FR2976643A1 - SPEED CONTROLLER AND MECHANICAL ENERGY ACCUMULATOR WITH VARIABLE INERTIA - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif permettant de stocker l'énergie sous forme inertielle, tout en régulant une vitesse de nature variable. Il est constitué principalement de masses (11) suspendues en mouvement autour d'un axe (9) entraîné par une roue libre (1). Lorsque la puissance motrice augmente, la force centrifuge écarte les masses, l'inertie augmente et freine le moteur (M); Lorsque la motricité diminue, les masses se rapprochent en conservant plus longtemps la vitesse. Ce dispositif est particulièrement destiné aux Eoliennes pour lesquelles il permet une meilleure récupération d'énergie sur des plages de vitesses inexploitées. Sa capacité de stockage énergétique le rapproche de la fonction d'une Batterie, mais par un moyen mécanique et non pas électrique; à cet égard, il se substitue partiellement et complète les batteries électriques en limitant leur usage qui reste problématique. Il s'intègre en particulier comme élément de transmission entre une Eolienne Verticale (M) et son Générateur de Courant (G).The invention relates to a device for storing the energy in inertial form, while regulating a variable speed of nature. It consists mainly of masses (11) suspended in movement about an axis (9) driven by a freewheel (1). When the motive power increases, the centrifugal force spreads the masses, the inertia increases and brakes the motor (M); When the motor decreases, the masses get closer by keeping the speed longer. This device is particularly intended for wind turbines for which it allows a better energy recovery over unexploited speed ranges. Its energy storage capacity brings it closer to the function of a battery, but by mechanical means and not electrical; in this respect, it partially and completely replaces the electric batteries by limiting their use, which remains problematic. It integrates in particular as a transmission element between a Vertical Wind Turbine (M) and its Current Generator (G).

Description

page 1 DOMAINE TECHNIQUE Récupération d'Energie pour Machines Tournantes notamment Eoliennes. page 1 TECHNICAL FIELD Energy recovery for rotating machines including wind turbines.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Aujourd'hui les Eoliennes offrent des inconvénients et des contraintes qui tendent à réduire leur intérêt : - les génératrices auxquelles elles sont reliées ne supportent que des plages de vitesses très 10 réduites : - en dessous de la plage admissible aucun courant n'est récupéré - au dessus de la plage admissible il y a surchauffe et endommagement du matériel, de la génératrice, du rotor et des pales. - pour palier ces inconvénients il faut utiliser des dispositifs de sécurité qui laissent passer 15 le vent trop fort ou des boites de vitesse pour transmettre la vitesse de rotation supportée par la génératrice. - à faible vitesse de rotation aucune énergie n'est récupérée, d'autant que si des systèmes complexes sont interfacés ils augmentent les frottements et empêchent la récupération des faibles énergies. 20 Le stockage de l'énergie se fait aujourd'hui par des batteries. Une fois ces batteries chargées, l'énergie n'est plus récupérée, et lorsque le vent s'arrête ou simplement ralentit, aucune énergie n'est utilisable. L'utilisation extensive de ces batteries pourrait être considérée comme une source de pollution indirecte qui ne va pas dans le sens des 25 motivations écologiques de l'éolien. Ce stockage à inertie variable représente un palliatif écologique à cette limitation de stockage par substitution et complément. STATE OF THE PRIOR ART Today, wind turbines have drawbacks and constraints which tend to reduce their interest: the generatrices to which they are connected only support very limited speed ranges: below the admissible range no current is recovered - above the permissible range there is overheating and damage to the equipment, the generator, the rotor and the blades. In order to overcome these drawbacks, it is necessary to use safety devices that allow too strong wind or gearboxes to transmit the speed of rotation supported by the generator. - at low speed no energy is recovered, especially if complex systems are interfaced they increase friction and prevent the recovery of low energy. The storage of energy is done today by batteries. Once these batteries are charged, the energy is no longer recovered, and when the wind stops or simply slows down, no energy can be used. The extensive use of these batteries could be considered as a source of indirect pollution which does not go in the direction of the ecological motives of the wind. This variable inertia storage represents an ecological palliative to this storage limitation by substitution and complement.

L'utilisation de ce dispositif permet : 1/ une régulation de vitesse en fournissant à la génératrice une vitesse de rotation 30 relativement constante dans sa plage de fonctionnement optimale quelles que soient les variations de vitesses motrices. 2/ d'augmenter grandement la capacité de stockage en permettant la récupération d'énergie sur des plages de vitesse motrices beaucoup plus larges. The use of this device allows: 1 / speed control by providing the generator with a relatively constant rotational speed in its optimum operating range irrespective of the variations in driving speeds. 2 / to greatly increase the storage capacity by allowing energy recovery over much wider driving speed ranges.

35 DESCRIPTION : EXPOSE DE L'INVENTION ET REVENDICATIONS DESCRIPTION: SUMMARY OF THE INVENTION AND CLAIMS

Le dispositif selon l'invention comporte des masses mobiles suspendues autour d'un axe de rotation matérialisé par un arbre de transmission, ces masses suspendues s'écartent 40 naturellement par la force centrifuge induite par la rotation d'un système moteur auquel il est couplé. Il nécessite un moyen de rappel en position initiale, position où les masses sont le plus proches de l'axe de rotation, lorsque l'inertie est la plus faible. Ce moyen de rappel peut utiliser la pesanteur. Ce moyen de rappel peut également être un système élastique ou hydraulique ou la combinaison de ces différents moyens. 45 Le dispositif selon l'invention a la capacité de réguler une vitesse motrice de nature variable et de stocker l'énergie par des moyens mécaniques sous forme énergie potentielle et énergie cinétique. 50 page 2 The device according to the invention comprises mobile masses suspended around an axis of rotation embodied by a transmission shaft, these suspended masses naturally deviate by the centrifugal force induced by the rotation of a motor system to which it is coupled. . It requires a return means in the initial position, where the masses are closest to the axis of rotation, when the inertia is the lowest. This return means can use gravity. This return means can also be an elastic or hydraulic system or the combination of these different means. The device according to the invention has the capacity to regulate a driving speed of variable nature and to store the energy by mechanical means in the form of potential energy and kinetic energy. 50 page 2

Cette récupération s'effectue par augmentation automatique de l'inertie, ce qui résulte en un freinage progressif du moteur, d'où une fonction première de régulation de vitesse lorsque la motricité augmente violemment. Lorsque les masses s'écartent l'énergie cinétique et potentielle augmentent par l'accroissement de l'inertie, ce qui constitue la seconde fonction qui est le stockage inertiel. La spécificité de ce type de stockage inertiel est qu'il est variable, avec un rapport [inertie maximum] / [inertie initial] très important, l'inertie maximum pouvant être des milliers de fois supérieure à l'inertie initiale. Ce différentiel d'inertie représente une forte capacité à emmagasiner de l'énergie, à la stocker de manière progressive en la restituant également progressivement. This recovery is achieved by automatic increase in the inertia, which results in a gradual braking of the engine, hence a primary function of speed control when the motor increases violently. When the masses deviate the kinetic and potential energy increases by the increase of the inertia, which constitutes the second function which is the inertial storage. The specificity of this type of inertial storage is that it is variable, with a ratio [maximum inertia] / [initial inertia] very important, the maximum inertia may be thousands of times greater than the initial inertia. This inertial difference represents a strong capacity to store energy, to store it in a progressive way by also restoring it progressively.

En d'autres termes, le dispositif permet de réguler une vitesse motrice non constante, sa variation d'inertie automatique permet de freiner les embardées de vitesse en récupérant l'énergie sous forme de couple, et de restituer cette énergie sous forme de vitesse en cas de réduction de la vitesse motrice. Ce système est particulièrement utile pour les Eoliennes, dont la puissance motrice résulte de la vitesse du vent qui par nature n'est pas constante; Mais il peut également s'appliquer à des appareils de musculation comme le vélo elliptique, le vélo d'appartement, tout vélo modifié ou tout appareil de musculation dont l'utilisation pourrait être détournée afin de récupérer et stocker l'énergie produite lors d'entraînements sportifs. In other words, the device makes it possible to regulate a non-constant driving speed, its automatic variation of inertia makes it possible to slow down the speed lurches by recovering the energy in the form of a torque, and to restore this energy in the form of speed in case of reduction of the driving speed. This system is particularly useful for wind turbines, whose motive power results from the wind speed which by nature is not constant; But it can also be applied to weight machines such as the elliptical trainer, the exercise bike, any modified bike or any weight machine whose use could be diverted in order to recover and store the energy produced during training. sports training.

L'invention s'étend à tout type de masses en rotation, tout types de dimensionnements et de composants mécaniques de liaison et de transmission; Les moyens de rappel à l'état initial sont la force de pesanteur, la force de traction des éventuels systèmes élastiques utilisés, ou la combinaison des deux. L'utilisation de systèmes élastiques (ressorts ou autres technologies similaires) comme systèmes de suspension des masses est une option susceptible d'améliorer le dispositif car 30 il procure des avantages multiples : - de participer de manière unique ou combinée à la fonction de rappel en position initiale - d'augmenter l'inertie dont l'augmentation automatique par effet de force centrifuge peut être amplifiée par un mode de suspension élastique permettant un écartement supérieur des masses. 35 - réduire l'encombrement en hauteur du bâti de protection pour un même gain (différentiel) d'inertie. - mettre en oeuvre des systèmes utilisant une surface plus grande et une profondeur moindre, ce qui peut être utile suivant l'implantation envisagée. The invention extends to any type of rotating masses, all types of sizing and mechanical components of connection and transmission; The return means in the initial state are the gravitational force, the tensile force of the possible elastic systems used, or the combination of the two. The use of resilient systems (springs or other similar technologies) as mass suspension systems is an option which may improve the device since it provides multiple advantages: - to participate singly or in combination with the recall function initial position - to increase the inertia whose automatic increase by centrifugal force effect can be amplified by an elastic suspension mode allowing a greater separation of the masses. 35 - reduce the overall height of the protective frame for the same gain (differential) of inertia. - Implement systems using a larger surface and a lower depth, which can be useful depending on the implementation envisaged.

40 Le dimensionnement des masses, des longueurs de systèmes de suspension, les rapports de transmission des éléments de transmission utilisés (poulies, roues dentées, engrenages, ...) sont déterminés par calcul en fonction des données motrices en entrée, et des caractéristiques de sortie que constitue la génératrice de courant électrique, ses spécifications de vitesses et de couple précisément. 45 page 3 The sizing of the masses, the lengths of the suspension systems, the transmission ratios of the transmission elements used (pulleys, gears, gears, etc.) are determined by calculation according to the input motor data, and the characteristics of the transmission elements. output that constitutes the generator of electric current, its specifications of speeds and torque precisely. 45 page 3

EXPOSE D'UN MODE DE REALISATION DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT

Un système mécanique simple permettant de vérifier les avantages de l'invention, peut être 5 matérialisé par un système pendulaire de 4 Masses(11) en rotation autour d'un axe matérialisé par un Arbre de transmission(9). A simple mechanical system for verifying the advantages of the invention can be embodied by a pendulum system of 4 masses (11) rotated about an axis materialized by a transmission shaft (9).

Pour ce système simplifié, les Masses(11) sont suspendues à une Platine(8) par des Cables métalliques(10) accrochés à des Anneaux de levage. Selon un autre mode de liaison, les masses(12) sont suspendues par des tiges rigides, notamment des tiges métalliques. La Platine(8), solidaire de l'Arbre, et de la Poulie de sortie, l'ensemble est mobile en 15 rotation sur un Bâti fixe(7) et supporté par des Roulements coniques(6) montés on "O" afin de supporter les charges statiques et dynamiques, axiales (verticales) et radiales. For this simplified system, the masses (11) are suspended from a plate (8) by metal cables (10) hooked to lifting rings. According to another mode of connection, the masses (12) are suspended by rigid rods, in particular metal rods. The plate (8), integral with the shaft, and the output pulley, the assembly is movable in rotation on a fixed frame (7) and supported by tapered bearings (6) mounted on "O" in order to support static and dynamic, axial (vertical) and radial loads.

Les masses(11) peuvent être 4 boules en matériau lourd (acier remplies de plomb), reliées à la platine(8) par des cables métalliques(10) et des anneaux de levage disposées 20 symétriquement et régulièrement sur la circonférence de cette platine(8). The masses (11) can be 4 balls of heavy material (steel filled with lead), connected to the plate (8) by metal cables (10) and lifting rings arranged symmetrically and regularly on the circumference of this plate ( 8).

Une Poulie d'entrée(3) reposant sur une butée à bille supportant les efforts axiaux (verticaux) et comportant une Roue Libre(l) permettant l'entraînement de l'arbre de transmission(9) par un système moteur comme une Eolienne Verticale(M), et sa rotation 25 libre en l'absence de motricité. An input pulley (3) resting on a thrust bearing bearing axial forces (vertical) and comprising a free wheel (l) for driving the drive shaft (9) by a motor system such as a vertical wind turbine (M), and its free rotation in the absence of motricity.

Une Courroie reliant la Poulie d'entrée(3) de ce dispositif à une Eolienne Verticale(M). A belt connecting the input pulley (3) of this device to a vertical wind turbine (M).

Une Poulie de sortie(4) solidaire de l'Arbre de transmission(9) et entraînant la Génératrice 30 de Courant(G) Une Courroie reliant la Poulie de sortie(4) de ce dispositif à une Génératrice de Courant(G). 35 Ce système peut par exemple être interfacé entre une Eolienne Verticale(M) en entrée et une Génératrice de Courant(G) en sortie, avec un entraînement par éléments de transmission standards comme les ensembles poulie/courroies, roues dentées/chaînes, engrenages, ou par galets de friction. An output pulley (4) integral with the transmission shaft (9) and driving the current generator (G) A belt connecting the output pulley (4) of this device to a current generator (G). This system may for example be interfaced between an incoming Vertical Wind Turbine (M) and an Output Current Generator (G), with a drive by standard transmission elements such as pulley / belt assemblies, toothed wheels / chains, gears, or by friction rollers.

40 Le mode de réalisation ci-dessus décrit permet de vérifier les fonctions de régulation et de stockage d'énergie, mais un système opérationnel devra intégrer des systèmes de sécurité comme des embrayages, freins, ou autres dispositifs spécifiques permettant des fonctions d'arrêt d'urgence ou de réduction d'inertie. 10 20 page 4 APPLICATION INDUSTRIELLE POSSIBLE The embodiment described above makes it possible to check the regulation and energy storage functions, but an operational system will have to integrate safety systems such as clutches, brakes, or other specific devices allowing stop functions. urgency or reduction of inertia. 10 20 page 4 POSSIBLE INDUSTRIAL APPLICATION

Petites installations : Bâtiments de particuliers ou de petites entreprises. L'installation se fait plus simplement sur un bâtiment neuf, en logeant le dispositif en sous-sol, mais dans certains cas, le dispositif peut être installé sous plancher lorsque la hauteur sous-plafond le permet et que des conditions de sécurité sont prévues, ou dans un local dédié. Small installations: Buildings of individuals or small businesses. The installation is done more simply on a new building, housing the device in the basement, but in some cases, the device can be installed under floor when the ceiling height allows it and that security conditions are provided, or in a dedicated room.

10 Moyennes et grandes installations : Parc Eolien Le dispositif peut être couplé à des Eoliennes Verticales ou toute autre Eolienne dont les pales ne sont pas directement liées au générateur de courant. Il est judicieux de prévoir l'installation du dispositif au moment de l'implantation de la centrale de production électrique car l'encombrement et la gestion du risque est facilitée 15 par une installation souterraine. 10 Medium and large installations: Wind farm The device can be coupled to vertical wind turbines or any other wind turbine whose blades are not directly connected to the generator of current. It is wise to provide for the installation of the device at the time of installation of the power plant because the congestion and risk management is facilitated by an underground installation.

Le dispositif est particulièrement adapté à des sources motrices verticales comme les Eoliennes Verticales, aucun renvoi d'angle n'étant nécessaire, évitant ainsi des pertes supplémentaires par frottement, bien que ce ne soit pas exclu. Dans tous les cas, il faut prévoir des mesures de protection, d'étanchéité, un accès maintenance, des systèmes de sécurité comme embrayages, freins, et dispositif de réduction d'inertie. The device is particularly suitable for vertical drive sources such as Vertical Wind Turbines, no angle gear being necessary, thus avoiding additional losses by friction, although this is not excluded. In all cases, it is necessary to provide protection measures, sealing, maintenance access, safety systems such as clutches, brakes, and inertia reduction device.

Claims (8)

REVENDICATIONS1- Dispositif à inertie variable permettant de réguler une vitesse motrice non constante et conserver la quasi-totalité de la puissance motrice par stockage inertiel. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte des masses(12) suspendues sur un arbre de transmission(9) entraîné par un système de roue libre(1), et un moyen de rappel vers une position initiale. CLAIMS1- Variable inertia device to regulate a non-constant driving speed and keep almost all the power by inertial storage. This device is characterized in that it comprises masses (12) suspended on a transmission shaft (9) driven by a freewheel system (1), and a return means to an initial position. 2- Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des masses(12) suspendues et en rotation autour d'un arbre de transmission(9), et que la liaison(10) de ces masses permet leur écartement naturel et automatique par force centrifuge et donc une variation d'inertie automatique suivant les variations de vitesse de rotation d'un système moteur(M) auquel il est couplé. 2- System according to claim 1 characterized in that it comprises masses (12) suspended and rotated about a transmission shaft (9), and that the connection (10) of these masses allows their natural separation and automatic by centrifugal force and therefore an automatic variation of inertia according to the rotational speed variations of a motor system (M) with which it is coupled. 3- Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'entraînement moteur se fait par un système de type roue libre, permettant une rotation libre de l'arbre de transmission(9) dans le sens de rotation induit par le moteur(M) en l'absence d'entraînement. 3- System according to claim 1 characterized in that the motor drive is by a freewheel type system, allowing free rotation of the transmission shaft (9) in the direction of rotation induced by the motor (M) in the absence of training. 4- Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que les éléments de suspension des masses sont souples, comme des cables ou des chaînes; 4. System according to claim 2 characterized in that the suspension elements of the masses are flexible, such as cables or chains; 5- Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que les éléments de suspension des masses(12) sont rigides, comme par exemple des tiges métalliques. 5. System according to claim 2 characterized in that the suspension elements of the masses (12) are rigid, such as metal rods. 6- Système selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que les éléments de 30 liaison(10) intègrent des éléments élastiques tels que ressorts de traction ou de compression selon le montage utilisé; 6. System according to claim 4 or 5 characterized in that the connecting elements (10) incorporate elastic elements such as tension springs or compression according to the assembly used; 7- Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moyen de rappel vers la position initiale utilise la pesanteur, une force de traction élastique ou la combinaison des 35 deux. 7- System according to claim 2 characterized in that the biasing means to the initial position uses gravity, an elastic tensile force or the combination of both. 8- Système selon la revendication 3 caractérisé en ce que le système de couplage du dispositif avec le système moteur(M) comporte une roue libre(1). 40 8- System according to claim 3 characterized in that the coupling system of the device with the motor system (M) comprises a freewheel (1). 40
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