WO2020108879A1 - Connexion coulissante pour reservoir de stockage d'air comprime en beton precontraint - Google Patents

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    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/036—Very high pressure (>80 bar)

Definitions

  • the present invention mainly relates to the field of energy storage by compressed air but could be applied to other pressure tank systems.
  • STEP Pumped Water Transfer Station
  • rotor energy storage is to accelerate a rotor (flywheel) at a very high speed and keep the energy in the system in the form of kinetic energy.
  • FES rotor energy storage
  • compressed air energy storage technology using compressed gas (often compressed air) is promising.
  • the energy produced and not consumed is used to compress air at pressures between 40 bar and 200 bar using compressors (which can be multi-stage).
  • compressors which can be multi-stage.
  • the air temperature increases.
  • the compressed air is then stored under pressure, either in natural cavities (caves) or in artificial reservoirs.
  • the stored air is then sent to turbines in order to produce electricity.
  • the air cools. In order to avoid temperatures that are too low (-50 ⁇ ) leading to damage in the turbines, the air can be warmed up before expansion.
  • Such installations have been in operation for a number of years, such as the Huntorf unit in Germany operating since 1978 or the Macintosh unit in the USA (Alabama) operating since 1991. These two installations have the particularity of using the stored compressed air to supply gas turbines. These gas turbines burn natural gas in the presence of pressurized air in order to generate very hot (550 ⁇ and 825 ⁇ ) and high pressure (40 bar and 11 bar) combustion gases before expanding them in turbines generating electricity. This type of process emits carbon dioxide. The Huntorf unit could emit around 830 kg of C0 2 per megawatt of electricity produced.
  • compressed air is stored in a tank independently of heat storage.
  • the air is stored at a temperature close to ambient temperature (a priori less than 50 ⁇ ).
  • the compressed air tanks and, more broadly, the pressure tanks are closed capacities made up of at least two ends, also called “bottoms”, and possibly connected by an intermediate part such as on the Fig 1, where P represents the internal pressure.
  • the reservoir is represented, in a nonlimiting manner by a cylindrical part (the direction r being the radial direction and the direction z the axial direction of a cylindrical reference associated with the reservoir - this reference is used in the other figures and will not be re-detailed on each figure) of internal diameter D ,.
  • this type of reservoir can be, for example, a sphere formed by two half-spheres or else by a cylindrical capacity made up of two bottoms connected together by a cylindrical section.
  • the connections between the different parts are rigid, built-in type.
  • a thin-walled pressure tank is understood to mean a pressure tank whose thickness of the tank is very small compared to its diameter (by small thickness compared to its Diameter is meant a t / Di ratio ⁇ 5%).
  • prestressed concrete pipes are known, pipes mainly intended for the transfer of fluid (sanitation, water transfer, etc.) with low operating pressures (less than 20 bar and most often less than 5 bar ).
  • fluid sanitation, water transfer, etc.
  • low operating pressures less than 20 bar and most often less than 5 bar .
  • longitudinal prestressed steel cables is essential, as the concrete is not intended to take up significant tensile stresses.
  • the installation of these steel cables considerably increases the price of prestressed concrete pipes, so that the use of prestressed concrete pipes for high pressures proves to be economically unsustainable.
  • Patent FR 3 055 942 A1 relates to the current section of composite pipes of steel and prestressed concrete, but does not specify the type of connections between these mixed pipes.
  • the invention relates to a closed pressure tank comprising at least two sections linked by connections.
  • the sections delimiting the walls of the pressure tank.
  • the sections comprise at least one element of substantially cylindrical section and a bottom.
  • the pressure tank comprises at least one connection of sliding type sections, the sliding axis of the sliding connection being coaxial with the axis of the element of substantially cylindrical section and the sliding connection comprising a means of sealing.
  • the sliding connection is positioned at the junction of one of the elements of substantially cylindrical section with another section. In this way, the background effects linked to the internal pressure are considerably reduced, which makes it possible to reduce the mass and the cost of the tank.
  • the length over which the two sections can slide is provided to maintain the guide and the seal between these two sections.
  • the invention also relates to a means of energy storage and restitution comprising a pressure tank of this type, a compression means, an expansion means and a heat storage means.
  • the invention relates to a pressure tank, said pressure tank being closed and comprising at least two sections linked by connections, said sections delimiting the walls of said pressure tank, said at least two sections comprising at least one element of substantially cylindrical section. and a background.
  • said pressure tank comprises at least one connection of sliding type sections, the sliding axis of each sliding connection being coaxial with the axis of said element of substantially cylindrical section, each sliding connection comprising a sealing means, each sliding connection being positioned at the junction of one of said at least one element of substantially cylindrical section with another section.
  • said pressure tank comprises at least two connections of sliding type sections and at least three sections.
  • At least one sliding connection is made by two coaxial cylinders and a shoulder.
  • At least one sliding connection is positioned at the junction between an element of substantially cylindrical section and a bottom, preferably, two sliding connections are positioned at the junction between an element of substantially cylindrical section and a fund.
  • the elements of substantially cylindrical section are of diameter less than the diameters of the bottoms, at the level of their sliding connection.
  • the elements of substantially cylindrical section are of diameter greater than the diameters of the bottoms, at the level of their sliding connection.
  • said sealing means is positioned between the outside diameter of the smallest section at said sliding connection and the inside diameter of the other section of said sliding connection.
  • the sealing means has an inside diameter equal to the inside diameter of each of the sections connected by said sliding connection.
  • At least one of said at least two idious sections is made of prestressed concrete.
  • the sections are made of waterproof formulation concrete.
  • said tank comprises a single element of substantially cylindrical section.
  • said tank comprises a plurality of elements of substantially cylindrical section.
  • sliding connections are positioned at each of the ends of each of said elements of substantially cylindrical section.
  • said elements of substantially cylindrical section are assembled by prestressed longitudinal cables and a sealing system is positioned at the junction between said elements of substantially cylindrical section.
  • said sealing system comprises a sealing layer placed on the internal face of the tank and extending along all of said elements of substantially cylindrical section assembled by said preloaded longitudinal cables.
  • said sealing system comprises membranes at the interface between said elements of substantially cylindrical section assembled by said prestressed longitudinal cables, said membranes being preferably made of a polymer or cement-based material.
  • the invention also relates to a means of energy storage and return comprising at least one compression means, at least one expansion means, at least one heat storage means and at least one pressure tank, according to the invention. one of the previous features.
  • Figure 1 already described, shows a cylindrical reservoir according to the prior art and the longitudinal stress resulting from the resulting background effects.
  • FIG. 2 represents an embodiment of a tank provided with sliding connections, according to the invention.
  • FIG. 3 represents a second embodiment of a tank provided with sliding connections, according to the invention.
  • FIG. 4 represents the longitudinal stress resulting from the bottom effects in a tank provided with sliding connections, according to the embodiment of FIG. 2, according to the invention.
  • FIG. 5 represents the longitudinal stress resulting from the background effects in a tank provided with sliding connections, according to the embodiment of FIG. 2, according to the invention.
  • FIG. 6 represents a third embodiment of a tank provided with sliding connections, according to the invention.
  • FIG. 7 represents an embodiment of a current part of a tank provided with sliding connections, according to the invention.
  • FIG. 8 represents an embodiment of a current part, produced in several blocks, of a tank provided with sliding connections, according to the invention.
  • FIG. 9 represents a second embodiment of a main part, produced in several blocks assembled by sliding connections, of a tank provided with sliding connections, according to the invention.
  • FIG. 10 represents the background effect and the longitudinal stress for the sliding connections between the blocks of the current part, according to FIG. 9.
  • the invention relates to a closed pressure tank comprising at least two sections linked by connections.
  • the sections delimiting the walls of the pressure tank.
  • the sections comprise at least one element of substantially cylindrical section and a bottom and preferably, the sections can comprise at least two bottoms.
  • the pressure tank comprises at least one connection of sections of the sliding type, for example, in operation of the tank, in particular when the pressure tank is under internal pressure.
  • at least part may not not be subject to a substantive effect, or in any case subject to a significantly reduced substantive effect.
  • background effect is meant the effect induced by the internal pressure, which causes axial stresses on the reservoir.
  • the sliding axis of this sliding connection is coaxial with the axis of the element of substantially cylindrical section, so as to reduce the bottom effects and the sliding connection comprises a sealing means to ensure the pressure resistance of the tank. .
  • sliding connection is meant that the sections connected by this sliding connection can move in a translation along the axis of the element of substantially cylindrical section. By moving by a longitudinal translation, the axial tensile forces, due to the bottom effect, on the element of substantially cylindrical section are reduced.
  • the sliding connection is positioned at the junction of one of the elements of substantially cylindrical section with another section.
  • the background effects linked to the internal pressure of at least part of the pressure tank are considerably reduced thanks to the sliding connection, which makes it possible to reduce the mass and cost of the tank.
  • This effect can be more particularly improved when this part of the tank is located between two sliding connections.
  • the assembly of the different parts can be carried out directly on the installation site, which can reduce transport costs when the complete tank must be assembled in the factory.
  • the pressure tank can comprise at least two connections of sliding type sections, so as to further reduce the bottom effects of the element or elements located between these two sliding connections.
  • the reservoir comprises at least three sections and preferably among these three sections, the reservoir comprises at least two bottoms.
  • At least one sliding connection can be made by two coaxial cylinders and a shoulder, one of the cylinders sliding in the shoulder, and the other cylinder being fixed relative to the shoulder.
  • the shoulder is used to assemble the connection in one of the sections.
  • the shoulder can also be used to install the sealing means.
  • the shoulder can be arranged at one end of a section.
  • the sealing means can be arranged between the sliding cylinder and the shoulder.
  • the sealing means can be arranged longitudinally at the end of a cylinder.
  • At least one sliding connection can be positioned at the junction between a substantially cylindrical section element and a bottom and preferably, at least two sliding connections are positioned between a section element substantially cylindrical and each bottom.
  • the elements of substantially cylindrical section can be of diameter smaller than the diameters of the bottoms, at their sliding connection, that is to say the sliding connection connecting the element of cylindrical section and the bottom.
  • This configuration is for example, schematically and without limitation, that of FIG 2, where the connections 2 are located between the element of substantially cylindrical section 1, which is here represented by a male element, and the bottoms 3, which are represented here by female elements.
  • D s is the sealing diameter, D, the internal diameter of the substantially cylindrical section member and t the thickness of the substantially cylindrical section member.
  • D s is greater than D , which implies that the longitudinal stresses are compression stresses.
  • this system is advantageous because it allows to keep a little compression in the longitudinal direction, the concrete having a low tensile strength.
  • the elements of substantially cylindrical section may be of diameter greater than the diameters of the bottoms, at the level of their sliding connection connecting them.
  • This configuration is for example, schematically and without limitation, that of FIG 3, where the connections 2 are located between the element of substantially cylindrical section 1, which is here represented by a female element, and the bottoms 3, which are represented here by male elements.
  • D s is close to D , which implies that the resulting background effect is low, in particular compared to a pressure tank without sliding connections where D s is zero. So, in both alternatives, the reduction of the longitudinal stresses linked to background effects is important and thus allows a reduction in the mass and cost of the tank.
  • the sealing means can be positioned between the outside diameter of the smallest section at the sliding connection and the inside diameter of the other section of the sliding connection, the sliding connection being itself located between the two sections, that is to say between the outer diameter of the smaller of the two sections and the inner diameter of the larger of the two sections.
  • the sealing means can have an inside diameter equal to the inside diameter of each of the sections connected by the sliding connection.
  • This alternative is particularly interesting because it makes it possible to cancel or reduce to almost nothing the bottom effect of a section situated between two sliding connections of this type.
  • This configuration is shown for example in Figure 6 between a bottom 3 and an element of substantially cylindrical section 1 but could also be used between two elements of substantially cylindrical section.
  • the sealing means is positioned at the sliding connection 2, on the inside diameter, which is equal to the inside diameter of the cylindrical element.
  • D s is equal to D
  • the resulting longitudinal stress (determined by equation [Math 3]) is then zero. In practice, it is never perfectly zero but reduced to a quasi-zero value.
  • At least one of the at least two sections can be made of prestressed concrete.
  • pre-stressed concrete rather than steel, reduces the cost of the tank.
  • the prestressing of the concrete is in the circumferential direction, in all its length in order to resist the circumferential stresses induced by the internal pressure.
  • FIG. 7 shows an element of substantially cylindrical section 1 made of prestressed concrete where the part 10 is made of concrete and the reinforcements 20 represent the circumferential prestress reinforcements.
  • a sliding connection system makes it possible to avoid longitudinal traction in the current part of the tank. In this way, the prestressing cables can be avoided in the longitudinal direction.
  • the sections can be made of waterproof formulation concrete.
  • waterproof formulation concrete is meant any formulation known to a person skilled in the art which makes it possible to reduce the porosity of the concrete obtained, compared with the usual porosity of a conventional concrete.
  • the concrete can be sealed or semi-sealed, that is to say that its leak rate is low. As a result, the pressure resistance of the reservoir is improved.
  • the reservoir may comprise a single element of substantially cylindrical section.
  • the reservoir may comprise a single element of substantially cylindrical section.
  • the reservoir may comprise a plurality of elements of substantially cylindrical section, preferably at least two cylindrical elements connected to each other by at least one sliding connection.
  • This embodiment is advantageous for large structures, in order to carry out the assembly directly on site rather than in the factory so as to facilitate the transport of the various elements.
  • sliding connections can be positioned at each of the ends of each of the elements of substantially cylindrical section.
  • each of the substantially cylindrical elements is connected by sliding connections, so as to reduce the bottom effect applied to each of the substantially cylindrical elements.
  • the pressure tank may comprise at least two elements of substantially cylindrical section and at least two bottoms, at least one sliding connection being positioned at the junction between one of the at least two elements of substantially cylindrical section and another of the at least two elements of substantially cylindrical section, at least two other sliding connections being positioned at the junction between one of the cylindrical elements with a bottom (each of these sliding connections connecting a different bottom to an element of substantially cylindrical section ),
  • FIG 9 illustrates, schematically and without limitation, several elements of substantially cylindrical section comprising concrete blocks 10, each of these blocks comprising reinforcements 20 (for example metal cables) of circumferential prestress.
  • a sliding connection 100 comprising a shoulder allowing one of the blocks 10 to enter the connection is placed at one end of the other block 10.
  • the detail of this connection 100 is illustrated in FIG 10.
  • the sealing means 50 is illustrated and positioned between the shoulder of the sliding connection 100, allowing the junction between a first element of substantially cylindrical section 10 'and a second element of substantially cylindrical section 10 ”.
  • the elements of substantially cylindrical section can be assembled by prestressed longitudinal cables and a sealing system can be positioned at the junction between the elements of substantially cylindrical section.
  • This embodiment is advantageous because the prestressed longitudinal cables make it possible to connect the elements of substantially cylindrical section without multiplying the sliding connections, which are more complex during assembly.
  • the sealing means reduces leakage between the elements of substantially cylindrical section.
  • FIG. 8 illustrates several elements of substantially cylindrical section 1 comprising concrete blocks 10, each of these blocks comprising reinforcements 20 (for example, metallic cables) of circumferential prestressing.
  • reinforcements 20 for example, metallic cables
  • the longitudinal assembly of the blocks is ensured by prestressed longitudinal cables 30.
  • the sealing system may comprise a sealing layer placed on the internal face of the reservoir (for example, an internal “liner” made of polymer material or a cylinder of small metallic thickness) and extending along all elements of substantially cylindrical section assembled by the prestressed longitudinal cables.
  • a sealing layer placed on the internal face of the reservoir (for example, an internal “liner” made of polymer material or a cylinder of small metallic thickness) and extending along all elements of substantially cylindrical section assembled by the prestressed longitudinal cables.
  • This sealing layer makes it possible to reduce leaks, both at the junctions between the elements of substantially cylindrical section but also over the axial length of these elements. This is particularly valid for elements of substantially cylindrical section of concrete, the concrete being known to be a porous material, and therefore generating leaks.
  • This sealing layer can also be resistant to physical and / or chemical damage or include a protective layer against this damage.
  • the use of an inner rigid sealing layer throughout the tank makes it possible to overcome the sealing of the blocks of the tank.
  • sealing layer could also be positioned outside the elements of substantially cylindrical section.
  • the sealing system may comprise membranes at the interface between the elements of substantially cylindrical section assembled by said prestressed longitudinal cables, the membranes preferably being made of a material based on polymer, cement or cementitious product. Leaks can therefore be reduced at the junctions.
  • the invention also relates to a means of energy storage and return comprising at least one compression means, at least one expansion means, at least one heat storage means and at least one pressure tank, according to the invention. one of the previous features. Indeed, the use of a pressure tank as described above makes it possible to considerably reduce the cost of the pressure tank, which is particularly useful by means of energy storage and restitution, the pressure tank being a factor. significant cost of the energy storage and return means. It is particularly suitable for the operation of AACAES type systems.

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Abstract

La présente invention concerne un réservoir de pression comprenant au moins deux tronçons dont un fond (3). Les jonctions entre les différents tronçons peut être de différents types mais comporte au moins une connexion coulissante (2), de préférence au moins une connexion coulissante (2), l'axe de coulissement étant l'axe longitudinal d'un tronçon de section sensiblement cylindrique (1) du réservoir de pression. Les connexions coulissantes (2) permettent de réduire voir d'annuler les contraintes longitudinales sur le tronçon de section sensiblement cylindrique (1), induites par l'effet de fond due à la pression interne du réservoir. 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.

Description

CONNEXION COULISSANTE POUR RESERVOIR DE STOCKAGE D’AIR COMPRIME EN BETON PRECONTRAINT
Domaine technique
La présente invention concerne principalement le domaine de stockage d’énergie par air comprimé mais pourrait 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^) entraînant des dom mages 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^ et 825Ό) et à haute pression (40 bar et 1 1 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 C02 par 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<).
Technique antérieure
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 tel que sur la Fig 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 - ce repère est utilisé sur les autres figures et ne sera pas re-détaillé sur chaque figure) de diamètre interne D,. 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 important, la 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 oll, tel que sur la Fig 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 :
[Math 1]
P D?
°n 4 t {Di + t)
Où P :est la pression appliquée dans le réservoir
D, ; 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 :
[Math 2]
Figure imgf000005_0001
On entend par un réservoir de pression à paroi mince, un réservoir de pression dont l’épaisseur du réservoir est très faible devant son diamètre (par épaisseur faible devant son Diamètre, on entend un rapport t/Di<5%).
Par ailleurs, on connaît le principe de tuyaux en béton précontraint, tuyaux principalement destinés au transfert de fluide (assainissement, transfert d’eau, etc.) avec des pressions de service faibles (inférieures à 20 bar et le plus souvent inférieures à 5 bar). En effet, pour reprendre les effets de fonds de pression importante dans des tuyaux en béton précontraint, l’utilisation des câbles en acier de précontrainte longitudinaux s’avère indispensable, le béton n’étant pas prévu pour reprendre des contraintes de traction importantes. Or, la mise en place de ces câbles en acier augmentent considérablement le prix des tuyaux en béton précontraint si bien que l’utilisation de tuyaux en béton précontraint pour des pressions importantes, s’avère économiquement non viables.
Le brevet FR 3 055 942 A1 porte sur la section courante des tuyaux mixtes en acier et béton précontraint, mais ne précise pas le type de connexions entre ces tuyaux mixtes.
L’invention concerne un réservoir de pression fermé et comprenant au moins deux tronçons liés par des connexions. Les tronçons délimitant les parois du réservoir de pression. Les tronçons comprennent au moins un élément de section sensiblement cylindrique et un fond. De plus, le réservoir de pression comprend au moins une connexion de tronçons de type coulissante, l’axe de coulissement de la connexion coulissante étant coaxial à l’axe de l’élément de section sensiblement cylindrique et la connexion coulissante comprenant un moyen d’étanchéité. De plus, la connexion coulissante est positionnée à la jonction d’un des éléments de section sensiblement cylindrique avec un autre tronçon. De cette manière, les effets de fond liés à la pression interne sont considérablement réduits, ce qui permet de réduire la masse et le coût du réservoir. La longueur sur laquelle les deux tronçons peuvent coulisser est prévue pour conserver le guidage et l’étanchéité entre ces deux tronçons.
L’invention concerne aussi un moyen de stockage et de restitution d’énergie comprenant un réservoir de pression de ce type, un moyen de compression, un moyen de détente et un moyen de stockage de la chaleur.
Résumé de l’invention
L’invention concerne un réservoir de pression, ledit réservoir de pression étant fermé et comprenant au moins deux tronçons liés par des connexions, lesdits tronçons délimitant les parois dudit réservoir de pression, lesdits au moins deux tronçons comprenant au moins un élément de section sensiblement cylindrique et un fond. De plus, ledit réservoir de pression comprend au moins une connexion de tronçons de type coulissante, l’axe de coulissement de chaque connexion coulissante étant coaxial à l’axe dudit élément de section sensiblement cylindrique, chaque connexion coulissante comprenant un moyen d’étanchéité, chaque connexion coulissante étant positionnée à la jonction d’un desdits au moins un élément de section sensiblement cylindrique avec un autre tronçon.
De préférence, ledit réservoir de pression comprend au moins deux connexions de tronçons de type coulissante et au moins trois tronçons.
Avantageusement, au moins une connexion coulissante est réalisée par deux cylindres coaxiaux et un épaulement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins une connexion coulissante est positionnée à la jonction entre un élément de section sensiblement cylindrique et un fond, de préférence, deux connexions coulissantes sont positionnée à la jonction entre un élément de section sensiblement cylindrique et un fond.
Selon une variante, les éléments de section sensiblement cylindrique sont de diamètre inférieur aux diamètres des fonds, au niveau de leur connexion coulissante.
Selon une autre variante, les éléments de section sensiblement cylindrique sont de diamètre supérieur aux diamètres des fonds, au niveau de leur connexion coulissante. Avantageusement, ledit moyen d’étanchéité est positionné entre le diamètre extérieur du plus petit tronçon au niveau de ladite connexion coulissante et le diamètre intérieur de l’autre tronçon de ladite connexion coulissante.
Alternativement, le moyen d’étanchéité a un diamètre intérieur égal au diamètre intérieur de chacun des tronçons reliés par ladite connexion coulissante.
De manière avantageuse, au moins un desdits au moins ideux tronçons est en béton précontraint.
De préférence, les tronçons sont en béton de formulation étanche.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ledit réservoir comporte un seul élément de section sensiblement cylindrique.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, ledit réservoir comporte une pluralité d’éléments de section sensiblement cylindrique.
Avantageusement, des connexions coulissantes sont positionnées à chacune des extrémités de chacun desdits éléments de section sensiblement cylindrique.
Préférentiellement, lesdits éléments de section sensiblement cylindrique sont assemblés par des câbles longitudinaux précontraints et un système d’étanchéité est positionné à la jonction entre lesdits éléments de section sensiblement cylindrique.
Selon une variante, ledit système d’étanchéité comprend une couche d’étanchéité mise en place sur la face interne du réservoir et s’étendant le long de tous lesdits éléments de section sensiblement cylindrique assemblés par lesdits câbles longitudinaux précontraints.
De manière avantageuse, ledit système d’étanchéité comprend des membranes à l’interface entre lesdits éléments de section sensiblement cylindrique assemblés par lesdits câbles longitudinaux précontraints, lesdites membranes étant de préférence en matériau à base de polymère ou de ciment.
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, selon l’une des caractéristiques précédentes.
Liste des figures
[Fig 1 ]
La figure 1 , déjà décrite, représente un réservoir cylindrique selon l’art antérieur et la contrainte longitudinale issue des effets de fond en résultant.
[Fig 2]
La figure 2 représente un mode de réalisation d’un réservoir muni de connexions coulissantes, selon l’invention.
[Fig 3] La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d’un réservoir muni de connexions coulissantes, selon l’invention.
[Fig 4]
La figure 4 représente la contrainte longitudinale issue des effets de fond dans un réservoir muni de connexions coulissantes, selon le mode de réalisation de la figure 2, selon l’invention.
[Fig 5]
La figure 5 représente la contrainte longitudinale issue des effets de fond dans un réservoir muni de connexions coulissantes, selon le mode de réalisation de la figure 2, selon l’invention.
[Fig 6]
La figure 6 représente un troisième mode de réalisation d’un réservoir muni de connexions coulissantes, selon l’invention.
[Fig 7]
La figure 7 représente un mode de réalisation d’une partie courante d’un réservoir muni de connexions coulissantes, selon l’invention.
[Fig 8]
La figure 8 représente un mode de réalisation d’une partie courante, réalisée en plusieurs blocs, d’un réservoir muni de connexions coulissantes, selon l’invention.
[Fig 9]
La figure 9 représente un deuxième mode de réalisation d’une partie courante, réalisée en plusieurs blocs assemblés par des connexions coulissantes, d’un réservoir muni de connexions coulissantes, selon l’invention.
[Fig 10]
La figure 10 représente l’effet de fond et la contrainte longitudinale pour les connexions coulissantes entre les blocs de la partie courante, selon la figure 9.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un réservoir de pression fermé et comprenant au moins deux tronçons liés par des connexions. Les tronçons délimitant les parois du réservoir de pression. Les tronçons comprennent au moins un élément de section sensiblement cylindrique et un fond et de préférence, les tronçons peuvent comprendre au moins deux fonds. De plus, le réservoir de pression comprend au moins une connexion de tronçons de type coulissante, par exemple, en fonctionnement du réservoir, notamment lorsque le réservoir de pression est sous pression interne. Par l’utilisation de cette connexion coulissante, lorsque le réservoir de pression est sous pression interne, une partie au moins (un tronçon par exemple) peut ne pas être soumis à un effet de fond, ou en tout cas soumis à un effet de fond considérablement réduit. Par effet de fond, on entend l’effet induit par la pression interne, qui entraîne des contraintes axiales sur le réservoir. L’axe de coulissement de cette connexion coulissante est coaxial à l’axe de l’élément de section sensiblement cylindrique, de manière à réduire les effets de fond et la connexion coulissante comprend un moyen d’étanchéité pour assurer la tenue en pression du réservoir. Par connexion coulissante, on entend que les tronçons reliés par cette connexion coulissante peuvent se déplacer selon une translation le long de l’axe de l’élément de section sensiblement cylindrique. En se déplaçant par une translation longitudinale, les efforts de traction axiale, dus à l’effet de fond, sur l’élément de section sensiblement cylindrique sont réduits. La connexion coulissante est positionnée à la jonction d’un des éléments de section sensiblement cylindrique avec un autre tronçon. De cette manière, les effets de fond liés à la pression interne d’au moins une partie du réservoir de pression (par exemple un ou plusieurs tronçons ou parties de tronçons) sont considérablement réduits grâce à la connexion coulissante, ce qui permet de réduire la masse et le coût du réservoir. Cet effet peut être plus particulièrement amélioré lorsque cette partie du réservoir est située entre deux connexions coulissantes. Par ailleurs, l’assemblage des différentes parties peut être réalisé directement sur le site d’installation, ce qui peut réduire les coûts de transport lorsque le réservoir complet doit être assemblé en usine.
Avantageusement, le réservoir de pression peut comprendre au moins deux connexions de tronçons de type coulissante, de manière à réduire encore plus les effets de fond de l’élément ou des éléments situés entre ces deux connexions coulissantes. Dans ce cas, le réservoir comprend au moins trois tronçons et de préférence parmi ces trois tronçons, le réservoir comprend au moins deux fonds.
De manière préférée, au moins une connexion coulissante peut être réalisée par deux cylindres coaxiaux et un épaulement, un des cylindres coulissant dans l’épaulement, et l’autre cylindre étant fixe par rapport à l’épaulement. Ainsi, l’épaulement sert à assembler la connexion dans un des tronçons. Par ailleurs, l’épaulement peut aussi servir à la mise en place du moyen d’étanchéité. De préférence, l’épaulement peut être disposé à une extrémité d’un tronçon. Avantageusement, les moyens d’étanchéité peuvent être disposés entre le cylindre coulissant et l’épaulement. Alternativement, les moyens d’étanchéité peuvent être disposés longitudinalement à l’extrémité d’un cylindre.
Selon un mode de réalisation, au moins une connexion coulissante peut être positionnée à la jonction entre un élément de section sensiblement cylindrique et un fond et de préférence, au moins deux connexions coulissantes sont positionnées entre un élément de section sensiblement cylindrique et chaque fond. En effet, l’effet de fond induit par les fonds, ne s’appliquent ainsi pas à l’élément de section sensiblement cylindrique ou son effet est alors considérablement réduit.
Selon une variante de l’invention, les éléments de section sensiblement cylindrique peuvent être de diamètre inférieur aux diamètres des fonds, au niveau de leur connexion coulissante, c’est-à-dire de la connexion coulissante reliant l’élément de section cylindrique et le fond. Cette configuration est par exemple, de manière schématique et non limitative, celle de la Fig 2, où les connexions 2 sont situées entre l’élément de section sensiblement cylindrique 1 , qui est ici représenté par un élément mâle, et les fonds 3, qui sont ici représentés par des éléments femelles.
Sur la Fig 4, on observe l’effet de fond dû à la pression P qui s’applique au niveau de la connexion coulissante sur l’élément de section sensiblement cylindrique. La contrainte longitudinale moyenne issue de ces effets de fond se calcule de la manière suivante :
[Math 3]
Figure imgf000010_0001
Où Ds est le diamètre d’étanchéité, D, le diamètre interne de l’élément de section sensiblement cylindrique et t l’épaisseur de l’élément de section sensiblement cylindrique. Dans ce système, Ds est supérieur à D,, ce qui implique que les contraintes longitudinales sont des contraintes de compression. Pour un réservoir en béton sans précontrainte longitudinale, ce système est avantageux car il permet de garder un peu de compression dans le sens longitudinal, le béton ayant une faible résistance en traction.
Alternativement, les éléments de section sensiblement cylindrique peuvent être de diamètre supérieur aux diamètres des fonds, au niveau de leur connexion coulissante les reliant. Cette configuration est par exemple, de manière schématique et non limitative, celle de la Fig 3, où les connexions 2 sont situées entre l’élément de section sensiblement cylindrique 1 , qui est ici représenté par un élément femelle, et les fonds 3, qui sont ici représentés par des éléments mâles.
Sur la Fig 5, on observe l’effet de fond dû à la pression P qui s’applique au niveau de la connexion coulissante sur l’élément de section sensiblement cylindrique. La contrainte longitudinale se calcule par la formule de Math 3. Mais dans ce système, Ds est inférieur à D,, ce qui implique que les contraintes longitudinales sont des contraintes de traction.
Aussi bien dans le cas de la fig 4 que dans le cas de la fig 5, Ds est proche de D,, ce qui implique que l’effet de fond résultant est faible, notamment par rapport à un réservoir de pression sans connexions coulissantes où Ds est nul. Ainsi, dans les deux alternatives, la réduction des contraintes longitudinales liées aux effets de fond est importante et permet ainsi une réduction de la masse et du coût du réservoir.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen d’étanchéité peut être positionné entre le diamètre extérieur du plus petit tronçon au niveau de la connexion coulissante et le diamètre intérieur de l’autre tronçon de la connexion coulissante, la connexion coulissante étant elle-même située entre les deux tronçons, c’est-à-dire entre le diamètre extérieur du plus petit des deux tronçons et le diamètre intérieur du plus grand des deux tronçons. Ainsi, l’étanchéité permet d’obtenir un réservoir étanche.
Alternativement, le moyen d’étanchéité peut avoir un diamètre intérieur égal au diamètre intérieur de chacun des tronçons reliés par la connexion coulissante. Cette alternative est particulièrement intéressante car elle permet d’annuler ou de réduire à quasi-néant l’effet de fond d’un tronçon situé entre deux connexions coulissantes de ce type. Cette configuration est représentée par exemple à la figure 6 entre un fond 3 et un élément de section sensiblement cylindrique 1 mais pourrait être utilisé aussi entre deux éléments de section sensiblement cylindrique. Le moyen d’étanchéité est positionné au niveau de la connexion coulissante 2, sur le diamètre intérieur, qui est égal au diamètre intérieur de l’élément cylindrique. Ainsi, en théorie, Ds est égale à D, et la contrainte longitudinale (déterminée par l’équation [Math 3]) résultant est alors nulle. En pratique, elle n’est jamais parfaitement nulle mais réduite à une valeur quasi-nulle.
Selon un mode de réalisation, au moins un des au moins deux tronçons peut être en béton précontraint. L’utilisation de béton précontraint, plutôt que de l’acier permet de réduire le coût du réservoir. La précontrainte du béton est dans le sens circonférentiel, dans toute sa longueur afin de résister aux contraintes circonférentielles induites par la pression interne.
La Fig 7 montre un élément de section sensiblement cylindrique 1 réalisé en béton précontraint où la partie 10 est en béton et les renforts 20 représentent les renforts de précontrainte circonférentielle.
Selon l’invention, un système de connexion coulissant permet d’éviter la traction longitudinale dans la partie courante du réservoir. Ainsi, on pourra éviter les câbles de précontrainte dans le sens longitudinal. Sachant que dans un système classique de l’art antérieur, la quantité des câbles de précontrainte longitudinaux est proportionnelle à la longueur totale du réservoir, la solution proposée selon l’invention semble intéressante dans le cas d’un réservoir long (i.e. grand volume de stockage). Selon un mode de réalisation avantageux, les tronçons peuvent être en béton de formulation étanche. Par « béton de formulation étanche », on entend toute formulation connue de l’homme du métier qui permet de réduire la porosité du béton obtenu, par rapport à la porosité usuelle d’un béton classique. Ainsi, le béton peut être étanche ou semi-étanche, c’est-à-dire que son taux de fuite est faible. De ce fait, la tenue à la pression du réservoir est améliorée.
Selon une variante de l’invention, le réservoir peut comporter un seul élément de section sensiblement cylindrique. Ainsi, on peut limiter le nombre de connexions coulissantes entre les éléments de section sensiblement cylindrique, et donc le risque de fuites associé.
Alternativement, le réservoir peut comporter une pluralité d’éléments de section sensiblement cylindrique, de préférence au moins deux éléments cylindriques reliés entre eux par au moins une connexion coulissante. Ce mode de réalisation est avantageux pour de grande structure, afin de réaliser l’assemblage directement sur site plutôt qu’en usine de manière à faciliter le transport des différents éléments.
De manière préférée, des connexions coulissantes peuvent être positionnées à chacune des extrémités de chacun des éléments de section sensiblement cylindrique. Ainsi, chacun des éléments sensiblement cylindriques est relié par des connexions coulissantes, de manière à réduire l’effet de fond appliqué sur chacun des éléments sensiblement cylindriques.
Selon une variante préférée de l’invention, le réservoir de pression peut comprendre au moins deux éléments de section sensiblement cylindriques et au moins deux fonds, au moins une connexion coulissante étant positionnée à la jonction entre un des au moins deux éléments de section sensiblement cylindrique et un autre des au moins deux éléments de section sensiblement cylindrique, au moins deux autres connexions coulissantes étant positionnées à la jonction entre un des éléments cylindriques avec un fond (chacune de ces connexions coulissante reliant un fond différent à un élément de section sensiblement cylindrique différent),
La [Fig 9] illustre, de manière schématique et non limitative, plusieurs éléments de section sensiblement cylindrique comprenant des blocs en béton 10, chacun de ces blocs comprenant des renforts 20 (par exemple des câbles métalliques) de précontrainte circonférentielle. Au niveau de la jonction entre les différents blocs 10, une connexion coulissante 100 comprenant un épaulement permettant à l’un des blocs 10 de pénétrer dans la connexion est mise en place à l’une des extrémités de l’autre bloc 10. Le détail de cette connexion 100 est illustré dans la Fig 10. Le moyen d’étanchéité 50 est illustré et positionné entre l’épaulement de la connexion coulissante 100, permettant la jonction entre un premier élément de section sensiblement cylindrique 10’ et un deuxième élément de section sensiblement cylindrique 10”.
Avantageusement, les éléments de section sensiblement cylindrique peuvent être assemblés par des câbles longitudinaux précontraints et un système d’étanchéité peut être positionné à la jonction entre les éléments de section sensiblement cylindrique. Ce mode de réalisation est avantageux car les câbles longitudinaux précontraints permettent de relier les éléments de section sensiblement cylindriques sans multiplier les connexions coulissantes, plus complexes à l’assemblage. Le moyen d’étanchéité permet de réduire les fuites entre les éléments de section sensiblement cylindrique.
La Fig 8 illustre plusieurs éléments de section sensiblement cylindrique 1 comprenant des blocs en béton 10, chacun de ces blocs comprenant des renforts 20 (par exemple, des câbles métalliques) de précontrainte circonférentielle. L’assemblage longitudinal des blocs est assurée par des câbles longitudinaux précontraints 30.
Avantageusement, le système d’étanchéité peut comprendre une couche d’étanchéité mise en place sur la face interne du réservoir (par exemple, un « liner » interne en matériau polymère ou un cylindre de faible épaisseur métallique) et s’étendant le long de tous les éléments de section sensiblement cylindrique assemblés par les câbles longitudinaux précontraints. L’utilisation de cette couche d’étanchéité permet de réduire les fuites, à la fois au niveau des jonctions entre les éléments de section sensiblement cylindrique mais également sur la longueur axiale de ces éléments. Ceci est notamment valable pour des éléments de section sensiblement cylindrique en béton, la béton étant connu pour être un matériau poreux, et donc générant des fuites. Cette couche d’étanchéité peut également être résistance aux dommages physiques et/ou chimiques ou comprendre une couche de protection contre ces dommages. L’utilisation d’une couche d’étanchéité rigide intérieure tout au long du réservoir permet de s’affranchir de l’étanchéité des blocs du réservoir.
Alternativement la couche d’étanchéité pourrait aussi être positionné à l’extérieur des éléments de section sensiblement cylindrique.
De préférence, le système d’étanchéité peut comprendre des membranes à l’interface entre les éléments de section sensiblement cylindrique assemblés par lesdits câbles longitudinaux précontraints, les membranes étant de préférence en matériau à base de polymère, de ciment ou de produit cimentaire. Ainsi, les fuites peuvent être réduites au niveau des jonctions. 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, selon l’une des caractéristiques précédentes. En effet, l’utilisation d’un réservoir de pression tel que décrit précédemment permet de réduire considérablement le coût du réservoir de pression, ce qui est particulièrement utile au moyen de stockage et de restitution d’énergie, le réservoir de pression étant un facteur de coût important du moyen de stockage et de restitution d’énergie. Il est particulièrement adapté pour le fonctionnement des systèmes de type AACAES.

Claims

Revendications
1 . Réservoir de pression, ledit réservoir de pression étant fermé et comprenant au moins deux tronçons (1 , 3) liés par des connexions, lesdits tronçons (1 , 3) délimitant les parois dudit réservoir de pression, lesdits au moins deux tronçons (1 , 3) comprenant au moins un élément de section sensiblement cylindrique (1 ) et un fonds (3), caractérisé en ce que ledit réservoir de pression comprend au moins une connexion de tronçons de type coulissante (2), l’axe de coulissement de chaque connexion coulissante (2) étant coaxial à l’axe dudit élément de section sensiblement cylindrique (1 ), chaque connexion coulissante (2) comprenant un moyen d’étanchéité, chaque connexion coulissante (2) étant positionnée à la jonction d’un desdits au moins un élément de section sensiblement cylindrique (1 ) avec un autre tronçon (1 , 3).
2. Réservoir de pression, selon la revendication 1 , comprenant au moins deux connexions de tronçons de type coulissante (2) et au moins trois tronçons (1 ,3).
3. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une connexion coulissante (2) est réalisée par deux cylindres coaxiaux et un épaulement.
4. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins une connexion coulissante (2) est positionnée à la jonction entre un élément de section sensiblement cylindrique (1 ) et un fond (3), de préférence, deux connexions coulissantes (2) sont positionnée à la jonction entre un élément de section sensiblement cylindrique (1 ) et un fond (3).
5. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les éléments de section sensiblement cylindrique (1 ) sont de diamètre inférieur aux diamètres des fonds, au niveau de leur connexion coulissante (2).
6. Réservoir de pression selon l’une des revendication 1 à 4, pour lequel les éléments de section sensiblement cylindrique (1 ) sont de diamètre supérieur aux diamètres des fonds, au niveau de leur connexion coulissante (2).
7. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit moyen d’étanchéité est positionné entre le diamètre extérieur du plus petit tronçon au niveau de ladite connexion coulissante et le diamètre intérieur de l’autre tronçon de ladite connexion coulissante (2).
8. Réservoir de pression selon l’une des revendications 1 à 5, pour lequel le moyen d’étanchéité a un diamètre intérieur égal au diamètre intérieur de chacun des tronçons reliés par ladite connexion coulissante (2).
9. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins un desdits au moins deux tronçons est en béton précontraint.
10. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les tronçons sont en béton de formulation étanche.
1 1. Réservoir de pression selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit réservoir comporte un seul élément de section sensiblement cylindrique (1 ).
12. Réservoir de pression selon l’une des revendications 1 à 10, pour lequel ledit réservoir comporte une pluralité d’éléments de section sensiblement cylindrique (1 ).
13. Réservoir de pression selon la revendication 12, pour lequel des connexions coulissantes (100) sont positionnées à chacune des extrémités de chacun desdits éléments de section sensiblement cylindrique (1 ).
14. Réservoir de pression selon l’une des revendications 12 ou 13, pour lequel lesdits éléments de section sensiblement cylindrique (1 ) sont assemblés par des câbles longitudinaux précontraints (30) et un système d’étanchéité est positionné à la jonction entre lesdits éléments de section sensiblement cylindrique.
15. Réservoir de pression selon la revendication 14, pour lequel ledit système d’étanchéité comprend une couche d’étanchéité mise en place sur la face interne du réservoir et s’étendant le long de tous lesdits éléments de section sensiblement cylindrique (1 ) assemblés par lesdits câbles longitudinaux précontraints (30).
16. Réservoir de pression selon l’une des revendications 14 ou 15, pour lequel ledit système d’étanchéité comprend des membranes à l’interface entre lesdits éléments de section sensiblement cylindrique (1 ) assemblés par lesdits câbles longitudinaux précontraints (30), lesdites membranes étant de préférence en matériau à base de polymère ou de ciment.
17. 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, selon l’une des revendications précédentes.
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