cumulant ces deux paramètres. Ainsi le rapport ; masse tournante / masse aimant, augmente en fonction du rapport géométrique ; segment grand rayon / segment petit rayon de courbure.

25 Les contraintes mécaniques exercées sur la structure fixe du dispositif relatif à cette invention représentent la somme de celles de toutes les couches.

5 2910738 6 Le dispositif de stockage est alors muni de câbles (8), disposés radialement et collaborant avec une traverse (9), pour compenser l'ensemble des forces centrifuges (figure 5). Une telle configuration permet d'exploiter les très hautes contraintes des nouveaux 5 matériaux sans être gênée par les déformations élastiques ou thermiques. La traverse (9) se désolidarise de la structure du dispositif de stockage d'énergie lors de l'emboîtement sur une traverse (10) qui fait partie intégrante du châssis d'accueil du dispositif de stockage d'énergie (figure 5). La traverse (9) sert donc pour les phases de recharge et de transfert seulement dans le cas d'une application d'échange standard pour 10 les véhicules de tourisme par exemple. Pour une application relative aux bus, le dispositif reste à demeure sur le véhicule qui est rechargé la nuit par exemple. Dans ce cas, la traverse (9) sert de transfert seulement pour des opérations complètes d'entretien. Cet aménagement est de nature à diminuer la masse du stockeur est ainsi participe à l'amélioration du rapport énergie / masse.

15 La traverse (9) sera avantageusement munie d'un dispositif de réglage d'entre axe pour relaxer sa contrainte de traction après le transfert de cette dernière sur la traverse (10). Dans l'application particulière de l'automobile, le remplacement standard du stockeur d'énergie peut se faire ainsi en un temps court ce qui représente un avantage considérable.

20 Le dispositif de stockage relatif à cette invention comprend une variante où les cloisons (2) sont au moins en partie, constituées de supraconducteurs convenablement maintenus en dessous de leur température critique. Le maintien du centrage axial de la bande (1) est assuré par la forme en arc des cloisons aimantées (2). L'accélération radiale due à la force centrifuge est largement supérieure à 25 l'accélération axiale gravitationnelle de telle sorte que les forces extérieures axiales soient négligeables. Néanmoins on pourra avantageusement incliner les cloisons aimantées (2) de telle sorte que le rapport de la composante axiale gravitationnelle sur la composante radiale centrifuge soit égal à la tangente de l'angle d'inclinaison. De plus la bande (1) pourra avantageusement avoir un profil lenticulaire renforçant ainsi la composante 30 radiale. Les applications de ce dispositif sont nombreuses. En premier lieu le stockage d'énergie pour les réseaux électriques. En exploitant au mieux la forrne oblongue le ratio énergie / kg peut dépasser celui propre aux dérivés du pétrole et ce avec des aimants permanents. Par exemple une ellipse de petit axe de 5 m et de grand axe de 200 m atteint l'objectif.

35 En second lieu, le stockage d'énergie pour les navires dont les dimensions sont inférieures ou proches de ces valeurs. On remarquera que la forme du dispositif relatif à cette invention est, pour ce cas, naturellement adaptée.

2910738 7 En troisième lieu, le stockage d'énergie pour les aéronefs mais en utilisant une technologie avancée mettant en oeuvre les supraconducteurs. Dans cette application un avantage supplémentaire et non négligeable apparaît : la stabilité d'assiette. Celle-ci est naturellement efficace pour des lutter contre des accélérations rapides du moment 5 angulaire. Un dispositif peut aisément compenser le moment angulaire faible du à la rotation (lente) de la terre. En quatrième lieu, le stockage d'énergie pour l'automobile mais en utilisant les dernières avancées concernant les supraconducteurs plastiques (incluant les nanotubes). Le gain de masse volumique est tel qu'un ratio de plus de 1000 WH/kg est envisageable pour les 10 applications embarquées dont la dimension typique est de deux mètres par dix (bus) et deux par trois mètres (automobile). Si dans l'avenir les supraconducteurs plastiques fonctionnent à température ambiante comme cela est sérieusement envisagé, alors une conception de mini aéronef ultra léger, de forme éventuellement circulaire, à décollage vertical, est possible. Le maintien 15 d'assiette est apporté naturellement par l'effet gyroscopique propre à ce dispositif. Le grand nombre de cycles charge décharge est propice à la mise en place d'un système d'échange standard rapide qui résout l'épineux problème du temps de charge pour les dispositifs de stockage d'énergie embarqués dans les véhicules de transports privés. En variante dite de stockage d'information, le dispositif relatif à l'invention peut être 20 également aménagé pour stocker de l'information. En effet, l'augmentation de surface induite par le dispositif relatif à cette invention est considérable. Or il existe une relation linéaire entre la surface et la quantité d'information à toutes choses égales concernant la taille des micro grains magnétiques. Si l'on prend par exemple, une hauteur de 1 cm, un rayon de 10 cm et 200 couches de 1 /10eme mm chacune on obtient une longueur totale 25 de bande d'environ 12 000 cm soit 12 000 cm2. Cette surface est à comparer avec celle d'un disque de même dimension soit moins de 300 cm2 par disque et 2 400 pour huit disques en tenant compte de la perte de surface centrale. En disposant des têtes de lecture à chaque couche on obtient un temps d'acquisition très court pour trois raisons : a) le déplacement de tête se fait alors axialement donc sur la hauteur limitée dans 30 l'exemple de un cm. b) Le nombre de mise en parallèle accélère le flux des données. c) La vitesse de rotation est plus grande grâce à la sustentation magnétique dans le vide. Cette variante dite de stockage d'information peut être cumulée avec la fonction première 35 de stockage d'énergie. Déjà, en version de base, une information de vitesse, donc d'énergie, est donnée par la fréquence du courant induit. Cette fréquence dépend de la tailles, relativement grande, des pigments (7) (figure 3).

2910738 8 La figure 6 montre une coupe droite partielle de la variante du dispositif dont le stockage inclus de l'information de type binaire. Les joues (4) forment paroi d'un ensemble sous vide. Des dispositifs (11) animent axialement des têtes de lecture et écriture magnétique (13) qui collaborent par induction avec les grains magnétiques inclus dans une couche 5 (14) de la bande (1) (figures 6 et 7). La fréquence plus basse induite par les pigments (7) peut être aisément filtrée pour ne pas perturber le processus de lecture. La figure (7) montre un tronçon de profil de bande (1) dans sa variante stockage cumulé énergie et information. On peut voir la couche (13) incluant des grains magnétiques 10 facilement polarisables, la couche incluant les pigments magnétiques (7) et la couche extérieure (lad) ou (1 am) destinée au maintien radial de la bande (1). On peut ainsi stocker de l'énergie et de l'information sur le même support sachant que la masse affectée à la fonction information peut-être déduite pour le calcul de la densité d'énergie exprimée en Joules/kg ou WH/kg. 15 20 25 30 35

Claims

REVENDICATIONS

1. dispositif de stockage d'énergie cinétique de forme annulaire caractérisé en ce qu'il est composé de deux joues (4) solidaires de plusieurs cloisons périphériques aimantées (2) maintenant radialement et axialement, par une courbure adaptée, une bande fine aimantée (1) en mouvement tangentiel qui collabore par induction avec la couche inductrice fixe (3) par laquelle transite l'énergie électrique lors de son stockage ou déstockage (figure 1)

2. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module d'élasticité longitudinal de la bande (1) est volontairement choisi d'une valeur faible afin que la pression radiale due à la force centrifuge soit exactement compensée par la pression magnétique relative à l'interaction de la bande (1) avec la cloison aimantée (2) (figure 1).

3. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en en ce que la bande (1) est constituée de deux couches distinctes assemblées ; la couche (1ad) située côté extérieur, composée d'une matière diamagnétique homogène et une couche (1 b) située côté centre, comprenant des pigments magnétiques multipolaires (7) collaborant par induction avec la couche fixe inductrice (3) équipée des circuits conducteurs (5) (figures 2, 3).

4. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 précédentes caractérisé en en ce que la bande (1) est constituée de deux couches distinctes assemblées ; la couche (1 ad) située côté extérieur, composée d'une matière magnétique homogène et une couche (1 b) située côté centre, comprenant des pigments magnétiques multipolaires (7) collaborant par induction avec la couche fixe inductrice (3) équipée des circuits conducteurs (5) (figures 2, 3).

5. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la géométrie annulaire est de forme oblongue de type ovale ou elliptique dont les tronçons à grand rayon sont équipés de cloisons aimantées (2) amincies et allégées dégageant ainsi un évidement (12) (figure 4).

6. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est muni de câbles (8), disposés radialement et collaborant avec une traverse (9), pour compenser l'ensemble des forces centrifuges (figure 5).

7. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la traverse (9) se désolidarise de la structure du dispositif de stockage d'énergie lors de l'emboîtement sur une traverse (10) qui fait partie intégrante du châssis d'accueil du dispositif de stockage d'énergie (figure 5). 2910738 10

8. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cloisons (2) sont au moins en partie, constituées de supraconducteurs (figure 1).

9. dispositif de stockage d'énergie cinétique selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, caractérisé en ce que des dispositifs (11) animent axialement des têtes de lecture et écriture magnétique (13) qui collaborent par induction avec les grains magnétiques inclus dans une couche (14) de la bande (1) (figures 6 et 7).

10 15 2P 25 30 35