FR2939480A1 - Dispositif d'accumulation inertielle d'energie - Google Patents

Abstract

Dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, comprenant un bâti (2) et au moins un volant (1) monté en rotation relativement au bâti (2) autour d'un axe de rotation (3), des moyens pour exposer au moins une face (6) du volant à une pression de gaz générant par comparaison avec la pression appliquée à une face sensiblement opposée (11), une force de pression différentielle ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant (1).

Description

-1- Dispositif d'accumulation inertielle d'énergie

La présente invention concerne un dispositif d'accumulation inertielle d'énergie. Un tel dispositif permet par exemple d'absorber les fluctuations de la production et/ou de la consommation d'énergie associées à une unité de production d'énergie, en particulier au moyen d'une éolienne. Un tel dispositif peut également servir à la récupération puis la restitution ou autre utilisation d'une puissance de ralentissement et/ou freinage. Le dispositif peut également servir à stabiliser une vitesse de rotation.

Le stockage d'énergie s'avère nécessaire notamment pour : - absorber les fluctuations de la consommation d'énergie ; - stocker de l'énergie lorsque son coût est moindre, puis la restituer avantageusement par la suite ; - absorber les fluctuations de la production d'énergie, notamment dans le cas d'une production d'énergie éolienne tributaire de la source primaire d'énergie irrégulière qu'est le vent.

De nos jours, ce stockage est parfois effectué par batterie. Un tel moyen de stockage non seulement représente un coût relativement élevé de l'ordre de cinq centimes d'euro par kWh, mais présente aussi toute une série d'inconvénients tels qu'une durée de vie réduite, un besoin de maintenance fréquente, et surtout pose des problèmes de pollution.

On connaît également le stockage par pompage-turbinage, dans lequel on pompe de l'eau en hauteur, par exemple de la partie basse à la partie haute d'un barrage, et on récupère de l'énergie potentielle au moment voulu en laissant l'eau redescendre à travers une turbine. Cependant, un tel procédé n'est naturellement pas adapté à toutes les géographies, et induit là encore des coûts relativement élevés. Un autre type de stockage est basé sur les volants d'inertie, c'est-à-dire au moins une masse mise en rotation par un apport d'énergie, qui va continuer son mouvement rotatif, par inertie, après l'arrêt d'apport d'énergie. La masse en rotation est reliée à un moteur qui constitue un moyen d'apport d'énergie durant les périodes de stockage d'énergie, ou un générateur durant 2939480 -2- les périodes de restitution d'énergie. On stocke d'autant plus d'énergie qu'un volant est lourd et capable de tourner vite avec un frottement aussi faible que possible. Le problème des paliers du volant, ou plus généralement de son mode de montage à pivot est donc crutial. La société Beacon Power par 5 exemple a développé un système de stockage d'énergie par volants d'inertie d'une capacité allant jusqu'à 250 kWh. Ce système appelé Smart Energy Matrix consiste en dix volants d'inertie d'une capacité de vingt cinq kWh chacun, agencés en série chacun dans un container séparé. Le système utilise des volants en fibre de carbone, matériau très onéreux. Les paliers de chaque 10 volant sont partiellement soulagés du poids des volants par l'application d'une force électromagnétique. Le coût d'un tel système reste néanmoins relativement élevé, de l'ordre de 1,5 millions d'euros par système.

La présente invention a pour but de fournir un dispositif d'accumulation 15 inertielle d'énergie mettant en oeuvre un ou plusieurs volants d'inertie, qui soit économique, efficace et peu contraignant.

On atteint cet objectif au moyen d'un dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, comprenant un bâti et un au moins volant monté en rotation 20 relativement au bâti autour d'un axe de rotation, caractérisé par des moyens pour exposer au moins une face du volant à une pression de gaz générant par comparaison avec la pression appliquée à une face sensiblement opposée du volant, une force de pression différentielle ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant. 25 Ainsi, non seulement les paliers du volant sont soulagés au moins partiellement du poids du volant, ce qui augmente leur durée de vie, mais également le coût du kWh est largement diminué.

De préférence, la face du volant exposée à la pression de gaz est 30 entourée par des moyens de freinage d'écoulement de gaz. Ces moyens de freinage d'écoulement permettent de créer une perte de charge dans l'espace de fuite. Ils sont typiquement aménagés entre le volant et une surface solidaire du bâti. Ils sont en outre de préférence solidaires d'une paroi interne elle-même solidaire du bâti et/ou de la paroi périphérique externe du volant 35 d'inertie. Dans un mode de réalisation privilégié, les moyens de freinage 2939480 -3- d'écoulement de gaz sont solidaires de la paroi périphérique externe du volant d'inertie.

De préférence, les moyens de freinage d'écoulement opèrent sans qu'il 5 y ait contact entre les surfaces liées au volant et celles liées au bâti, de façon à limiter ou éliminer les pertes d'énergie par frottements et l'usure. Cependant, l'espace entre la surface externe du volant et les moyens de freinage d'écoulement et/ou ladite paroi interne solidaire du bâti et les moyens de freinage d'écoulement est aussi assez faible, pour limiter le débit 10 de fuite. Les moyens de freinage d'écoulement comprennent une relation de proximité entre la paroi périphérique externe du volant et une paroi interne de la cage.

Selon un premier mode de réalisation, les moyens de freinage 15 d'écoulement comprennent au moins un joint à lèvre flexible. Il peut aussi s'agir de préférence d'un anneau gonflable de préférence en élastomère du type de ceux utilisés dans les éléments porteurs sur coussin d'air. Il est possible de mieux maîtriser les fuites d'air en remplissant plus ou moins de gaz le ou les anneaux gonflables. Dans un mode de réalisation privilégié, les 20 moyens de freinage d'écoulement sont constitués par une suite de joints à lèvre flexibles ou une suite d'anneaux gonflables agencés les uns à la suite des autres et formant une suite de chambres à des pression variant par paliers successifs.

25 Selon un mode de réalisation bien plus avantageux, les moyens de freinage d'écoulement comprennent un joint à labyrinthe. Dans un tel joint, le trajet d'écoulement du gaz comporte une succession de particularités génératrices de perte de charge ( head drop ). Par exemple la section de passage du gaz est alternativement réduite et agrandie. 30 Dans un mode de réalisation avantageux, le volant a un axe vertical, la face du volant exposée à la pression est une face d'extrémité, et les moyens de freinage d'écoulement de gaz sont alors, de préférence, aménagés entre la face périphérique externe du volant et la face périphérique interne d'une cage 35 solidaire du bâti. Le joint est par exemple composé d'une suite d'anneaux 2939480 -4- sensiblement concentriques relativement au volant, solidaires de la paroi interne de la cage et/ou de la surface externe du volant d'inertie. Un joint à labyrinthe est de façon privilégiée en polyester, mais peut aussi être composé de polyéthylène ou de polystyrène. 5 Dans un mode de réalisation privilégié, le dispositif selon l'invention comprend un compresseur ayant une aspiration et un refoulement, dont l'un fournit la pression appliquée à la face exposée du volant, et l'autre est raccordé pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de 10 freinage d'écoulement, relativement à la face exposée. L'énergie consommée par le compresseur pendant une durée typique de stockage ne représente qu'un très faible pourcentage de l'énergie qui peut être stockée dans le volant d'inertie. Ainsi, on peut, pratiquement sans perte d'énergie, recycler le gaz s'étant échappé par les moyens de freinage d'écoulement pour le réinjecter à 15 la pression voulue à l'intérieur du dispositif de façon à exposer de façon continue au moins une face du volant à une pression de gaz générant une force qui compense au moins partiellement le poids du volant.

De façon privilégiée, dans le dispositif selon l'invention, le gaz se 20 trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement est en contact avec une face du volant opposée à ladite face exposée de façon que la force de sustentation appliquée au volant soit fonction de la différence entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement. Puisque seule compte la différence de pression, il est possible par exemple de refouler un gaz sous 25 pression sur une face inférieure du volant qui définit alors la face exposée, et/ou de créer par aspiration un vide partiel au-dessus d'une face supérieure du volant qui définit alors la face exposée, les deux méthodes aboutissant toujours à une différence de pression entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement. 30 Il peut être avantageux que le dispositif selon l'invention comprenne une régulation d'un débit de compresseur dans le sens du maintien de conditions de sustentation prédéterminées du volant, en particulier une différence de pression prédéterminée entre deux faces opposées du volant 35 et/ou une charge prédéterminée sur des paliers tels que des paliers à 2939480 -5- roulement ou des paliers lisses du volant. Ainsi, on maintient la charge sur les paliers à la valeur prévue sans risquer de surcharge ni à l'inverse de déstabiliser le volant en le soulevant.

5 Le dispositif comprend avantageusement un radiateur entre l'aspiration et le refoulement de gaz. En effet, le gaz s'écoule contre le volant en rotation se réchauffe du fait de la compression et/ou des frottement entre le gaz et le volant lorsqu'il est en rotation. En plaçant un radiateur entre l'aspiration et le refoulement de gaz, il est possible de refroidir ce gaz lorsqu'il est hors du 10 contact du volant, avant de l'introduire à nouveau à l'intérieur du bâti et au contact du volant. On évite ainsi que le gaz atteigne peu à peu une température trop élevée qui pourrait par exemple faire augmenter la température moyenne à l'intérieur du bâti et dégrader certains éléments qui y sont situés tels que les faces extérieures du volant ou les moyens de freinage 15 d'écoulement.

On monte de préférence le volant d'inertie dans une cage solidaire du bâti, la cage et la face exposée du volant définissant ensemble pour le gaz au moins une chambre entourée par les moyens de freinage d'écoulement. Ladite 20 cage est de préférence en béton. Ce matériau est économique et permet d'amortir le choc en cas d'explosion accidentelle du volant, due par exemple à un arrêt brutal de la rotation du volant, ou une survitesse du volant. L'au moins une chambre définie par la cage et la face exposée du volant communique avec l'aspiration ou le refoulement de gaz. La face sensiblement 25 opposée du volant et la cage définissent de préférence une seconde chambre qui communique avec l'aspiration ou le refoulement de gaz.

Selon le deuxième mode de réalisation précédemment décrit, la paroi interne de la cage et/ou la paroi périphérique externe du volant d'inertie 30 comportent un revêtement en forme de labyrinthe, en particulier en polyester.

Selon un mode de réalisation privilégié, le gaz est refoulé à une pression relative comprise entre 50 et 60 kPa (environ 0,5 et 0,6 bar). De préférence, la pression aux abords de l'aspiration sensiblement nulle, par 35 exemple 10 kPa, de façon à limiter les frottements du volant avec le gaz 2939480 -6- environnant. Une pression comprise entre 50 et 60 kPa aux abords du refoulement constitue alors une surpression.

Le volant est avantageusement solidaire d'un arbre monté dans des 5 paliers. Un pignon est couplé en rotation mais découplé axialement du volant d'inertie. Ainsi, l'arbre du volant assure le montage rotatif du volant autour de l'axe commun du volant et de l'arbre. Le pignon assure le raccordement à un appareillage extérieur au volant. Le découplage axial entre le pignon et le volant évite la transmission d'éventuelles contraintes axiales et/ou radiales 10 élevées dans la pignonnerie. Le pignon permet de coupler la rotation du volant à une source d'énergie motrice et/ou à un appareillage extérieur consommateur. Le couplage peut être indirect, notamment si plusieurs volants sont couplés ensemble. Dans un mode de réalisation privilégié, l'arbre du volant est maintenu 15 en position notamment par effet d'autocentrage du volant autour de son arbre par effet gyroscopique et par effet de la pression du gaz.

La masse la plus externe du volant est celle qui contribue le plus à son moment d'inertie. Ainsi, on préfère utiliser un volant en forme de cylindre 20 creux, pour augmenter le moment d'inertie du volant, à masse totale égale.

De préférence, la jante du volant est en béton renforcé, qui est un matériau à la fois dense pour augmenter l'inertie du rotor, et économique.

25 Dans un mode de réalisation privilégié et lorsque le choix et l'emplacement des moyens de freinage d'écoulement le permettent, la jante du volant est entourée d'une coque lisse sur au moins une partie de sa surface externe. La coque lisse est par exemple en acier et/ou en fibre de carbone. La coque lisse permet de limiter les pertes d'énergie et l'usure en 30 cas de frottements. L'utilisation de l'acier est assez avantageuse, car l'acier et le béton ont sensiblement le même coefficient de dilatation. On réduit ainsi les risque de contraintes internes dangereuses dans le volant, en cas de variation de température. Lorsque les moyens de freinage d'écoulement sont solidaires de la paroi périphérique externe du volant, c'est alors la paroi périphérique 2939480 -7- interne de la cage qui est de préférence recouverte sur au moins sur partie de sa surface dudit revêtement lisse.

La jante du volant est de préférence en forme de cylindre creux, reliée 5 à l'arbre du volant par des rayons croisés. Ces rayons croisés sont de préférence en fibre de carbone. Typiquement, il y a deux nappes coniques de rayons, évasées l'une vers le haut, l'autre vers le bas. Les deux nappes se croisent. En même temps, dans chaque nappe, les rayons sont disposés en paires formant un X. L'agencement en rayons croisés confère une mise en 10 oeuvre très simple, une grande précision de positionnement de la jante du volant par rapport à son arbre et un bon équilibre de l'ensemble. Dans un mode de réalisation, deux plaques par exemple métalliques, de préférence en acier, sont chacune fixées à l'une respective des faces supérieure et inférieure du volant, par exemple au moyen de pointes métalliques traversant la plaque 15 métallique et encastrées dans le béton du volant. Ces plaques sont fixées à l'arbre du volant et percées en leur centre de façon à laisser passer l'arbre du volant d'une extrémité à l'autre du cylindre. Une partie du nombre total des rayons, sensiblement une moitié des rayons, s'étend sensiblement de la périphérie extérieure de la plaque inférieure jusqu'à la périphérique intérieure 20 de la plaque supérieure, et l'autre partie des rayons sensiblement depuis la périphérique intérieure de la plaque inférieure jusqu'à la périphérie extérieure de la plaque supérieure. Ceci réalise les deux nappes coniques précitées. Les rayons peuvent aussi être fixés directement sur l'arbre du volant d'inertie, et/ou directement sur le volant. Les rayons s'appuient en outre de préférence 25 sur un rebord métallique solidaire de l'une ou des deux plaques de préférence métalliques.

Le gaz aspiré et/ou refoulé est de préférence majoritairement composé d'air, d'hydrogène ou d'hélium, en raison de leurs faibles coefficients de 30 frottement et viscosités. On préfère généralement l'hélium pour sa stabilité et son faible coefficient de frottement.

Selon un mode de réalisation privilégié, on peut relier ensemble plusieurs volants d'inertie pour former une matrice de volants, tous reliés 35 directement ou non à un même moteur et/ou un même consommateur. On 2939480 -8- peut ainsi multiplier par autant de volants que comporte la matrice la quantité d'énergie stockée et restituable. En effet, chaque volant est relativement limité dans l'énergie qu'il peut stocker, puisqu'il atteint rapidement la vitesse du son, vitesse autour de laquelle le matériau du volant ne résiste pas à la 5 force centrifuge et est détruit. Il est donc intéressant d'utiliser des configurations en matrice. Chaque volant d'inertie comporte son propre pignon, les volants d'inertie étant donc reliés ensemble par une pignonnerie, ainsi que par l'intermédiaire d'une ou plusieurs roues de transmission. Chaque pignon comporte son propre palier. 10 Les volants d'inertie sont alors de préférence assemblés en suivant les lignes d'anneaux concentriques, avec un volant d'inertie central et plusieurs volants d'inertie périphériques. Ainsi le nombre de pignons mis en cascade est réduit, ce qui limite les phénomènes d'amplification des à-coups. 15 Selon un second mode de réalisation, plusieurs pignons sont reliés ensemble chacun par deux points de contact. Cette configuration implique que les roues de transmissions soient pour certaines superposées. En effet, on utilise de préférence des doublets de roues de transmission composés de deux 20 roues concentriques l'une dentée extérieurement, l'autre dentée intérieurement et entourant la première. Chaque doublet entraîne de préférence trois pignons chacun par deux points de contact, l'un avec la roue intérieure du doublet, l'autre avec la roue extérieure du doublet. Une telle configuration confère une plus grande stabilité à la transmission d'énergie 25 entre les volants d'inertie. Les contraintes mécaniques sont réduites et la répartition d'énergie entre les pignons est meilleure.

Les volants peuvent aussi être utilisés empilés les uns au-dessus des autres. On agence de préférence un ou plusieurs dispositifs de contrôle à l'extérieur du dispositif selon l'invention, notamment pour contrôler la ou les vitesses de rotation des volants d'inertie. 30 2939480 -9- Le dispositif selon l'invention est utilisé notamment pour absorber les fluctuations de la production et/ou de la consommation d'énergie associées à une unité de production d'énergie, en particulier électrique, en particulier au moyen d'une éolienne. 5 D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés : - la figure 1 est une représentation schématique en élévation du 10 dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective avec arrachement du dispositif selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe et en perspective du volant d'inertie seul : 15 - la figure 4 est une vue en perspective d'une matrice de volants selon l'invention, sans représentation du bâti ; - la figure 5 est une vue en perspective d'un dispositif à matrice de volants ; - la figure 6 est une vue en coupe selon l'axe IV-IV du couplage 20 entre l'arbre d'un volant d'inertie et son pignon ; - la figure 7 est une vue de dessus d'un mode d'accouplement pour des volants d'inertie en matrice ; - la figure 8 est une vue de détail en coupe des moyens de freinage d'écoulement de gaz. 25 Le dispositif selon l'invention comprend au moins un volant d'inertie 1 monté en rotation par rapport à un bâti 2 autour d'un axe de rotation 3 au moyen de paliers 14. Dans le mode de réalisation selon la figure 1, l'axe de rotation 3 est vertical. Dans ce même mode de réalisation, le volant d'inertie 30 1 est logé à l'intérieur d'une cage 4 définie à l'intérieur du bâti 2 et solidaire de celui-ci. La cage 4 est fermée de façon étanche par un couvercle 112 par exemple métallique.

Un compresseur 5 établit une circulation de gaz dans la cage 4. Une 35 face exposée 6 du volant 1 et la cage 4 définissent pour un gaz dit refoulé et 2939480 -10- injecté sous la face exposée 6, au moins une chambre 100 entourée par des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7. La face sensiblement opposée 11 et la cage 4 définissent pour le gaz aspiré au moins une chambre 101. Les chambres 100 et 101 sont séparées par les moyens de freinage d'écoulement 5 de gaz 7. L'aspiration 9 du compresseur 5 communique avec la chambre 101, et le refoulement 10 du compresseur 5 communique avec la chambre 100. La cage 4 est rendue étanche, en particulier par un joint 113 autour de l'arbre 14 du volant 1, du côté où cet arbre sorte de la cage 4 à travers le couvercle 112. A l'autre extrémité du volant, l'arbre 14 est monté dans un alésage 10 borgne 115 formé dans le fond de la cage. Le gaz est refoulé par exemple à une pression relative comprise entre 50 et 60 kPa à l'intérieur de la cage 4, dans la chambre 100, sous le volant d'inertie 1. Ce gaz comporte avantageusement une forte proportion d'hélium, ou d'hydrogène, ou d'air, les deux premiers en particulier présentant un très 15 faible coefficient de frottement. De préférence, on utilise de l'hélium pur. Afin de limiter encore les frottements du volant en rotation avec le gaz environnant, on peut établir au départ une pression sensiblement nulle à l'intérieur de la cage 4. Dans ce mode particulier de réalisation, c'est la face inférieure 6 du volant 1 qui est exposée à une pression de gaz par injection de 20 gaz sous cette face exposée 6 et dans la chambre 100. Cela génère une force ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant 1. Dans ce mode de réalisation on peut également considérer que la face exposée est la face 11, exposée à une dépression par aspiration de gaz dans la chambre 101. Seule compte la différence de pression entre la pression dans la chambre 25 100 et la pression dans la chambre 101. Cette différence de pression doit être telle que la force résultante est ascendante. La force ascendante correspond à une grande partie du poids du volant. La partie résiduelle du poids du volant, non équilibrée par la force ascendante, est supportée par l'un au moins des paliers 114, qui est choisi pour être capable de supporter une telle charge. 30 Les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont aménagés entre le volant 1 et une surface solidaire du bâti 2. Dans le mode de réalisation schématique représenté à la figure 1, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont solidaires de la cage 4 et donc du bâti 2. Cependant, les moyens 35 de freinage d'écoulement de gaz 7 sont préférentiellement solidaires du volant 2939480 -11- 1. Il peuvent aussi comporter une partie solidaire du bâti 2 et une partie solidaire du volant 1. Dans tous les cas, l'espace entre les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 et le volant 1 et/ou une surface solidaire du bâti 2 doit être réduit pour limiter le débit de gaz le long des moyens de freinage 5 d'écoulement de gaz 7, mais doit être suffisant pour limiter le risque de frottement du volant 1 contre les parois de la cage 4 ou du bâti 2. De façon générale, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 comprennent une relation de proximité entre la paroi périphérique 13 externe du volant 1 et une paroi périphérique interne de la cage 4. 10 Dans le mode de réalisation selon la figure 1, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont réalisés par un joint à labyrinthe. Un tel joint forme une succession de changements de forme et/ou de direction pour l'écoulement, ici une succession d'élargissements et de rétrécissements du 15 trajet de fuite 8, créant ainsi une perte de charge à chaque variation de la section du trajet de fuite. Le joint de type labyrinthe est réalisé par un revêtement présentant des nervures circonférentielles régulièrement espacées. Le revêtement est de préférence en polyester ou en en polyéthylène, situé entièrement sur la paroi périphérique 13 externe du volant 20 1. Selon un autre mode de réalisation, ledit joint peut être aussi situé en partie ou entièrement sur la paroi périphérique interne de la cage 4 en regard de la surface périphérique 13 externe du volant 1.

Selon un mode de réalisation privilégié décrit figure 8, le joint à 25 labyrinthe est solidaire de la paroi périphérique 13 externe du volant 1. Il est formé d'une succession rainures périphériques formées dans les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7, qui sont par exemple en polyester. Les rainures sont deux à trois fois plus profondes que hautes. Dans un mode de réalisation privilégié, les rainures sont espacées d'environ e=0,5 mm (ou 0,2 30 mm, ou 0,1 mm). Leur profondeur p vaut par exemple 6mm, de préférence 9 à 10 mm, et leur hauteur d vaut de préférence 3 mm. On obtient dans une telle configuration un débit de gaz dans les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 d'environ trois à six litres/minute. Seuls quelques pourcents de l'énergie stockée par un volant 1 est alors utilisée pour porter ledit volant 35 pour une durée typique de stockage. Il est de plus avantageux que le -12- maximum de la hauteur du volant soit recouvert par les moyens de freinage d'écoulement de gaz.

Il est avantageux de construire le volant 1 équipé des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 ajustés au diamètre intérieur de la cage 4, puis en faisant tourner le volant 1 à l'intérieur de son logement dans la cage 4, d'user ou roder les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 contre la paroi adjacente jusqu'à ce que le diamètre des moyens de freinage d'écoulement permette une rotation du volant 1 sans frottements entre les moyens de freinage d'écoulement 7 et la paroi périphérique interne de la cage 4.

Le compresseur 5 comporte une aspiration 9 et un refoulement 10. L'un, ici le refoulement 10, fournit la pression appliquée à la face exposée 6 du volant 1, et l'autre, ici l'aspiration 9, est raccordé pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7. Ainsi, le dispositif fonctionnant en circuit fermé évite la pénétration de particules non désirées ou autre élément polluant ou susceptible de gêner l'écoulement dans le circuit d'écoulement. Le fonctionnement en circuit fermé permet en outre d'utiliser facilement un gaz autre que de l'air à l'intérieur de la cage 4.

Le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 est en contact avec la face 11 du volant 1 opposée à la face exposée 6, de façon que la force de sustentation appliquée au volant 1 soit fonction de la différence entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement.

Ce dispositif selon l'invention comprend avantageusement une régulation du débit du compresseur 5, dans le sens du maintien de conditions de sustentation prédéterminées du volant 1, en particulier une différence de pression prédéterminée entre deux faces opposées 6 et 11 du volant 1 et/ou une charge verticale prédéterminée sur des paliers du volant. Le dispositif de régulation comprend par exemple une sonde de pression 102 dans la chambre 101 supérieure, une sonde de pression 103 dans la chambre 100 inférieure, une unité de calcul 104 pour calculer la différence de pression, comparer cette 2939480 -13- différence à une consigne et générer une commande de vitesse ou de puissance du compresseur 5 pour augmenter cette vitesse ou puissance quand la différence de pression est trop faible, ou au contraire diminuer cette vitesse ou puissance quand la différence de puissance est trop forte. Dans le mode de réalisation selon la figure 1, le dispositif comprend un radiateur 12 situé entre l'aspiration et le refoulement de gaz, ici entre l'évacuation de gaz hors de la cage 4 ou du bâti 2 et l'injection de gaz sous la face exposée 6. 10 Dans un mode de réalisation privilégié illustré aux figures 2 et 6, le volant d'inertie 1 est solidaire d'un arbre 14 lié en rotation à un pignon 15 qui est découplé axialement de l'arbre 14 et donc du volant d'inertie 1. La figure 6 montre un exemple de couplage par cannelure entre le volant d'inertie 1 et un 15 manchon 16 solidaire du pignon 15.

Comme le montre la figure 3 qui est une vue en coupe d'un volant d'inertie 1, la jante 18 du volant d'inertie 1 est de la forme d'un cylindre creux, formé de béton renforcé entouré d'une peau ou coque lisse par 20 exemple en acier ou en fibre de carbone. Le cylindre en béton renforcé est appelé insert. Dans un mode de réalisation privilégié, un volant d'inertie à les caractéristiques suivantes :

25 30 5 35 2939480 -14- Poids de l'insert 2600 kg Poids total du rotor 3600 kg Vitesse de rotation 5000 tours/minute Vitesse périphérique 1130 km/h Inertie de l'insert 880 kg.m2 Energie maximale du volant 26 kWh Puissance maximale du volant 93 MW Diamètre extérieur du volant 1,5 m Hauteur du volant 2 m Pression de sustentation 55 kPa 20 L'insert en béton apporte donc la plus grande partie du poids total du rotor. Ainsi, le béton étant un matériau économique, on obtient de façon économique un poids total élevé et donc une inertie du rotor et ainsi une énergie stockable élevées. La vitesse de rotation indiquée est une vitesse 25 pour un régime de fonctionnement normal, c'est-à-dire sans risque de détérioration rapide de la jante 18 du volant 1, et permettant le stockage d'une grande quantité d'énergie.

Selon un second mode de réalisation, un volant d'inertie 1 est réalisé à 30 une petite échelle et comporte les caractéristiques suivantes : 5 10 15 35 2939480 -15- Poids du volant 20 kg Diamètre du rotor 140 cm du volant Hauteur du volant 160 cm Pression de 10 kPa sustentation Débit de gaz 13 L/minute Vitesse de rotation 6000 tours/minute Energie du volant 5 Wh La figure 3 montre une vue en coupe et en perspective du volant d'inertie 1. Le volant 1 comprend la jante 18 reliée à l'arbre 14 du volant d'inertie 1 par des rayons 19 croisés. Deux plaques 20 par exemple en acier 15 relient la jante 18 et l'arbre 14, l'une définissant la face supérieure du volant 1, l'autre la face inférieure du volant 1. Les plaques 20 sont reliées à la jante 18 au moyen de pointes métalliques 30 traversant la plaque métallique et s'enfonçant dans le béton de la jante 18.

20 Les rayons croisés sont pour partie fixés à la plaque inférieure au voisinage de sa périphérie extérieure et à la plaque supérieure au voisinage de sa périphérie intérieure, et pour partie fixés à la plaque supérieure au voisinage de sa périphérie extérieure et à la plaque inférieure au voisinage de sa périphérie intérieure. On forme ainsi deux nappes coniques de rayons 19 25 évasés en sens contraire et qui se croisent. De façon privilégiée, les plaques sont conformées en double cône pour définir au moins un appui de préférence métallique 21 pour les rayons. Les rayons 19 croisés sont par exemple en fibre de carbone. Il peuvent aussi être fixés directement sur l'arbre 14 du volant d'inertie 1 plutôt que sur les bords intérieurs des plaques 20, et/ou 30 directement sur la jante 18 plutôt que sur la périphérie extérieure des plaques 20. Ce type d'agencement en rayons croisés est inspiré des roues de voitures de sport du siècle dernier. Les plaques 20 sont montées de façon à empêcher tout passage de gaz à travers l'espace annulaire situé entre la jante 18 et l'arbre 14. 5 10 35 2939480 -16- Il est possible d'assembler plusieurs volants d'inertie 1 pour former une matrice 22 de volants d'inertie 1. Les différents volants 1 sont reliés ensemble par une pignonerie et par l'intermédiaire d'une ou plusieurs roues de transmission 25. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 4, les 5 volants d'inertie 1 sont assemblés en suivant les lignes d'anneaux concentriques avec un volant d'inertie central 26 et plusieurs volants d'inertie 1 périphériques, les volants d'inertie 1 étant couplés en rotation avec le volant d'inertie central 26. Cette configuration en anneaux concentriques a pour avantage de transmettre de l'énergie à un nombre important de volants 10 d'inertie 1 pour un nombre de pignons 15 intermédiaires limité entre le volant d'inertie 26 qui est le plus directement relié au moteur et/ou au consommateur, et le ou les volants d'inertie 1 périphériques qui sont plus indirectement reliés au moteur et/ou au consommateur, c'est-à-dire pour lesquels le nombre de pignons 15 que l'énergie doit passer pour être 15 transmise à ces volants 1 est maximum. On pourrait prévoir au moins un deuxième anneau de volants 1 autour du premier anneau représenté.

Il est avantageux de limiter le nombre maximum des pignons 15 qui transmettent l'énergie en cascade entre un volant d'inertie 1 et le volant 20 central 26, car des à-coups de transmission sont amplifiés à chaque transfert de mouvement à un pignon voisin et peuvent causer la dégradation prématurée du dispositif selon l'invention s'ils atteignent une puissance trop élevée. On se limite alors préférentiellement à deux pignons 15 intermédiaires entre le pignon du volant central 26 et le ou les pignons les plus éloignés du 25 pignon du volant central 26.

Dans l'exemple représenté, chaque pignon 15 est protégé par une gaine 23 par exemple en béton qui comprend au moins une ouverture 24 pour permettre au piston 15 d'être couplé avec un élément extérieur au volant 30 d'inertie 1.

Dans un second mode de réalisation représenté à la figure 7, plusieurs pignons 15 de plusieurs volants 1 sont reliés ensemble chacun par deux points de contact. Ainsi, chaque roue de transmission 25 est en réalité un 35 doublet comprenant une roue centrale 110 dentée extérieurement et une 2939480 -17- couronne 111 dentée intérieurement, les pignons 15 tournant en sens inverse de la roue centrale 110. Chaque pignon 15 est placé entre une roue centrale 110 et une couronne 111 d'un même doublet et engrène avec eux. Chaque roue de transmission 25, respectivement doublet relie ensemble 5 avantageusement trois pignons 15. En effet, si lesdits trois pignons 25 forment un triangle équilatéral, l'ensemble est alors parfaitement équilibré. Les trois doublets selon la figure 7 son placés dans des plans différents pour ne pas interférer entre eux.

10 Le tableau qui suit présente les énergies disponibles pour différentes tailles de matrices 22 : Nombre de modules Energie disponible Diamètre de l'enceinte dans la matrice (kWh) (m) 7 182 4,8 19 494 8 37 962 11,2 61 1586 14,4 91 2366 17,6 127 3302 20,8 Les valeurs qui sont données correspondent à différentes tailles de matrices en cercles concentriques. Un module correspond en fait à un volant d'inertie 1 et son pignon 15 associé. Une matrice à sept modules correspond à 35 une matrice hexagonale comprenant un module central et six modules périphériques. Ensuite, chaque cercle concentrique supplémentaire contient six modules de plus que le cercle précédent. On obtient alors des énergies disponibles très élevées, pour des diamètres d'enceinte, ici une coque en béton 27, assez réduits. 15 20 25 3040 -18- Les matrices 22 sont enveloppées ensemble d'une coque en béton 27 à l'extérieur de laquelle est placé le compresseur 5 ainsi que le moteur 121 et le système de transmission d'énergie 122 entre le moteur et le pignon central 26 ou plus généralement le pignon qui va transmettre ensuite toute l'énergie reçue du moteur aux autres pignons 15 de la matrice 22.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Le volant pourrait être à axe horizontal et les faces opposées exposées à des pressions différentes seraient alors les parties supérieure et respectivement inférieure de la paroi latérale. Les moyens de freinage d'écoulement 7 comprennent alors, par exemple, des cannelures axiales sur la cage de part et d'autre de l'axe de rotation, et des cannelures circonférentielles sur la cage 4 ou le volant 1 le long du pourtour des faces d'extrémité du volant. 1 5 10 2 15 3 20 4 5 630

Claims (1)

1. Revendications1. Dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, REVENDICATIONS1. Dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, comprenant un bâti (2) et au moins un volant (1) monté en rotation relativement au bâti (2) autour d'un axe de rotation (3), caractérisé par des moyens pour exposer au moins une face (6) du volant à une pression de gaz générant par comparaison avec la pression appliquée à une face sensiblement opposée (11), une force de pression différentielle ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant (1). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face du volant exposée (6) à la pression de gaz est entourée par des moyens de freinage d'écoulement de gaz (7). Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de freinage d'écoulement (7) sont aménagés entre le volant (1) et une surface solidaire du bâti (2). Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de freinage d'écoulement (7) comprennent au moins un joint à lèvre flexible. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de freinage d'écoulement (7) comprennent un joint à labyrinthe. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur (5) ayant une aspiration (9) et un refoulement (11) dont l'un fournit la pression appliquée à la face exposée (6) du volant et l'autre est raccordé pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement (7), relativement à la face exposée (6). 7 8 15 9 10 20 25 11 30 12 2939480 -20- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement (7) est en contact avec une face du volant opposée (11) à ladite face exposée (6) de façon que la force de sustentation appliquée au volant (1) soit fonction de la différence entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend une régulation d'un débit de compresseur dans le sens du maintien de conditions de sustentation prédéterminées du volant (1), en particulier une différence de pression prédéterminée entre deux faces opposées du volant (1) et/ou une charge verticale prédéterminée sur des paliers (113) du volant (1). Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un radiateur (112) entre l'aspiration (9) et le refoulement (10) de gaz. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le volant (1) est monté dans une cage (4) solidaire du bâti (2), et en ce que la cage (4) et la face exposée (6) du volant définissent ensemble pour le gaz au moins une chambre (100) entourée par les moyens de freinage d'écoulement (7). Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de freinage d'écoulement (7) comprennent une relation de proximité entre la paroi périphérique (13) externe du volant et une paroi périphérique interne de la cage (4). Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce la paroi interne de la cage (4) et/ou la paroi périphérique (13) externe du volant d'inertie comportent un revêtement en forme de labyrinthe, en particulier en polyester. 2939480 -21- 13 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'axe de rotation (3) est vertical. 14 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 5 ce que la différence entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement est comprise entre 50 et 60 kPa. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volant (1) est solidaire d'un arbre (14) relié à un pignon 10 (15), qui est découplé axialement du volant d'inertie (1). 16 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une jante (18) du volant est de la forme d'un cylindre creux. 15 17 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jante (18) du volant est en béton renforcé. 18 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jante (18) du volant est entouré sur au moins une partie de sa surface externe d'une coque lisse, en particulier en acier et/ou en fibres de carbone. 19 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jante (18) du volant comprend un cylindre creux relié à l'arbre (14) du volant par des rayons (19) croisés. 20 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz aspiré et/ou refoulé est choisi parmi air, l'hydrogène, hélium. 21 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend d'autres volants d'inertie (1) reliés ensemble par une pignonerie et par l'intermédiaire d'une ou plusieurs roues de transmission (25), pour former une matrice (22) de volants d'inertie. 35 2939480 -22- 22 Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que les volants d'inertie (1) sont assemblés en suivant les lignes d'anneaux concentriques, avec un volant d'inertie central (26), et plusieurs 5 volants d'inertie périphériques. 23 Dispositif selon la revendication 21 ou 22, caractérisé en ce que les volants d'inertie (1) sont entraînés en rotation par le volant d'inertie central (26). 24 Dispositif selon l'une des revendications 21 à 23, caractérisé en ce que plusieurs pignons (15) de plusieurs volants d'inertie (1) sont reliés ensemble chacun par deux points de contact. 15 25 Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 24 pour absorber les fluctuations de la production et/ou de la consommation d'énergie associées à une unité de production d'énergie, en particulier électrique, en particulier au moyen d'une éolienne. 10