FR3110211A1 - Réservoir de pression comprenant un assemblage de tronçons reliés par des connexions coulissantes et formant une courbe fermée - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un réservoir de pression (1) comprenant un assemblage d’au moins deux tronçons (31), les tronçons (31) étant connectés par des connexions coulissantes (2), chaque tronçon (31) délimitant une section interne du réservoir de pression (1). Les connexions coulissantes (2) relient les tronçons (31) bout-à-bout. De plus, les génératrices de l’assemblage des tronçons (31) forment une courbe fermée sur elle-même. De ce fait, le réservoir de pression (1) ne comprend aucun fond. L’invention concerne aussi un moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant un réservoir de pression (1) tel que décrit, ainsi qu’une méthode de fabrication d’un réservoir de pression (1). Figure 2 à publier

Description

Réservoir de pression comprenant un assemblage de tronçons reliés par des connexions coulissantes et formant une courbe fermée
La présente invention concerne principalement le domaine de stockage d’énergie par air comprimé et peut s’appliquer à d’autres systèmes de réservoirs sous pression.
La production d’électricité à partir d’énergies renouvelables, par exemple par l’intermédiaire de panneaux solaires, ou d’éoliennes terrestres ou marines, est en plein essor. Les principaux inconvénients de ces moyens de production sont l’intermittence de la production et la possible non-adéquation entre la période de production et la période de consommation. Il est donc important de disposer d’un moyen de stockage de l’énergie lors de la production pour la restituer lors d’une période de consommation.
Il existe de nombreuses technologies permettant cet équilibre.
Parmi elles, la plus connue est la Station de Transfert d’Eau par Pompage (STEP) qui consiste en l’utilisation de deux réservoirs d’eau à des altitudes différentes. L’eau est pompée du bassin inférieur vers le bassin supérieur lors de la phase de charge. L’eau est ensuite envoyée vers une turbine, en direction du bassin inférieur, lors de la décharge.
L’utilisation de batteries de différents types (lithium, nickel, sodium-soufre, plomb-acide…) peut également répondre à ce besoin de stockage d’énergie.
Une autre technologie, le stockage d'énergie par rotor (FES pour Flywheel Energy Storage) consiste à accélérer un rotor (volant) à une vitesse très élevée et à maintenir l'énergie dans le système sous forme d’énergie cinétique. Lorsque l'énergie est extraite de ce système FES, la vitesse de rotation du volant est réduite en conséquence du principe de conservation de l'énergie. L'ajout d'énergie au système FES entraîne, en conséquence, une augmentation de la vitesse du volant.
La technologie de stockage d’énergie par utilisation d’un gaz comprimé, (souvent de l’air comprimé) est prometteuse. L’énergie produite et non consommée est utilisée pour comprimer de l’air à des pressions comprises entre 40 bar et 200 bar à l’aide de compresseurs (pouvant être multi-étagés). Lors de la compression, la température de l’air augmente. Afin de limiter le coût des réservoirs de stockage et minimiser la consommation d’électricité du compresseur, l’air peut être refroidi entre chaque étage de compression. L’air comprimé est alors stocké sous pression, soit dans des cavités naturelles (cavernes), soit dans des réservoirs artificiels.
Lors de la phase de production d’électricité, l’air stocké est alors envoyé dans des turbines afin de produire de l’électricité. Lors de la détente, l’air se refroidit. Afin d’éviter des températures trop basses (-50°C) entraînant des dommages dans les turbines, l’air peut être réchauffé avant sa détente. De telles installations fonctionnent depuis un certain nombre d’années déjà, comme par exemple l’unité de Huntorf en Allemagne fonctionnant depuis 1978 ou celle de MacIntosh aux USA (Alabama) fonctionnant depuis 1991. Ces deux installations ont la particularité d’utiliser l’air comprimé stocké pour alimenter des turbines à gaz. Ces turbines à gaz brûlent du gaz naturel en présence d’air sous pression afin de générer des gaz de combustion très chauds (550°C et 825°C) et à haute pression (40 bar et 11 bar) avant de les détendre dans des turbines générant de l’électricité. Ce type de procédé émet du dioxyde de carbone. L’unité d’Huntorf pourrait émettre environ 830 kg de CO2par mégawatt d’électricité produit.
Il existe une variante en développement. Il s’agit d’un procédé dit adiabatique dans lequel la chaleur issue de la compression de l’air est récupérée, stockée et restituée à l’air avant de le détendre. Il s’agit de la technologie AACAES (issue de l’anglais « Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage »).
Dans un système AACAES, l’air comprimé est stocké dans un réservoir de manière indépendante au stockage de chaleur. Dans un tel système, l'air est stocké à une température proche de la température ambiante (à priori inférieure à 50°).
A ce jour, les réservoirs d’air comprimé et de manière plus large, les réservoirs sous pression, sont des capacités fermées constituées d’au moins deux extrémités, aussi appelées « fonds », et éventuellement reliée par une partie intermédiaire telle que sur la Figure 1, où P représente la pression interne. Sur cette figure, le réservoir est représenté, de manière non limitative par une partie cylindrique (la direction r étant la direction radiale et la direction z la direction axiale d’un repère cylindrique associé au réservoir) de diamètre interne Di. Ainsi, ce type de réservoirs peut être, par exemple, une sphère constituée par deux demi-sphères ou bien par une capacité cylindrique constituée de deux fonds reliés entre eux par une section cylindrique. Les liaisons entre les différentes parties sont rigides, de type encastrement.
De plus, ces réservoirs sont le plus souvent en acier, pour résister à des pressions importantes. Compte tenu des volumes de stockage importants, le coût de réalisation de ces réservoirs de pression de grand volume est très élevé.
Dans un réservoir cylindrique fermé, les effets de fond, issus de l’application de la pression interne sur les fonds du réservoir, génèrent des efforts de traction dans le sens longitudinal et donc des contraintes axiales σll, telles que sur la Figure 1. Quelle que soit la forme du fond (plate, bombée, hémisphérique, etc.), les effets de fond de ce type de réservoir génèrent la contrainte longitudinale moyenne suivante dans la partie courante du réservoir :
Où P : est la pression appliquée dans le réservoir
Di :le diamètre interne du réservoir
t : l’épaisseur de la paroi du réservoir au niveau de la partie cylindrique
Lorsque le réservoir de pression est à paroi mince, on obtient :
On entend par un réservoir de pression à paroi mince, un réservoir de pression dont l’épaisseur du réservoir est faible devant son diamètre (par épaisseur faible devant son diamètre, on entend un rapport t/Di<5%).
La reprise des effets de fond par les parois cylindriques nécessitent d’augmenter l’épaisseur de ces parois, ce qui augmente le coût de fabrication.
Par ailleurs, la pression appliquée P sur chacun des fonds du réservoir de pression de diamètre interne Di engendre un effort F sur ceux-ci, effort F nommé « effet de fond », qui s’écrit de la manière suivante :
La conception des fonds doit donc être prévue pour résister à ces efforts, ce qui génère un coût important pour le réservoir de pression, notamment pour assurer leur fixation, par exemple par des butées à chaque extrémité.
Pour pallier aux inconvénients de l’art antérieur, notamment liés aux effets de fond sur les fonds, l’invention concerne un réservoir de pression comprenant un assemblage d’au moins deux tronçons, les tronçons étant connectés par des connexions coulissantes, chaque tronçon délimitant une section interne du réservoir de pression. Les connexions coulissantes relient les tronçons bout-à-bout. En outre, selon l’invention, l’assemblage des tronçons, notamment par l’intermédiaire des connexions coulissantes forme une courbe fermée sur elle-même. Les génératrices de l’assemblage des tronçons sont agencées pour former une forme fermée sur elle-même, cette forme peut notamment être une courbe fermée sur elle-même. La courbe fermée sur elle-même peut être un cercle ou un polygone. En d’autres termes, les formes et courbes fermées sur elle-même peuvent comprendre des arcs incurvés (courbés) et/ou des segments (droits et rectilignes). D’une part, ceci permet de mettre en compression la partie courante des tronçons dans la direction suivant l’axe de la génératrice des tronçons. D’autre part, dans ce système en boucle fermée, le réservoir de pression n’a plus de fonds (c’est-à-dire plus d’extrémité), l’effet de la pression est alors uniquement repris par une poussée radiale répartie sur le réservoir de pression. Ainsi, cela peut permettre de réduire le coût du réservoir de pression.
L’invention concerne un réservoir de pression comprenant un assemblage d’au moins deux tronçons, lesdits tronçons étant connectés par des connexions coulissantes, chaque tronçon délimitant une section interne du réservoir de pression, lesdites connexions coulissantes reliant lesdits tronçons bout-à-bout. De plus, les génératrices dudit assemblage desdits tronçons sont agencées pour former une forme fermée sur elle-même.
Selon une variante de l’invention, ladite forme fermée est un polygone, un cercle, ou une courbe comprenant deux lignes parallèles reliées entre elles à chaque extrémité par des demi-cercles.
Selon une configuration de l’invention, les tronçons ont tous la même section interne, de préférence, la section interne des tronçons étant circulaire.
Avantageusement, au moins un tronçon est rectiligne, de préférence, tous les tronçons sont rectilignes.
Selon une mise en œuvre de l’invention, au moins un tronçon est incurvé, de préférence tous les tronçons sont incurvés.
De préférence, le matériau d’au moins un tronçon comprend du béton, de préférence du béton armé ou du béton précontraint.
Selon une variante de l’invention, le matériau d’au moins un tronçon comprend du composite et/ou au moins un tronçon comprend du métal, de préférence de l’acier.
Préférentiellement, les connexions coulissantes comprennent des moyens d’étanchéité.
De manière avantageuse, le réservoir de pression comprend des moyens de reprise de l’effort radial.
De manière préférée, les moyens de reprise de l’effort radial comprennent des éléments de maintien, de préférence des câbles ou des barres reliant les tronçons à un élément central, reliant des tronçons diamétralement opposés, reliant les connexions coulissantes audit élément central, reliant des connexions coulissantes diamétralement opposées, reliant les tronçons entre eux ou reliant les connexions coulissantes entre elles.
Selon une configuration de l’invention, les moyens de reprise de l’effort radial comprennent des culées.
Selon une autre configuration de l’invention, les moyens de reprise de l’effort radial comprennent des fondations.
L’invention concerne aussi un moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant au moins un moyen de compression, au moins un moyen de détente, au moins un moyen de stockage de la chaleur et au moins un réservoir de pression tel que décrit précédemment.
L’invention concerne également une méthode de fabrication d’un réservoir de pression pour laquelle on assemble des tronçons par l’intermédiaire de connexions coulissantes, les génératrices dudit assemblage desdits tronçons formant une forme fermée sur elle-même pour réaliser un réservoir de pression tel que décrit précédemment.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et/ou de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 représente un réservoir de pression selon l’art antérieur.
La figure 2 représente un premier mode de réalisation d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 5 représente une première variante de connexion coulissante d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 6 représente une deuxième variante de connexion coulissante d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 7 illustre la poussée radiale et l’effort appliqué aux extrémités d’un tronçon incurvé d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 8 représente une première configuration de moyen de reprise de l’effort radial d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 9 représente une deuxième configuration de moyen de reprise de l’effort radial d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 10 représente une troisième configuration de moyen de reprise de l’effort radial d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 11 représente une quatrième configuration de moyen de reprise de l’effort radial d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 12 représente une cinquième configuration de moyen de reprise de l’effort radial d’un réservoir de pression selon l’invention.
La figure 13 représente une sixième configuration de moyen de reprise de l’effort radial d’un réservoir de pression selon l’invention.
L’invention concerne un réservoir de pression comprenant un assemblage d’au moins deux tronçons. On appelle tronçon une partie du réservoir de pression définissant un volume interne dans lequel peut se trouver un fluide sous pression, le tronçon étant ouvert en ses deux extrémités. Par exemple et de manière non limitative, un tronçon peut être un tube droit ou incurvé. Ces tronçons sont connectés par des connexions coulissantes, ces connexions coulissantes reliant les tronçons bout-à-bout et étant conçues pour permettre le déplacement longitudinal (selon la génératrice des tronçons) des tronçons dans la connexion coulissante lorsque le réservoir est soumis à une pression interne.
Le coulissement (glissement) entre les tronçons et les connexions coulissantes est possible grâce aux connexions coulissantes. Il se produit notamment en fonctionnement, lorsque le réservoir est soumis à une pression interne (supérieure à 50 bar et de préférence supérieure à 100 bar). En effet, la pression interne s’exerce aux extrémités longitudinales de chaque tronçon (sur chaque face d’extrémité de chaque tronçon). Par conséquent, les tronçons peuvent être soumis à une compression longitudinale sous l’effet de la pression interne appliquée sur les faces d’extrémités, lesdites faces étant préférentiellement situées sur un plan orthogonal à la génératrice du tronçon. La distance de glissement dépend de la déformation longitudinale (elle-même dépendante de la pression interne, de la section et de la forme du tronçon et du matériau du tronçon) et de la longueur L du tronçon selon l’équation suivante :
Le réservoir de pression selon l’invention ne dispose d’aucun fond.
Chaque tronçon peut généralement se définir par une section interne, dans laquelle on stocke le fluide sous pression, et une section externe, les sections interne et externe s’étendant sur une certaine longueur. Par exemple et de manière non limitative, le tronçon peut être un tube, qui peut avoir des sections internes et/ou externes circulaires, carrées, rectangulaires, triangulaires, hexagonales etc… Une épaisseur de matériau situé entre la section interne et la section externe constitue l’enveloppe du réservoir de pression. Les sections interne et externe se développent suivant une génératrice (les sections interne et externe s’étendent le long d’une génératrice), qui est une ligne (ou une courbe droite) donnant la direction à suivre des sections interne et externe. La génératrice est généralement une droite pour des tronçons rectilignes ou une courbe continue pour des tronçons incurvés (courbés). Sous l’effet de la pression interne, grâce aux connexions coulissantes, le tronçon peut se déplacer longitudinalement dans la direction de la génératrice.
Dans la suite de la description, la forme fermée sur elle-même est appelée « forme fermée » et la courbe fermée sur elle-même est appelée « courbe fermée ».
L’utilisation de connexions coulissantes permet également de réaliser le montage des tronçons entre eux, sur site, en facilitant les opérations de transport par des tronçons de taille réduite et en facilitant l’assemblage, les connexions coulissantes permettant d’accepter des légers défauts d’alignement par exemple.
Ainsi, dans la suite de la description, on nomme réservoir de pression torique, le réservoir de pression selon l’invention.
Préférentiellement, les tronçons peuvent être tous de même longueur. D’une part, cela permet de standardiser les tronçons et donc de réduire leur coût de fabrication et de simplifier la logistique. D’autre part, la forme fermée (ou la courbe fermée) peut être constituée par des portions de même longueur, ce qui permet d’avoir des formes plus simples et une meilleure répartition des efforts le long du réservoir de pression.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les tronçons peuvent tous avoir la même section interne. Ainsi, les tronçons peuvent être standardisés pour leur fabrication, ce qui permet de réduire les coûts. De plus, lors du remplissage ou de la vidange du réservoir, conserver une section interne constante permet de réduire les pertes de charge et donc d’améliorer l’efficacité du réservoir. De préférence, la section interne et/ou externe des tronçons peut être circulaire. Les tronçons peuvent ainsi être tubulaires. Ainsi, les pertes de charge sont réduites et la fabrication est simplifiée. L’étanchéité au niveau des connexions coulissantes est également facilitée par la section circulaire interne et/ou externe, notamment par la possibilité d’utiliser des joints toriques.
Selon une configuration de l’invention, l’étanchéité du réservoir peut notamment être assurée par un moyen d’étanchéité positionné sur la connexion coulissante et/ou sur le tronçon, au niveau de la liaison entre la connexion coulissante et le tronçon. Les moyens d’étanchéité sont conçus pour garantir l’étanchéité, sous l’effet de la pression interne, même en cas de déplacement du tronçon dans la connexion coulissante (par glissement du tronçon dans la connexion coulissante).
De ce fait, les connexions coulissantes peuvent comprendre des moyens d’étanchéité, par exemple des joints d’étanchéité tels que des joints toriques et/ou des joints quadrilobes, positionnés entre la connexion coulissante et chaque tronçon.
De plus, chaque tronçon délimite une section interne du réservoir de pression de manière à pouvoir stocker un fluide tel que de l’air comprimé. En outre, l’assemblage des tronçons forme une courbe fermée sur elle-même. Autrement dit, les génératrices de l’assemblage des tronçons sont agencées pour former une forme fermée sur elle-même. Par exemple, la courbe reliant la fibre neutre des différents tronçons successifs et des connexions coulissantes forme une courbe fermée sur elle-même.
La fibre neutre désigne la ligne passant par le centre de gravité des sections droites des tronçons, c’est-à-dire les sections perpendiculaires à la génératrice du tronçon.
En outre, on appelle « courbe fermée sur elle-même », une courbe ne disposant d’aucune extrémité. Elle se replie sur elle-même, comme par exemple un polygone ou un cercle.
L’assemblage de tronçons forme ainsi un volume interne, permettant le stockage d’un fluide à l’intérieur du réservoir de pression. Comme l’assemblage des tronçons forme une courbe fermée sur elle-même, le réservoir de pression ne dispose pas de fonds, contrairement aux solutions de l’art antérieur, les fonds des solutions de l’art antérieur étant soumis à la pression interne. Lorsque la forme fermée sur elle-même est un cercle, le réservoir de pression se présente sous la forme d’un tore.
La courbe fermée sur elle-même formée par les tronçons et les connexions coulissantes étant avantageusement sensiblement plane de manière à simplifier.la fabrication.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la forme fermée peut être un polygone. Ainsi, les tronçons peuvent notamment comprendre des tronçons rectilignes (dont la génératrice est une droite ou dont la génératrice comprend plusieurs segments de droite). Les connexions coulissantes peuvent alors être avantageusement positionnées au niveau des sommets du polygone. Cette forme est avantageuse car l’utilisation de tronçons droits (aussi appelés rectilignes) permet de faciliter la fabrication des tronçons et leur montage. De plus, l’étanchéité à garantir au niveau des connexions coulissantes est plus facile à obtenir qu’avec des tronçons incurvés car les glissements des tronçons rectilignes dans les connexions coulissantes se font alors selon la génératrice droite des tronçons.
La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation de connexions coulissantes 2 selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Sur cette figure, la connexion coulissante 2 réalise l’assemblage de deux tronçons rectilignes 31, désaxés l’un par rapport à l’autre d’un angle non nul 2φ, par exemple pour réaliser un assemblage de tronçons rectilignes sous la forme d’un polygone comme sur la figure 2.
La ligne en traits mixtes représente la fibre neutre Fib. Cette fibre neutre Fib est une portion de courbe continue (forme continue), reliant deux segments, chaque segment formant l’axe longitudinal de chacun des deux tronçons rectilignes 31.
Chaque tronçon rectiligne 31 est tubulaire avec un diamètre interne Di et un diamètre externe De, les deux diamètres interne Di et externe De étant concentriques. Le diamètre interne Di définit une section interne S, ici annulaire, permettant le stockage de fluide sous pression.
Les doubles flèches représentent les déplacements possibles de chaque tronçon rectiligne 31, les déplacements étant possibles grâce au glissement permis par la connexion coulissante 2.
La connexion coulissante 2 est composée de deux parties, chacune de ces parties étant orientée de la même manière que les tronçons rectilignes 31 auxquels elles sont connectées. Autrement dit, l’angle formé entre les deux parties rectilignes de la connexion coulissante 2 est égal à l’angle formé 2φ entre les deux tronçons rectilignes 31 qui sont reliés par la connexion coulissante 2, de manière à permettre l’assemblage des tronçons rectilignes 31 dans la connexion coulissante 2.
Le réservoir de pression (et donc les tronçons rectilignes 31) est soumis à une pression interne. La pression interne s’applique notamment sur les surfaces planes d’extrémité A et B des deux tronçons rectilignes 31 connectés par la connexion coulissante 2. De ce fait, un effet de fond Fd, résultant de la pression interne, est appliqué sur les surfaces planes d’extrémité A et B, entraînant une compression ou une réduction de la traction des tronçons rectilignes 31. En effet, un tube sous pression interne tend à subir un effort de traction longitudinal. L’effet de fond Fd tend à réduire cet effort de traction longitudinal ou à le transformer en effort de compression longitudinal, en fonction de la pression interne appliquée, de la forme et de la section des tronçons et du matériau des tronçons. La réduction de l’effort de traction longitudinal du tronçon ou sa mise en compression longitudinal est avantageuse lorsqu’on souhaite réaliser les tronçons en béton, le béton ayant une meilleure résistance mécanique en compression (supérieure à 30 MPa) qu’en traction (inférieure à 10 MPa et généralement inférieure à 5 MPa).
La connexion coulissante 2 est également soumise à la pression interne. Compte tenu du désaxage entre les deux parties rectilignes de la connexion coulissante 2, la pression s’applique sur une plus grande section sur la partie extérieure de la connexion coulissante 2 que sur la partie intérieure de la connexion coulissante 2. Il en résulte qu’un effort radial s’applique sur la connexion coulissante 2. Autrement dit, la connexion coulissante 2 est alors soumise à une poussée radiale qui tend à déplacer la connexion coulissante 2 radialement.
Selon un deuxième mode de réalisation, la forme (ou courbe) fermée peut aussi être une ligne courbe, par exemple un cercle ou une courbe comprenant au moins une portion de cercle. Ainsi, les tronçons peuvent aussi comprendre des tronçons incurvés. Dans ce cas-là, une poussée radiale résultant de la pression interne appliquée sur les tronçons incurvés s’appliquent sur les tronçons.
La figure 7 illustre de manière schématique et non limitative, un exemple de répartition des efforts appliqués sur un tronçon incurvé (ou courbé), le tronçon étant connecté de part et d’autre par des connexions coulissantes (non représentées), le tronçon incurvé représentant une portion angulaire de 2ϴ. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Comme le réservoir de pression est soumis à une pression interne P, cette pression P s’applique sur la partie de tore, notamment sur le diamètre interne Di du tronçon, ainsi que sur les surfaces planes d’extrémité A et B du tronçon, entre le diamètre externe De et le diamètre interne Di du tronçon. Les surfaces planes d’extrémité A et B sont sensiblement orthogonales à la génératrice représentée par la fibre neutre Fib en traits mixtes. L’application de la pression P sur les différentes surfaces du tore est représentée par les flèches en pointillés.
L’effort de poussée radiale Frad est l’effort résultant de la pression P appliquée sur le diamètre interne Di du tronçon, de section angulaire de 2ϴ (O’ étant le centre du tore) ; les deux efforts Fext sont les efforts résultant de la pression P appliquée sur les surfaces planes d’extrémité A et B, entre le diamètre externe De et le diamètre interne Di. Les surfaces planes d’extrémités A et B sont les extrémités du tronçon de section angulaire 2ϴ.
Les efforts Fext génèrent de la compression longitudinale (longitudinale devant s’entendre selon la génératrice correspondant à la fibre neutre Fib) dans le tronçon.
La poussée radiale Frad tend déplacer radialement le tronçon sous l’effet de la pression interne.
Selon une variante de l’invention, la forme (ou courbe) fermée peut également comprendre deux lignes parallèles reliées entre elles à chaque extrémité par des demi-cercles ou des tronçons de cercles. Cette géométrie est intéressante car elle permet de limiter le nombre de connexions coulissantes reliant des tronçons désaxés et/ou courbés. Ainsi, les risques de fuite au niveau des connexions coulissantes sont réduits.
De préférence, le réservoir de pression peut comprendre des moyens de reprise de l’effort radial (moyens de positionnement). Ainsi, les déplacements radiaux des tronçons et/ou des connexions coulissantes sont limités. En effet, la connexion coulissante et/ou les tronçons peuvent subir des déplacements radiaux dus à la pression interne. De manière à maintenir le réservoir de pression étanche et à éviter qu’il s’ouvre sous l’effet de la pression interne, les moyens de reprise de l’effort radial peuvent être utiles.
Selon une variante, les moyens de reprise de l’effort radial peuvent comprendre des culées. Les culées sont des massifs (piles de maçonnerie) qui reprennent la poussée radiale transmise par les tronçons et/ou les connexions coulissantes, à la manière des culées de pont. Les culées sont positionnées préférentiellement latéralement (radialement) à l’extérieur des tronçons ou des connexions coulissantes, pour limiter leur déplacement radial.
Selon une autre configuration, les moyens de reprise de l’effort radial peuvent comprendre des fondations. Les fondations sont implantées dans le sol ou fixées au sol, généralement verticalement en dessous sous le réservoir de pression torique. En d’autres termes, le réservoir de pression torique est posé sur les fondations, le tore formé par le réservoir de pression étant sensiblement horizontal. La liaison des connexions coulissantes et/ou des tronçons aux fondations permet ainsi la reprise des efforts de poussée radiale. Les fondations peuvent être locales, par exemple uniquement au niveau des connexions coulissantes. Selon une autre variante, les fondations peuvent se poursuivre sur toute la surface extérieure du réservoir de pression, entourant les tronçons et les connexions coulissantes. De ce fait, les déplacements radiaux sont impossibles ou limités à une valeur prédéterminée acceptable pour le fonctionnement du réservoir de pression.
Selon une autre variante, les moyens de reprise de l’effort radial peuvent comprendre des éléments de maintien, comme des câbles et/ou des barres, reliant par exemple :
- les tronçons à un élément central, l’élément central étant fixe ;
- des tronçons diamétralement opposés, de ce fait, aucun élément central n’est utile, les efforts des tronçons diamétralement opposés s’annulant ;
- des connexions coulissantes à l’élément central, l’élément central étant fixe ;
- des connexions coulissantes diamétralement opposées, de ce fait, aucun élément central n’est utile, les efforts des connexions coulissantes diamétralement opposées s’annulant ;
- des tronçons entre eux, de préférence, les liaisons s’effectuant sur l’intérieur, les déplacements radiaux au niveau des liaisons entre les tronçons et les éléments de maintien sont ainsi limités. Cette solution permet de limiter la longueur des éléments de maintien ;
- ou des connexions coulissantes entre elles, de préférence, les liaisons s’effectuant sur l’intérieur, les déplacements radiaux au niveau des liaisons entre les connexions coulissantes et les éléments de maintien sont ainsi limités. Cette solution permet de limiter la longueur des éléments de maintien.
Avantageusement, les éléments de maintien peuvent être métalliques, par exemple ils peuvent être en acier, de manière à résister aux efforts de tension qui leur sont alors appliqués pour assurer le maintien. Tout autre matériau adapté à résister à des efforts de tension pourrait être utilisé, notamment des câbles synthétiques ou composites.
Selon une variante de l’invention, au moins un tronçon peut être rectiligne (tronçon dit « droit », pour lequel la génératrice est une droite). De ce fait, la fabrication des tronçons et de l’assemblage est simple et peu onéreuse. De préférence, tous les tronçons peuvent être rectilignes, ce qui permet de faciliter encore la fabrication et de standardiser les lignes de fabrication et de transport. L’assemblage d’un réservoir de pression ne comportant que des tronçons rectilignes est avantageusement réalisé par un polygone.
Alternativement ou en combinaison, au moins un tronçon peut être incurvé, de préférence tous les tronçons peuvent être incurvés. Les tronçons incurvés permettent par exemple de réaliser un assemblage sous la forme d’un cercle ou d’un arc de cercle. Ainsi, les déformations sont sensiblement uniformes. Les tronçons incurvés permettent également de limiter les pics de contrainte. Les tronçons incurvés permettent également de réaliser des formes plus complexes que les tronçons droits, ce qui permet d’avoir des degrés de liberté supplémentaires pour la conception du réservoir de pression.
De préférence, le matériau d’au moins un tronçon peut comprendre du béton, de préférence du béton armé ou du béton précontraint. Ainsi, le coût de fabrication du tronçon est réduit. De plus, le réservoir de pression selon l’invention, pour lequel les tronçons peuvent être en compression longitudinale, est particulièrement adapté au béton. Le béton peut être précontraint de manière à augmenter sa capacité de reprise d’effort de traction.
Selon une variante ou par addition, le matériau d’au moins un tronçon peut comprendre du composite et/ou au moins un tronçon peut comprendre du métal, de préférence de l’acier. Le composite peut permettre de réduire la masse de chaque tronçon et de résister à de très hautes pressions. Il peut se révéler avantageux également lorsque le fluide interne est corrosif. Le métal, notamment l’acier, permet de reprendre des efforts en tension lorsqu’il y en a. Le tronçon peut également être réalisé à partir de plusieurs matériaux, par exemple, une couche de métal interne, recouverte d’une couche de composite. Ainsi, le choix du matériau peut être adapté au besoin spécifique de chaque application.
La figure 2 présente, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation d’un réservoir de pression 1 selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression 1 en vue de dessus. Dans cette figure, on observe plusieurs tronçons rectilignes 31 (ici seize tronçons rectilignes 31), les longueurs des différents tronçons sont ici variables mais elles pourraient être identiques pour tous les tronçons. La fibre neutre de l’assemblage, matérialisée par la ligne en trait mixte forme ici un polygone à seize côtés, de longueurs différentes mais préférentiellement, le polygone pourrait avoir des côtés de mêmes longueurs. Les tronçons rectilignes 31 sont connectés bout-à-bout par des connexions coulissantes 2. Le réservoir de pression 1 ne présente aucun fond.
La figure 3 présente, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation d’un réservoir de pression 1 selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression 1 en vue de dessus. Dans cette figure, on observe plusieurs tronçons incurvés 30 (ici seize tronçons incurvés 30), le rayon d’incurvation des tronçons étant identique pour tous les tronçons. La fibre neutre de l’assemblage, matérialisée par la ligne en traits mixtes forme un cercle. Les tronçons incurvés 30 sont connectés bout-à-bout par des connexions coulissantes 2. Le réservoir de pression 1 forme ici un tore, sans embout ni fond.
La figure 4 présente, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation d’un réservoir de pression 1 selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression 1 en vue de dessus. Dans cette figure, on observe plusieurs tronçons rectilignes 31 (ici quatre tronçons rectilignes 31) et deux tronçons incurvés 30. La fibre neutre de l’assemblage, matérialisée par la ligne en traits mixtes forme une courbe comprenant deux lignes parallèles reliées entre elles par deux demi-cercles. Les tronçons générés par les lignes parallèles sont rectilignes et les tronçons des demi-cercles sont incurvés. Quatre connexions coulissantes 2 relient des tronçons rectilignes 31 à des tronçons incurvés 30, en bout-à-bout et deux connexions coulissantes 2 relient des tronçons rectilignes 31 entre eux. Le réservoir de pression 1 ne présente aucun fond.
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation de connexions coulissantes 2 selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Les tronçons incurvés 30 comprennent des tronçons tubulaires de diamètre interne Di et de diamètre externe De, les deux diamètres interne Di et externe De étant concentriques pour obtenir une épaisseur constante. Ils sont reliés entre eux par des connexions coulissantes 2. Le diamètre interne Di forme une section interne S au tronçon, permettant le stockage d’un fluide sous pression, comme de l’air comprimé.
Les connexions coulissantes 2 sont réalisées à l’extrémité d’un tronçon incurvé 30, par exemple, la connexion coulissante peut être usinée directement dans le tronçon incurvé ou bien être une pièce indépendante rapportée au tronçon par exemple par soudage. Ainsi, chaque tronçon incurvé 30 comprend à une extrémité une connexion coulissante 2, l’autre extrémité restant libre 25 et donc délimitée par le diamètre interne Di et le diamètre externe De. La connexion coulissante 2 comprend un épaulement interne 4 formant une connexion femelle à une extrémité d’un tronçon incurvé 30. Le diamètre interne de l’épaulement interne 4 de la connexion coulissante 2 est égal ou légèrement supérieur au diamètre externe De du tronçon incurvé 30. De ce fait, l’extrémité libre 25 d’un tronçon incurvé 30 forme une connexion mâle pouvant pénétrer dans la connexion femelle générant par l’épaulement interne 4 de la connexion coulissante 2. L’assemblage des tronçons incurvés 30 par l’intermédiaire des connexions coulissantes 2 forme une courbe continue, représentée par la fibre neutre Fib.
La figure 8 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation d’un moyen de reprise d’effort radial (ou moyen de positionnement) selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Le réservoir de pression de cette figure correspond à celui de la figure 3, auquel un moyen de reprise d’effort radial a été ajouté. Ce moyen de reprise d’effort radial comprend des câbles 5, qui peuvent être métalliques, reliant chaque connexion coulissante 2 du réservoir de pression à un élément central 6, qui est fixe. Alternativement, les câbles 5 pourraient être remplacés par des barres ou des poutres. Ces câbles 5 (ou poutres ou barres) sont soumis à une tension axiale lorsque le réservoir est sous pression et permettent de limiter le déplacement radial des connexions coulissantes 2 et ainsi de limiter le déplacement radial des tronçons de l’assemblage. En variante, ces câbles 5 (ou poutres ou barres) peuvent être connectés aux tronçons du réservoir de pression.
La figure 9 illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation d’un moyen de reprise d’effort radial selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Le réservoir de pression de cette figure correspond à celui de la figure 3, auquel un moyen de reprise d’effort radial a été ajouté. Ce moyen de reprise d’effort radial comprend des câbles 5, par exemple métalliques, reliant chaque connexion coulissante 2 du réservoir de pression à la connexion coulissante 2 qui lui est diamétralement opposée. Les efforts de poussée radiale de chacune de ces deux connexions coulissantes 2 étant opposés, l’élément central de la figure 8 peut être retiré. Les poussées radiales des connexions coulissantes 2 opposées mettent les câbles 5 sous tension. Cette solution permet d’économiser la réalisation d’un élément central et de sa fixation au sol, par exemple via une fondation. Alternativement, les câbles 5 pourraient être remplacés par des barres ou des poutres. Ces câbles 5 (ou poutres ou barres) permettent de limiter le déplacement radial des connexions coulissantes 2 et ainsi de limiter le déplacement radial des tronçons de l’assemblage. En variante, ces câbles 5 (ou poutres ou barres) peuvent être connectés aux tronçons du réservoir de pression.
La figure 10 illustre, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation d’un moyen de reprise d’effort radial selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Le réservoir de pression de cette figure correspond à celui de la figure 3, auquel un moyen de reprise d’effort radial a été ajouté. Ce moyen de reprise d’effort radial comprend des câbles 5b, en acier par exemple, reliant entre elles les connexions coulissantes 2 du réservoir de pression. La rigidité de cet assemblage de câbles 5b est plus élevée que l’assemblage de tronçons, notamment par la présence des connexions coulissantes 2. Ainsi, les câbles 5b limitent le déplacement radial des connexions coulissantes 2 et donc celui des tronçons. La longueur de l’assemblage des câbles 5b est considérablement réduite par rapport à la solution de la figure 8. En effet, la longueur des câbles correspond ici sensiblement au périmètre interne du tore, soit environ 2*Π*R, R étant le rayon interne du tore, alors que la longueur des câbles de la solution de la figure 8 est de nb*2*R avec nb correspondant au nombre de câble utilisé. Autrement dit, à partir de quatre câbles diamétralement opposés, la solution de la figure 10 permet de réduire la longueur des câbles, par rapport à la solution de la figure 8.
La figure 11 illustre, de manière schématique et non limitative, un quatrième mode de réalisation d’un moyen de reprise d’effort radial selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Le réservoir de pression de cette figure correspond à celui de la figure 2, auquel un moyen de reprise d’effort radial a été ajouté. Ce moyen de reprise d’effort radial comprend des câbles 5 reliant chaque tronçon rectiligne 31 du réservoir de pression, de préférence à la moitié de la longueur de chaque tronçon, à un élément central 6, qui est fixe. Selon une alternative, les câbles au lieu d’être connectés à un élément central, peuvent être connectés au tronçon rectiligne 31 diamétralement opposé comme sur la figure 8.
Les câbles 5 sont mis en tension lorsque la poussée radiale s’applique sur les tronçons rectilignes 31.
Alternativement, les câbles 5 pourraient être remplacés par des barres ou des poutres. Ces câbles 5 (ou poutres ou barres) permettent de limiter le déplacement radial des tronçons rectilignes 31 et ainsi de limiter le déplacement radial des connexions coulissantes 2 de l’assemblage.
La figure 12 illustre, de manière schématique et non limitative, un cinquième mode de réalisation d’un moyen de reprise d’effort radial selon l’invention. Les axes x et y représentent les axes du plan que forme le réservoir de pression en vue de dessus.
Le réservoir de pression de cette figure correspond à celui de la figure 3, auquel un moyen de reprise d’effort radial a été ajouté. Ce moyen de reprise d’effort radial comprend des culées 16 positionnées latéralement à l’extérieur du tore formé par l’assemblage des tronçons incurvés. Ainsi, les culées 16 empêchent le déplacement latéral (radial) des connexions coulissantes 2 et/ou des tronçons incurvés. Ces culées 16 peuvent notamment comprendre des blocs en béton empêchant le déplacement radial. La forme trapézoïdale est représentée sur la figure mais toute autre forme pourrait être utilisée en fonction de la courbe fermée de l’assemblage de tronçons et en fonction de la section interne et/ou externe des tronçons.
La figure 13 illustre, de manière schématique et non limitative, un sixième mode de réalisation d’un moyen de reprise d’effort radial selon l’invention. L’axe v représente l’axe vertical, l’axe x représente un axe horizontal.
Sur cette figure, les connexions coulissantes 2 reliant les tronçons (rectilignes ou incurvés) sont positionnées et fixées sur des fondations 7, elles-mêmes ancrées dans le sol ou fixées sur le sol. Par la liaison rigide entre les connexions coulissantes 2 et des fondations, le déplacement radial des connexions coulissantes et des tronçons est limité.
L’invention concerne aussi un moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant au moins un moyen de compression (un compresseur ou une pompe par exemple), préférentiellement au moins trois moyens de compression, au moins un moyen de détente (une turbine par exemple), préférentiellement au moins trois moyens de détente, au moins un moyen de stockage de la chaleur et au moins un réservoir de pression, selon l’une des caractéristiques décrites dans la présente description. Ce réservoir de pression est particulièrement adapté au moyen de stockage et de restitution d’énergie car il permet de stocker de grands volumes d’air comprimé (par exemple plus de 5000 m3d’air à 125 bar) à un coût réduit.
L’invention concerne aussi une méthode de fabrication d’un réservoir de pression pour laquelle on assemble plusieurs tronçons par l’intermédiaire de connexions coulissantes, positionnées à la jonction entre deux tronçons, l’assemblage formant une courbe fermée sur elle-même pour réaliser un réservoir de pression. Les génératrices de l’assemblage des tronçons sont agencées pour former une forme fermée sur elle-même.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation décrites ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation, et toutes les combinaisons de variantes envisageables.

Claims (14)

  1. Réservoir de pression (1) comprenant un assemblage d’au moins deux tronçons (31), lesdits tronçons (31) étant connectés par des connexions coulissantes (2), chaque tronçon (31) délimitant une section interne du réservoir de pression (1), lesdites connexions coulissantes (2) reliant lesdits tronçons (31, 30) bout-à-bout, caractérisé en ce que les génératrices (Fib) dudit assemblage desdits tronçons (30, 31) sont agencées pour former une forme fermée sur elle-même.
  2. Réservoir de pression (1) selon la revendication 1, pour lequel ladite forme fermée est un polygone, un cercle, ou une courbe comprenant deux lignes parallèles reliées entre elles à chaque extrémité par des demi-cercles.
  3. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les tronçons (30, 31) ont tous la même section interne (S), de préférence, la section interne des tronçons (30, 31) étant circulaire.
  4. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins un tronçon (31) est rectiligne, de préférence, tous les tronçons (31) sont rectilignes.
  5. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins un tronçon (30) est incurvé, de préférence tous les tronçons (30) sont incurvés.
  6. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le matériau d’au moins un tronçon (30, 31) comprend du béton, de préférence du béton armé ou du béton précontraint.
  7. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le matériau d’au moins un tronçon (30, 31) comprend du composite et/ou au moins un tronçon (30, 31) comprend du métal, de préférence de l’acier.
  8. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les connexions coulissantes (2) comprennent des moyens d’étanchéité.
  9. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le réservoir de pression (1) comprend des moyens de reprise de l’effort radial.
  10. Réservoir de pression (1) selon la revendication 9, pour lequel les moyens de reprise de l’effort radial comprennent des éléments de maintien, de préférence des câbles (5, 5b) ou des barres reliant les tronçons (30, 31) à un élément central, reliant des tronçons (30, 31) diamétralement opposés, reliant les connexions coulissantes (2) audit élément central, reliant des connexions coulissantes (2) diamétralement opposées, reliant les tronçons (30, 31) entre eux ou reliant les connexions coulissantes (2) entre elles.
  11. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications 9 ou 10, pour lequel les moyens de reprise de l’effort radial comprennent des culées (16).
  12. Réservoir de pression (1) selon l’une des revendications 9 à 11, pour lequel les moyens de reprise de l’effort radial comprennent des fondations (7).
  13. Moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant au moins un moyen de compression, au moins un moyen de détente, au moins un moyen de stockage de la chaleur et au moins un réservoir de pression (1), selon l’une des revendications précédentes.
  14. Méthode de fabrication d’un réservoir de pression pour laquelle on assemble des tronçons (30, 31) par l’intermédiaire de connexions coulissantes (2), les génératrices dudit assemblage desdits tronçons (30, 31) formant une forme fermée sur elle-même pour réaliser un réservoir de pression (1) selon l’une des revendications 1 à 12.
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