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WO2010067018A2 - Dispositif d'accumulation inertielle d'energie - Google Patents

Dispositif d'accumulation inertielle d'energie Download PDF

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WO2010067018A2
WO2010067018A2 PCT/FR2009/052457 FR2009052457W WO2010067018A2 WO 2010067018 A2 WO2010067018 A2 WO 2010067018A2 FR 2009052457 W FR2009052457 W FR 2009052457W WO 2010067018 A2 WO2010067018 A2 WO 2010067018A2
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WO
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flywheel
steering wheel
gas
braking means
pressure
Prior art date
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PCT/FR2009/052457
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Roumen Antonov
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of WO2010067018A3 publication Critical patent/WO2010067018A3/fr
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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to an inertial energy storage device.
  • a device makes it possible, for example, to absorb fluctuations in the production and / or energy consumption associated with a power generation unit, in particular by means of a wind turbine.
  • Such a device can also be used for recovery and restitution or other use of a slowdown power and / or braking.
  • the device can also be used to stabilize a rotational speed.
  • Energy storage is necessary in particular to: absorb fluctuations in energy consumption; store energy when its cost is lower, then return it advantageously thereafter; - absorb fluctuations in energy production, particularly in the case of wind energy production that depends on the primary source of irregular wind energy.
  • Another type of storage is based on the flywheels, that is to say at least one mass rotated by a supply of energy, which will continue its rotational movement, inertia, after the shutdown. contribution of energy.
  • the rotational mass is connected to a motor which constitutes a means of energy supply during periods of energy storage, or a generator during periods of restitution of energy. It stores all the more energy that a steering wheel is heavy and able to turn quickly with as little friction as possible.
  • Beacon Power for example, has developed a flywheel energy storage system with a capacity of up to 250 kWh.
  • This system called “Smart Energy Matrix” consists of ten flywheels with a capacity of twenty five kWh each, arranged in series each in a separate container.
  • the system uses carbon fiber flywheels, a very expensive material.
  • the bearings of each steering wheel are partially relieved of the weight of the flywheels by the application of an electromagnetic force.
  • the cost of such a system remains relatively high, of the order of 1.5 million euros per system.
  • the object of the present invention is to provide an inertial energy accumulation device implementing one or more flywheels, which is economical, efficient and not very constraining.
  • an inertial energy accumulation device comprising a frame and at least one wheel mounted to rotate relative to the frame about an axis of rotation, characterized by means for exposing at least one face of the steering wheel at a generating gas pressure compared to the pressure applied to a substantially opposite side of the steering wheel, an upward differential pressure force at least partially offsetting the weight of the steering wheel.
  • the face of the flywheel exposed to the gas pressure is surrounded by gas flow braking means.
  • These flow braking means make it possible to create a pressure drop in the leakage space. They are typically arranged between the steering wheel and a fixed surface of the frame. They are also preferably integral with an inner wall itself integral with the frame and / or the outer peripheral wall of the flywheel. In a preferred embodiment, the braking means gas flow are integral with the outer peripheral wall of the flywheel.
  • the flow braking means operate without contact between the surfaces related to the steering wheel and those related to the frame, so as to limit or eliminate the energy losses by friction and wear.
  • the space between the outer surface of the wheel and the flow braking means and / or said inner wall integral with the frame and the flow braking means is also quite small, to limit the leakage rate.
  • the flow braking means comprise a proximity relationship between the outer peripheral wall of the steering wheel and an inner wall of the cage.
  • the flow braking means comprise at least one flexible lip seal. It may also be preferably an inflatable ring, preferably of elastomer of the type used in air-bearing support elements. It is possible to better control air leaks by filling more or less gas or inflatable rings.
  • the flow braking means are constituted by a series of flexible lip seals or a series of inflatable rings arranged one after the other and forming a series of chambers at varying pressures. successive stages.
  • the flow braking means comprise a labyrinth seal.
  • the flow path of the gas comprises a succession of features generating head drop.
  • the gas passage section is alternately reduced and enlarged.
  • the steering wheel has a vertical axis
  • the face of the steering wheel exposed to the pressure is an end face
  • the gas flow braking means are then preferably arranged between the peripheral face.
  • the seal is for example composed of a series of rings substantially concentric with the steering wheel, secured to the inner wall of the cage and / or the outer surface of the flywheel.
  • a labyrinth seal is preferably polyester, but may also be composed of polyethylene or polystyrene.
  • the device according to the invention comprises a compressor having a suction and a discharge, one of which provides the pressure applied to the exposed face of the steering wheel, and the other is connected to convey the gas lying on the other side of the flow braking means, relative to the exposed face.
  • the energy consumed by the compressor during a typical storage period represents only a very small percentage of the energy that can be stored in the flywheel.
  • the gas lying on the other side of the flow braking means is in contact with a face of the flywheel opposite said exposed face so that the lift force applied to the depending on the difference between the suction pressure and the discharge pressure. Since only the difference in pressure is counted, it is possible, for example, to pressurize a pressurized gas on a lower face of the flywheel, which then defines the exposed face, and / or to create by vacuum a partial vacuum above an upper face. of the steering wheel which then defines the exposed face, the two methods always resulting in a pressure difference between the suction pressure and the discharge pressure.
  • the device according to the invention comprises a regulation of a compressor flow in the direction of maintaining predetermined lift conditions of the steering wheel, in particular a predetermined pressure difference between two opposite faces of the steering wheel and / or a predetermined load on bearings such as bearing or plain bearings of the steering wheel.
  • a regulation of a compressor flow in the direction of maintaining predetermined lift conditions of the steering wheel, in particular a predetermined pressure difference between two opposite faces of the steering wheel and / or a predetermined load on bearings such as bearing or plain bearings of the steering wheel.
  • the device advantageously comprises a radiator between the suction and the gas discharge.
  • the gas flows against the rotating wheel heats due to compression and / or friction between the gas and the steering wheel when it is rotating.
  • a radiator between the suction and the gas discharge it is possible to cool the gas when it is out of contact with the steering wheel, before introducing it again inside the frame and in contact with the steering wheel. This prevents the gas gradually reaching a temperature too high, which could for example increase the average temperature inside the frame and degrade certain elements located therein such as the outer faces of the steering wheel or braking means d 'flow.
  • the flywheel is preferably mounted in a cage secured to the frame, the cage and the exposed face of the flywheel together defining for the gas at least one chamber surrounded by the flow braking means.
  • Said cage is preferably made of concrete. This material is economical and can cushion the shock in case of accidental explosion of the steering wheel, due for example to a sudden stop of the rotation of the steering wheel, or an overspeed of the steering wheel.
  • the at least one chamber defined by the cage and the exposed face of the steering wheel communicates with the suction or the discharge of gas.
  • the substantially opposite side of the flywheel and the cage preferably define a second chamber which communicates with gas suction or discharge.
  • the inner wall of the cage and / or the outer peripheral wall of the flywheel comprise a labyrinth-shaped coating, in particular polyester.
  • the gas is discharged at a relative pressure of between 50 and 60 kPa (approximately 0.5 and 0.6 bar).
  • the pressure around the suction substantially zero, for example 10 kPa, so as to limit the friction of the wheel with the gas surrounding.
  • a pressure between 50 and 60 kPa near the discharge then constitutes an overpressure.
  • the steering wheel is advantageously secured to a shaft mounted in bearings.
  • a pinion is rotatably coupled but decoupled axially from the flywheel.
  • the flywheel shaft rotates the steering wheel around the common axis of the steering wheel and the shaft.
  • the pinion connects to an external device on the steering wheel.
  • the axial decoupling between the pinion and the flywheel prevents the transmission of any axial and / or radial stresses raised in the gear.
  • the pinion makes it possible to couple the rotation of the steering wheel to a source of motive power and / or to a consumer external apparatus.
  • the coupling can be indirect, especially if several flywheels are coupled together.
  • the steering wheel shaft is held in position in particular by self-centering effect of the steering wheel around its shaft by gyroscopic effect and by the effect of the pressure of the gas.
  • the outermost mass of the steering wheel is the one that contributes the most to its moment of inertia.
  • a hollow cylinder shaped flywheel to increase the moment of inertia of the steering wheel, equal total mass.
  • the wheel rim is reinforced concrete, which is a material both dense to increase the inertia of the rotor, and economic.
  • the rim of the steering wheel is surrounded by a smooth shell on at least a portion of its outer surface.
  • the smooth shell is for example steel and / or carbon fiber.
  • the smooth shell reduces energy loss and wear in case of friction.
  • the use of steel is quite advantageous because the steel and the concrete have substantially the same coefficient of expansion. This reduces the risk of dangerous internal stresses in the steering wheel, in case of temperature variation.
  • the flow braking means are integral with the outer peripheral wall of the steering wheel, it is then the peripheral wall internal of the cage which is preferably covered over at least part of its surface of said smooth coating.
  • the rim of the steering wheel is preferably in the form of a hollow cylinder, connected to the steering wheel shaft by crossed spokes.
  • These crossed beams are preferably made of carbon fiber.
  • the two tablecloths intersect.
  • the spokes are arranged in pairs forming an X.
  • the crossed-beam arrangement confers a very simple implementation, a high accuracy of positioning the rim of the steering wheel relative to its shaft and a good balance of the whole.
  • two plates for example metal, preferably made of steel, are each fastened to a respective one of the upper and lower faces of the flywheel, for example by means of metal tips passing through the metal plate and embedded in the concrete of the wheel.
  • These plates are fixed to the shaft of the steering wheel and drilled in their center so as to let the shaft of the steering wheel from one end to the other of the cylinder.
  • a portion of the total number of spokes, substantially one-half of the spokes, extends substantially from the outer periphery of the lower plate to the inner periphery of the top plate, and the other portion of the rays substantially from the inner peripheral of the lower plate to the outer periphery of the upper plate. This achieves the two conical webs mentioned above.
  • the spokes can also be fixed directly on the flywheel shaft, and / or directly on the steering wheel.
  • the spokes are preferably further supported on a metal flange integral with one or both metal plates preferably.
  • the gas sucked and / or discharged is preferably mainly composed of air, hydrogen or helium, because of their low coefficients of friction and viscosities.
  • Helium is generally preferred for its stability and low coefficient of friction.
  • flywheels can be connected together to form a matrix of flywheels, all directly connected or not to the same engine and / or the same consumer.
  • the matrix contains the amount of energy stored and releasable.
  • each wheel is relatively limited in the energy it can store, since it quickly reaches the speed of sound, speed around which the material of the steering wheel does not withstand the centrifugal force and is destroyed. It is therefore interesting to use matrix configurations.
  • Each flywheel has its own gear, the flywheels are thus connected together by a gear, as well as via one or more transmission wheels.
  • Each pinion has its own bearing.
  • the flywheels are then preferably assembled following the lines of concentric rings, with a central flywheel and several peripheral flywheels.
  • the flywheels are then preferably assembled following the lines of concentric rings, with a central flywheel and several peripheral flywheels.
  • gears are connected together each by two points of contact.
  • This configuration implies that the transmission wheels are for some superimposed. Indeed, it is preferred to use doublets of transmission wheels composed of two concentric wheels, one externally toothed, the other toothed internally and surrounding the first. Each doublet preferably drives three pinions each by two points of contact, one with the inner wheel of the doublet, the other with the outer wheel of the doublet.
  • Such a configuration gives greater stability to the transmission of energy between the flywheels. The mechanical stresses are reduced and the energy distribution between the gears is better.
  • Ruffles can also be used stacked one above the other.
  • One or more control devices are preferably arranged outside the device according to the invention, in particular for controlling the speed or speeds of rotation of the flywheels.
  • the device according to the invention is used in particular to absorb fluctuations in the production and / or energy consumption associated with a power generation unit, in particular an electric unit, in particular by means of a wind turbine.
  • Figure 1 is a schematic elevational representation of the device according to the invention
  • Figure 2 is a cutaway perspective view of the device according to the invention
  • Figure 3 is a sectional view in perspective of the flywheel alone:
  • Figure 4 is a perspective view of a matrix of flywheels according to the invention without representation of the frame
  • Figure 5 is a perspective view of a flywheel device
  • Figure 6 is a sectional view along the axis IV-IV of the coupling between the shaft of a flywheel and its pinion
  • Figure 7 is a top view of a coupling mode for flywheels in a matrix
  • Figure 8 is a detailed sectional view of the gas flow braking means.
  • the device according to the invention comprises at least one flywheel 1 mounted in rotation with respect to a frame 2 about an axis of rotation 3 by means of bearings 14.
  • rotation axis 3 is vertical.
  • the flywheel 1 is housed inside a cage 4 defined inside the frame 2 and secured thereto.
  • the cage 4 is sealed by a cover 112, for example metal.
  • a compressor 5 establishes a flow of gas in the cage 4.
  • An exposed face 6 of the flywheel 1 and the cage 4 define for a said gas repressed and injected under the exposed face 6, at least one chamber 100 surrounded by gas flow braking means 7.
  • the substantially opposite face 11 and the cage 4 define for the gas sucked at least one chamber 101.
  • the chambers 100 and 101 are separated by the gas flow braking means 7.
  • the suction 9 of the compressor 5 communicates with the chamber 101, and the discharge 10 of the compressor 5 communicates with the chamber 100.
  • the cage 4 is sealed, in particular by a seal 113 around the shaft 14 of the flywheel 1, the side where the shaft leaves the cage 4 through the cover 112. At the other end of the flywheel, the shaft 14 is mounted in a blind bore 115 formed in the bottom of the cage.
  • the gas is discharged for example at a relative pressure between 50 and 60 kPa inside the cage 4, in the chamber 100, under the flywheel 1.
  • This gas advantageously comprises a high proportion of helium, or hydrogen, or air, the first two in particular having a very low coefficient of friction.
  • helium Preferably, pure helium is used.
  • it is possible to establish at the beginning a substantially zero pressure inside the cage 4. In this particular embodiment, it is the lower face 6 of the steering wheel 1 which is exposed to a gas pressure by gas injection under this exposed face 6 and into the chamber 100. This generates an upward force at least partially offsetting the weight of the flywheel 1.
  • the face exposed is the face 11, exposed to a depression by suction of gas in the chamber 101. Only account the pressure difference between the pressure in the chamber 100 and the pressure in the chamber 101. This pressure difference must be such that the force resultant is ascending.
  • the upward force is a large part of the weight of the steering wheel.
  • the remaining portion of the weight of the flywheel, unbalanced by the upward force, is supported by at least one of the bearings 114, which is chosen to be able to support such a load.
  • the gas flow braking means 7 are arranged between the flywheel 1 and an integral surface of the frame 2.
  • the gas flow braking means 7 are integral with the cage 4 and thus of the frame 2.
  • the gas flow braking means 7 are preferably integral with the steering wheel 1. It may also include a part integral with the frame 2 and a part integral with the steering wheel 1.
  • the space between the gas flow braking means 7 and the steering wheel 1 and / or a fixed surface of the frame 2 must be reduced to limit the flow of gas along the gas flow braking means 7, but must be sufficient to limit the risk of friction of the wheel 1 against the walls of the cage 4 or the frame 2.
  • the gas flow braking means 7 comprise a proximity relation between the outer peripheral wall 13 of the flywheel 1 and an inner peripheral wall of the cage 4.
  • the gas flow braking means 7 are made by a labyrinth seal.
  • a labyrinth seal Such a joint forms a succession of changes of shape and / or direction for the flow, here a succession of enlargements and narrowing of the leakage path 8, thus creating a pressure drop at each variation of the section of the path of travel. leak.
  • the labyrinth type seal is made by a coating having regularly spaced circumferential ribs.
  • the coating is preferably polyester or polyethylene, located entirely on the outer peripheral wall 13 of the flywheel 1.
  • said seal may also be located partly or entirely on the inner peripheral wall of the cage 4 facing the external peripheral surface 13 of the steering wheel 1.
  • the labyrinth seal is secured to the outer peripheral wall 13 of the flywheel 1. It is formed of a succession of peripheral grooves formed in the gas flow braking means 7, which are for example polyester.
  • the grooves are two to three times deeper than high.
  • Their depth p is for example 6 mm, preferably 9 to 10 mm, and their height d is preferably 3 mm.
  • a gas flow rate in the gas flow braking means 7 of about three to six liters / minute is obtained. Only a few percent of the energy stored by a steering wheel 1 is then used to carry said flywheel for a typical storage period. It is also advantageous that the maximum height of the steering wheel is covered by the gas flow braking means.
  • the compressor 5 comprises a suction 9 and a discharge 10.
  • One, here the discharge 10, provides the pressure applied to the exposed face 6 of the flywheel 1, and the other, here the suction 9, is connected to convey the gas on the other side of the gas flow braking means 7.
  • the device operating in a closed circuit prevents the penetration of unwanted particles or other pollutant or likely to impede the flow in the circuit flow.
  • the closed circuit operation also makes it easy to use a gas other than air inside the cage 4.
  • the gas on the other side of the gas flow braking means 7 is in contact with the face 11 of the flywheel 1 opposite the exposed face 6, so that the lift force applied to the flywheel 1 is a function of the difference between the suction pressure and the discharge pressure.
  • This device advantageously comprises a regulation of the flow rate of the compressor 5, in the direction of maintaining predetermined lift conditions of the flywheel 1, in particular a predetermined pressure difference between two opposite faces 6 and 11 of the flywheel 1 and / or a predetermined vertical load on bearings of the steering wheel.
  • the regulating device comprises for example a pressure probe 102 in the upper chamber 101, a pressure probe 103 in the lower chamber 100, a calculation unit 104 for calculating the pressure difference, comparing this difference to a setpoint and generate a speed or power control of the compressor 5 to increase this speed or power when the pressure difference is too low, or on the contrary decrease this speed or power when the power difference is too high.
  • the device comprises a radiator 12 located between the suction and the gas discharge, here between the evacuation of gas from the cage 4 or the frame 2 and the injection of gas under the exposed face 6.
  • the flywheel 1 is secured to a shaft 14 rotatably connected to a pinion 15 which is axially decoupled from the shaft 14 and therefore the flywheel 1
  • FIG. 6 shows an example of spline coupling between the flywheel 1 and a sleeve 16 integral with the pinion 15.
  • the rim 18 of the flywheel 1 is in the form of a hollow cylinder formed of reinforced concrete surrounded by a skin or smooth shell for example steel or carbon fiber.
  • the reinforced concrete cylinder is called insert.
  • a flywheel with the following characteristics:
  • the concrete insert therefore provides most of the total weight of the rotor.
  • the indicated speed of rotation is a speed for a normal operating speed, that is to say without risk of rapid deterioration of the rim 18 of the steering wheel 1, and allowing storage of a large amount of energy.
  • a flywheel 1 is made on a small scale and has the following characteristics:
  • FIG. 3 shows a sectional and perspective view of the flywheel 1.
  • the flywheel 1 comprises the rim 18 connected to the shaft 14 of the flywheel 1 by crossed spokes 19.
  • the plates 20 are connected to the rim 18 by means of metal tips 30 passing through the metal plate and sinking into the concrete of the rim 18.
  • the cross-beams are partly fixed to the lower plate in the vicinity of its outer periphery and to the upper plate in the vicinity of its inner periphery, and partly fixed to the upper plate in the vicinity of its outer periphery and to the lower plate in the vicinity. of its inner periphery.
  • two conical plies of radii 19 flared in opposite directions and which intersect.
  • the plates are shaped in double cone to define at least one preferably metallic support 21 for the spokes.
  • the crossed spokes 19 are for example made of carbon fiber. It can also be fixed directly on the flywheel shaft 14 rather than on the inner edges of the plates 20, and / or directly on the rim 18 rather than on the outer periphery of the plates 20.
  • inertia 26 which is most directly connected to the motor and / or the consumer, and the flywheel or flywheels 1 peripherals which are more indirectly connected to the engine and / or the consumer, that is to say for which the number of gears 15 that the energy must pass to be transmitted to these wheels 1 is maximum.
  • each pinion 15 is protected by a sheath 23 for example of concrete which comprises at least one opening 24 to allow the piston 15 to be coupled with an element outside the flywheel 1.
  • each transmission wheel 25 is actually a doublet comprising a central wheel 110 toothed externally and a 111 crown toothed internally, the pinions 15 rotating in the opposite direction of the central wheel 110.
  • Each pinion 15 is placed between a central wheel 110 and a ring 111 of the same doublet and meshes with them.
  • Each transmission wheel 25, respectively doublet connects together advantageously three gears 15. Indeed, if said three gears 25 form an equilateral triangle, the whole is then perfectly balanced.
  • the three doublets according to Figure 7 are placed in different planes to not interfere with each other.
  • a module corresponds in fact to a flywheel 1 and its pinion 15 associated.
  • a seven-module matrix corresponds to a hexagonal matrix comprising a central module and six peripheral modules. Then each additional concentric circle contains six more modules than the previous circle. Very high available energies are then obtained, for enclosure diameters, here a concrete shell 27, quite reduced.
  • the dies 22 are wrapped together with a concrete shell 27 outside which is placed the compressor 5 as well as the motor 121 and the energy transmission system 122 between the engine and the central gear 26 or more generally the pinion which will then transmit all the energy received from the engine to the other pinions 15 of the matrix 22.
  • the steering wheel could be horizontal axis and the opposite faces exposed to different pressures would then be the upper and lower parts of the side wall.
  • the flow braking means 7 then comprise, for example, axial grooves on the cage on either side of the axis of rotation, and circumferential grooves on the cage 4 or the wheel 1 along the periphery of the end faces of the steering wheel.

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Abstract

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

Description

« Dispositif d'accumulation inertielle d'énergie »
La présente invention concerne un dispositif d'accumulation inertielle d'énergie. Un tel dispositif permet par exemple d'absorber les fluctuations de la production et/ou de la consommation d'énergie associées à une unité de production d'énergie, en particulier au moyen d'une éolienne. Un tel dispositif peut également servir à la récupération puis la restitution ou autre utilisation d'une puissance de ralentissement et/ou freinage. Le dispositif peut également servir à stabiliser une vitesse de rotation.
Le stockage d'énergie s'avère nécessaire notamment pour : absorber les fluctuations de la consommation d'énergie ; stocker de l'énergie lorsque son coût est moindre, puis la restituer avantageusement par la suite ; - absorber les fluctuations de la production d'énergie, notamment dans le cas d'une production d'énergie éolienne tributaire de la source primaire d'énergie irrégulière qu'est le vent.
De nos jours, ce stockage est parfois effectué par batterie. Un tel moyen de stockage non seulement représente un coût relativement élevé de l'ordre de cinq centimes d'euro par kWh, mais présente aussi toute une série d'inconvénients tels qu'une durée de vie réduite, un besoin de maintenance fréquente, et surtout pose des problèmes de pollution. On connaît également le stockage par pompage-turbinage, dans lequel on pompe de l'eau en hauteur, par exemple de la partie basse à la partie haute d'un barrage, et on récupère de l'énergie potentielle au moment voulu en laissant l'eau redescendre à travers une turbine. Cependant, un tel procédé n'est naturellement pas adapté à toutes les géographies, et induit là encore des coûts relativement élevés.
Un autre type de stockage est basé sur les volants d'inertie, c'est-à-dire au moins une masse mise en rotation par un apport d'énergie, qui va continuer son mouvement rotatif, par inertie, après l'arrêt d'apport d'énergie. La masse en rotation est reliée à un moteur qui constitue un moyen d'apport d'énergie durant les périodes de stockage d'énergie, ou un générateur durant les périodes de restitution d'énergie. On stocke d'autant plus d'énergie qu'un volant est lourd et capable de tourner vite avec un frottement aussi faible que possible. Le problème des paliers du volant, ou plus généralement de son mode de montage à pivot est donc crutial. La société Beacon Power par exemple a développé un système de stockage d'énergie par volants d'inertie d'une capacité allant jusqu'à 250 kWh. Ce système appelé « Smart Energy Matrix » consiste en dix volants d'inertie d'une capacité de vingt cinq kWh chacun, agencés en série chacun dans un container séparé. Le système utilise des volants en fibre de carbone, matériau très onéreux. Les paliers de chaque volant sont partiellement soulagés du poids des volants par l'application d'une force électromagnétique. Le coût d'un tel système reste néanmoins relativement élevé, de l'ordre de 1,5 millions d'euros par système.
La présente invention a pour but de fournir un dispositif d'accumulation inertielle d'énergie mettant en œuvre un ou plusieurs volants d'inertie, qui soit économique, efficace et peu contraignant.
On atteint cet objectif au moyen d'un dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, comprenant un bâti et un au moins volant monté en rotation relativement au bâti autour d'un axe de rotation, caractérisé par des moyens pour exposer au moins une face du volant à une pression de gaz générant par comparaison avec la pression appliquée à une face sensiblement opposée du volant, une force de pression différentielle ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant. Ainsi, non seulement les paliers du volant sont soulagés au moins partiellement du poids du volant, ce qui augmente leur durée de vie, mais également le coût du kWh est largement diminué.
De préférence, la face du volant exposée à la pression de gaz est entourée par des moyens de freinage d'écoulement de gaz. Ces moyens de freinage d'écoulement permettent de créer une perte de charge dans l'espace de fuite. Ils sont typiquement aménagés entre le volant et une surface solidaire du bâti. Ils sont en outre de préférence solidaires d'une paroi interne elle-même solidaire du bâti et/ou de la paroi périphérique externe du volant d'inertie. Dans un mode de réalisation privilégié, les moyens de freinage d'écoulement de gaz sont solidaires de la paroi périphérique externe du volant d'inertie.
De préférence, les moyens de freinage d'écoulement opèrent sans qu'il y ait contact entre les surfaces liées au volant et celles liées au bâti, de façon à limiter ou éliminer les pertes d'énergie par frottements et l'usure.
Cependant, l'espace entre la surface externe du volant et les moyens de freinage d'écoulement et/ou ladite paroi interne solidaire du bâti et les moyens de freinage d'écoulement est aussi assez faible, pour limiter le débit de fuite. Les moyens de freinage d'écoulement comprennent une relation de proximité entre la paroi périphérique externe du volant et une paroi interne de la cage.
Selon un premier mode de réalisation, les moyens de freinage d'écoulement comprennent au moins un joint à lèvre flexible. Il peut aussi s'agir de préférence d'un anneau gonflable de préférence en élastomère du type de ceux utilisés dans les éléments porteurs sur coussin d'air. Il est possible de mieux maîtriser les fuites d'air en remplissant plus ou moins de gaz le ou les anneaux gonflables. Dans un mode de réalisation privilégié, les moyens de freinage d'écoulement sont constitués par une suite de joints à lèvre flexibles ou une suite d'anneaux gonflables agencés les uns à la suite des autres et formant une suite de chambres à des pression variant par paliers successifs.
Selon un mode de réalisation bien plus avantageux, les moyens de freinage d'écoulement comprennent un joint à labyrinthe. Dans un tel joint, le trajet d'écoulement du gaz comporte une succession de particularités génératrices de perte de charge (« head drop »). Par exemple la section de passage du gaz est alternativement réduite et agrandie.
Dans un mode de réalisation avantageux, le volant a un axe vertical, la face du volant exposée à la pression est une face d'extrémité, et les moyens de freinage d'écoulement de gaz sont alors, de préférence, aménagés entre la face périphérique externe du volant et la face périphérique interne d'une cage solidaire du bâti. Le joint est par exemple composé d'une suite d'anneaux sensiblement concentriques relativement au volant, solidaires de la paroi interne de la cage et/ou de la surface externe du volant d'inertie. Un joint à labyrinthe est de façon privilégiée en polyester, mais peut aussi être composé de polyéthylène ou de polystyrène.
Dans un mode de réalisation privilégié, le dispositif selon l'invention comprend un compresseur ayant une aspiration et un refoulement, dont l'un fournit la pression appliquée à la face exposée du volant, et l'autre est raccordé pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement, relativement à la face exposée. L'énergie consommée par le compresseur pendant une durée typique de stockage ne représente qu'un très faible pourcentage de l'énergie qui peut être stockée dans le volant d'inertie. Ainsi, on peut, pratiquement sans perte d'énergie, recycler le gaz s'étant échappé par les moyens de freinage d'écoulement pour le réinjecter à la pression voulue à l'intérieur du dispositif de façon à exposer de façon continue au moins une face du volant à une pression de gaz générant une force qui compense au moins partiellement le poids du volant.
De façon privilégiée, dans le dispositif selon l'invention, le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement est en contact avec une face du volant opposée à ladite face exposée de façon que la force de sustentation appliquée au volant soit fonction de la différence entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement. Puisque seule compte la différence de pression, il est possible par exemple de refouler un gaz sous pression sur une face inférieure du volant qui définit alors la face exposée, et/ou de créer par aspiration un vide partiel au-dessus d'une face supérieure du volant qui définit alors la face exposée, les deux méthodes aboutissant toujours à une différence de pression entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement.
II peut être avantageux que le dispositif selon l'invention comprenne une régulation d'un débit de compresseur dans le sens du maintien de conditions de sustentation prédéterminées du volant, en particulier une différence de pression prédéterminée entre deux faces opposées du volant et/ou une charge prédéterminée sur des paliers tels que des paliers à roulement ou des paliers lisses du volant. Ainsi, on maintient la charge sur les paliers à la valeur prévue sans risquer de surcharge ni à l'inverse de déstabiliser le volant en le soulevant.
Le dispositif comprend avantageusement un radiateur entre l'aspiration et le refoulement de gaz. En effet, le gaz s'écoule contre le volant en rotation se réchauffe du fait de la compression et/ou des frottement entre le gaz et le volant lorsqu'il est en rotation. En plaçant un radiateur entre l'aspiration et le refoulement de gaz, il est possible de refroidir ce gaz lorsqu'il est hors du contact du volant, avant de l'introduire à nouveau à l'intérieur du bâti et au contact du volant. On évite ainsi que le gaz atteigne peu à peu une température trop élevée qui pourrait par exemple faire augmenter la température moyenne à l'intérieur du bâti et dégrader certains éléments qui y sont situés tels que les faces extérieures du volant ou les moyens de freinage d'écoulement.
On monte de préférence le volant d'inertie dans une cage solidaire du bâti, la cage et la face exposée du volant définissant ensemble pour le gaz au moins une chambre entourée par les moyens de freinage d'écoulement. Ladite cage est de préférence en béton. Ce matériau est économique et permet d'amortir le choc en cas d'explosion accidentelle du volant, due par exemple à un arrêt brutal de la rotation du volant, ou une survitesse du volant. L'au moins une chambre définie par la cage et la face exposée du volant communique avec l'aspiration ou le refoulement de gaz. La face sensiblement opposée du volant et la cage définissent de préférence une seconde chambre qui communique avec l'aspiration ou le refoulement de gaz.
Selon le deuxième mode de réalisation précédemment décrit, la paroi interne de la cage et/ou la paroi périphérique externe du volant d'inertie comportent un revêtement en forme de labyrinthe, en particulier en polyester.
Selon un mode de réalisation privilégié, le gaz est refoulé à une pression relative comprise entre 50 et 60 kPa (environ 0,5 et 0,6 bar). De préférence, la pression aux abords de l'aspiration sensiblement nulle, par exemple 10 kPa, de façon à limiter les frottements du volant avec le gaz environnant. Une pression comprise entre 50 et 60 kPa aux abords du refoulement constitue alors une surpression.
Le volant est avantageusement solidaire d'un arbre monté dans des paliers. Un pignon est couplé en rotation mais découplé axialement du volant d'inertie. Ainsi, l'arbre du volant assure le montage rotatif du volant autour de l'axe commun du volant et de l'arbre. Le pignon assure le raccordement à un appareillage extérieur au volant. Le découplage axial entre le pignon et le volant évite la transmission d'éventuelles contraintes axiales et/ou radiales élevées dans la pignonnerie. Le pignon permet de coupler la rotation du volant à une source d'énergie motrice et/ou à un appareillage extérieur consommateur. Le couplage peut être indirect, notamment si plusieurs volants sont couplés ensemble.
Dans un mode de réalisation privilégié, l'arbre du volant est maintenu en position notamment par effet d'autocentrage du volant autour de son arbre par effet gyroscopique et par effet de la pression du gaz.
La masse la plus externe du volant est celle qui contribue le plus à son moment d'inertie. Ainsi, on préfère utiliser un volant en forme de cylindre creux, pour augmenter le moment d'inertie du volant, à masse totale égale.
De préférence, la jante du volant est en béton renforcé, qui est un matériau à la fois dense pour augmenter l'inertie du rotor, et économique.
Dans un mode de réalisation privilégié et lorsque le choix et l'emplacement des moyens de freinage d'écoulement le permettent, la jante du volant est entourée d'une coque lisse sur au moins une partie de sa surface externe. La coque lisse est par exemple en acier et/ou en fibre de carbone. La coque lisse permet de limiter les pertes d'énergie et l'usure en cas de frottements. L'utilisation de l'acier est assez avantageuse, car l'acier et le béton ont sensiblement le même coefficient de dilatation. On réduit ainsi les risque de contraintes internes dangereuses dans le volant, en cas de variation de température. Lorsque les moyens de freinage d'écoulement sont solidaires de la paroi périphérique externe du volant, c'est alors la paroi périphérique interne de la cage qui est de préférence recouverte sur au moins sur partie de sa surface dudit revêtement lisse.
La jante du volant est de préférence en forme de cylindre creux, reliée à l'arbre du volant par des rayons croisés. Ces rayons croisés sont de préférence en fibre de carbone. Typiquement, il y a deux nappes coniques de rayons, évasées l'une vers le haut, l'autre vers le bas. Les deux nappes se croisent. En même temps, dans chaque nappe, les rayons sont disposés en paires formant un X. L'agencement en rayons croisés confère une mise en œuvre très simple, une grande précision de positionnement de la jante du volant par rapport à son arbre et un bon équilibre de l'ensemble. Dans un mode de réalisation, deux plaques par exemple métalliques, de préférence en acier, sont chacune fixées à l'une respective des faces supérieure et inférieure du volant, par exemple au moyen de pointes métalliques traversant la plaque métallique et encastrées dans le béton du volant. Ces plaques sont fixées à l'arbre du volant et percées en leur centre de façon à laisser passer l'arbre du volant d'une extrémité à l'autre du cylindre. Une partie du nombre total des rayons, sensiblement une moitié des rayons, s'étend sensiblement de la périphérie extérieure de la plaque inférieure jusqu'à la périphérique intérieure de la plaque supérieure, et l'autre partie des rayons sensiblement depuis la périphérique intérieure de la plaque inférieure jusqu'à la périphérie extérieure de la plaque supérieure. Ceci réalise les deux nappes coniques précitées. Les rayons peuvent aussi être fixés directement sur l'arbre du volant d'inertie, et/ou directement sur le volant. Les rayons s'appuient en outre de préférence sur un rebord métallique solidaire de l'une ou des deux plaques de préférence métalliques.
Le gaz aspiré et/ou refoulé est de préférence majoritairement composé d'air, d'hydrogène ou d'hélium, en raison de leurs faibles coefficients de frottement et viscosités. On préfère généralement l'hélium pour sa stabilité et son faible coefficient de frottement.
Selon un mode de réalisation privilégié, on peut relier ensemble plusieurs volants d'inertie pour former une matrice de volants, tous reliés directement ou non à un même moteur et/ou un même consommateur. On peut ainsi multiplier par autant de volants que comporte la matrice la quantité d'énergie stockée et restituable. En effet, chaque volant est relativement limité dans l'énergie qu'il peut stocker, puisqu'il atteint rapidement la vitesse du son, vitesse autour de laquelle le matériau du volant ne résiste pas à la force centrifuge et est détruit. Il est donc intéressant d'utiliser des configurations en matrice. Chaque volant d'inertie comporte son propre pignon, les volants d'inertie étant donc reliés ensemble par une pignonnerie, ainsi que par l'intermédiaire d'une ou plusieurs roues de transmission. Chaque pignon comporte son propre palier.
Les volants d'inertie sont alors de préférence assemblés en suivant les lignes d'anneaux concentriques, avec un volant d'inertie central et plusieurs volants d'inertie périphériques. Ainsi le nombre de pignons mis en cascade est réduit, ce qui limite les phénomènes d'amplification des à-coups.
Selon un second mode de réalisation, plusieurs pignons sont reliés ensemble chacun par deux points de contact. Cette configuration implique que les roues de transmissions soient pour certaines superposées. En effet, on utilise de préférence des doublets de roues de transmission composés de deux roues concentriques l'une dentée extérieurement, l'autre dentée intérieurement et entourant la première. Chaque doublet entraîne de préférence trois pignons chacun par deux points de contact, l'un avec la roue intérieure du doublet, l'autre avec la roue extérieure du doublet. Une telle configuration confère une plus grande stabilité à la transmission d'énergie entre les volants d'inertie. Les contraintes mécaniques sont réduites et la répartition d'énergie entre les pignons est meilleure.
Les volants peuvent aussi être utilisés empilés les uns au-dessus des autres.
On agence de préférence un ou plusieurs dispositifs de contrôle à l'extérieur du dispositif selon l'invention, notamment pour contrôler la ou les vitesses de rotation des volants d'inertie. Le dispositif selon l'invention est utilisé notamment pour absorber les fluctuations de la production et/ou de la consommation d'énergie associées à une unité de production d'énergie, en particulier électrique, en particulier au moyen d'une éolienne.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés : la figure 1 est une représentation schématique en élévation du dispositif selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective avec arrachement du dispositif selon l'invention ; la figure 3 est une vue en coupe et en perspective du volant d'inertie seul : - la figure 4 est une vue en perspective d'une matrice de volants selon l'invention, sans représentation du bâti ; la figure 5 est une vue en perspective d'un dispositif à matrice de volants ; la figure 6 est une vue en coupe selon l'axe IV-IV du couplage entre l'arbre d'un volant d'inertie et son pignon ; la figure 7 est une vue de dessus d'un mode d'accouplement pour des volants d'inertie en matrice ; la figure 8 est une vue de détail en coupe des moyens de freinage d'écoulement de gaz.
Le dispositif selon l'invention comprend au moins un volant d'inertie 1 monté en rotation par rapport à un bâti 2 autour d'un axe de rotation 3 au moyen de paliers 14. Dans le mode de réalisation selon la figure 1, l'axe de rotation 3 est vertical. Dans ce même mode de réalisation, le volant d'inertie 1 est logé à l'intérieur d'une cage 4 définie à l'intérieur du bâti 2 et solidaire de celui-ci. La cage 4 est fermée de façon étanche par un couvercle 112 par exemple métallique.
Un compresseur 5 établit une circulation de gaz dans la cage 4. Une face exposée 6 du volant 1 et la cage 4 définissent pour un gaz dit refoulé et injecté sous la face exposée 6, au moins une chambre 100 entourée par des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7. La face sensiblement opposée 11 et la cage 4 définissent pour le gaz aspiré au moins une chambre 101. Les chambres 100 et 101 sont séparées par les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7. L'aspiration 9 du compresseur 5 communique avec la chambre 101, et le refoulement 10 du compresseur 5 communique avec la chambre 100. La cage 4 est rendue étanche, en particulier par un joint 113 autour de l'arbre 14 du volant 1, du côté où cet arbre sorte de la cage 4 à travers le couvercle 112. A l'autre extrémité du volant, l'arbre 14 est monté dans un alésage borgne 115 formé dans le fond de la cage.
Le gaz est refoulé par exemple à une pression relative comprise entre 50 et 60 kPa à l'intérieur de la cage 4, dans la chambre 100, sous le volant d'inertie 1. Ce gaz comporte avantageusement une forte proportion d'hélium, ou d'hydrogène, ou d'air, les deux premiers en particulier présentant un très faible coefficient de frottement. De préférence, on utilise de l'hélium pur. Afin de limiter encore les frottements du volant en rotation avec le gaz environnant, on peut établir au départ une pression sensiblement nulle à l'intérieur de la cage 4. Dans ce mode particulier de réalisation, c'est la face inférieure 6 du volant 1 qui est exposée à une pression de gaz par injection de gaz sous cette face exposée 6 et dans la chambre 100. Cela génère une force ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant 1. Dans ce mode de réalisation on peut également considérer que la face exposée est la face 11, exposée à une dépression par aspiration de gaz dans la chambre 101. Seule compte la différence de pression entre la pression dans la chambre 100 et la pression dans la chambre 101. Cette différence de pression doit être telle que la force résultante est ascendante. La force ascendante correspond à une grande partie du poids du volant. La partie résiduelle du poids du volant, non équilibrée par la force ascendante, est supportée par l'un au moins des paliers 114, qui est choisi pour être capable de supporter une telle charge.
Les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont aménagés entre le volant 1 et une surface solidaire du bâti 2. Dans le mode de réalisation schématique représenté à la figure 1, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont solidaires de la cage 4 et donc du bâti 2. Cependant, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont préférentiellement solidaires du volant 1. Il peuvent aussi comporter une partie solidaire du bâti 2 et une partie solidaire du volant 1. Dans tous les cas, l'espace entre les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 et le volant 1 et/ou une surface solidaire du bâti 2 doit être réduit pour limiter le débit de gaz le long des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7, mais doit être suffisant pour limiter le risque de frottement du volant 1 contre les parois de la cage 4 ou du bâti 2. De façon générale, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 comprennent une relation de proximité entre la paroi périphérique 13 externe du volant 1 et une paroi périphérique interne de la cage 4.
Dans le mode de réalisation selon la figure 1, les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 sont réalisés par un joint à labyrinthe. Un tel joint forme une succession de changements de forme et/ou de direction pour l'écoulement, ici une succession d'élargissements et de rétrécissements du trajet de fuite 8, créant ainsi une perte de charge à chaque variation de la section du trajet de fuite. Le joint de type labyrinthe est réalisé par un revêtement présentant des nervures circonférentielles régulièrement espacées. Le revêtement est de préférence en polyester ou en en polyéthylène, situé entièrement sur la paroi périphérique 13 externe du volant 1. Selon un autre mode de réalisation, ledit joint peut être aussi situé en partie ou entièrement sur la paroi périphérique interne de la cage 4 en regard de la surface périphérique 13 externe du volant 1.
Selon un mode de réalisation privilégié décrit figure 8, le joint à labyrinthe est solidaire de la paroi périphérique 13 externe du volant 1. Il est formé d'une succession rainures périphériques formées dans les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7, qui sont par exemple en polyester. Les rainures sont deux à trois fois plus profondes que hautes. Dans un mode de réalisation privilégié, les rainures sont espacées d'environ e=0,5 mm (ou 0,2 mm, ou 0,1 mm). Leur profondeur p vaut par exemple 6mm, de préférence 9 à 10 mm, et leur hauteur d vaut de préférence 3 mm. On obtient dans une telle configuration un débit de gaz dans les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 d'environ trois à six litres/minute. Seuls quelques pourcents de l'énergie stockée par un volant 1 est alors utilisée pour porter ledit volant pour une durée typique de stockage. Il est de plus avantageux que le maximum de la hauteur du volant soit recouvert par les moyens de freinage d'écoulement de gaz.
Il est avantageux de construire le volant 1 équipé des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 ajustés au diamètre intérieur de la cage 4, puis en faisant tourner le volant 1 à l'intérieur de son logement dans la cage
4, d'user ou roder les moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 contre la paroi adjacente jusqu'à ce que le diamètre des moyens de freinage d'écoulement permette une rotation du volant 1 sans frottements entre les moyens de freinage d'écoulement 7 et la paroi périphérique interne de la cage
4.
Le compresseur 5 comporte une aspiration 9 et un refoulement 10. L'un, ici le refoulement 10, fournit la pression appliquée à la face exposée 6 du volant 1, et l'autre, ici l'aspiration 9, est raccordé pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7. Ainsi, le dispositif fonctionnant en circuit fermé évite la pénétration de particules non désirées ou autre élément polluant ou susceptible de gêner l'écoulement dans le circuit d'écoulement. Le fonctionnement en circuit fermé permet en outre d'utiliser facilement un gaz autre que de l'air à l'intérieur de la cage 4.
Le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement de gaz 7 est en contact avec la face 11 du volant 1 opposée à la face exposée 6, de façon que la force de sustentation appliquée au volant 1 soit fonction de la différence entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement.
Ce dispositif selon l'invention comprend avantageusement une régulation du débit du compresseur 5, dans le sens du maintien de conditions de sustentation prédéterminées du volant 1, en particulier une différence de pression prédéterminée entre deux faces opposées 6 et 11 du volant 1 et/ou une charge verticale prédéterminée sur des paliers du volant. Le dispositif de régulation comprend par exemple une sonde de pression 102 dans la chambre 101 supérieure, une sonde de pression 103 dans la chambre 100 inférieure, une unité de calcul 104 pour calculer la différence de pression, comparer cette différence à une consigne et générer une commande de vitesse ou de puissance du compresseur 5 pour augmenter cette vitesse ou puissance quand la différence de pression est trop faible, ou au contraire diminuer cette vitesse ou puissance quand la différence de puissance est trop forte.
Dans le mode de réalisation selon la figure 1, le dispositif comprend un radiateur 12 situé entre l'aspiration et le refoulement de gaz, ici entre l'évacuation de gaz hors de la cage 4 ou du bâti 2 et l'injection de gaz sous la face exposée 6.
Dans un mode de réalisation privilégié illustré aux figures 2 et 6, le volant d'inertie 1 est solidaire d'un arbre 14 lié en rotation à un pignon 15 qui est découplé axialement de l'arbre 14 et donc du volant d'inertie 1. La figure 6 montre un exemple de couplage par cannelure entre le volant d'inertie 1 et un manchon 16 solidaire du pignon 15.
Comme le montre la figure 3 qui est une vue en coupe d'un volant d'inertie 1, la jante 18 du volant d'inertie 1 est de la forme d'un cylindre creux, formé de béton renforcé entouré d'une peau ou coque lisse par exemple en acier ou en fibre de carbone. Le cylindre en béton renforcé est appelé insert. Dans un mode de réalisation privilégié, un volant d'inertie à les caractéristiques suivantes :
L'insert en béton apporte donc la plus grande partie du poids total du rotor. Ainsi, le béton étant un matériau économique, on obtient de façon économique un poids total élevé et donc une inertie du rotor et ainsi une énergie stockable élevées. La vitesse de rotation indiquée est une vitesse pour un régime de fonctionnement normal, c'est-à-dire sans risque de détérioration rapide de la jante 18 du volant 1, et permettant le stockage d'une grande quantité d'énergie.
Selon un second mode de réalisation, un volant d'inertie 1 est réalisé à une petite échelle et comporte les caractéristiques suivantes :
Figure imgf000017_0001
La figure 3 montre une vue en coupe et en perspective du volant d'inertie 1. Le volant 1 comprend la jante 18 reliée à l'arbre 14 du volant d'inertie 1 par des rayons 19 croisés. Deux plaques 20 par exemple en acier relient la jante 18 et l'arbre 14, l'une définissant la face supérieure du volant 1, l'autre la face inférieure du volant 1. Les plaques 20 sont reliées à la jante 18 au moyen de pointes métalliques 30 traversant la plaque métallique et s'enfonçant dans le béton de la jante 18.
Les rayons croisés sont pour partie fixés à la plaque inférieure au voisinage de sa périphérie extérieure et à la plaque supérieure au voisinage de sa périphérie intérieure, et pour partie fixés à la plaque supérieure au voisinage de sa périphérie extérieure et à la plaque inférieure au voisinage de sa périphérie intérieure. On forme ainsi deux nappes coniques de rayons 19 évasés en sens contraire et qui se croisent. De façon privilégiée, les plaques sont conformées en double cône pour définir au moins un appui de préférence métallique 21 pour les rayons. Les rayons 19 croisés sont par exemple en fibre de carbone. Il peuvent aussi être fixés directement sur l'arbre 14 du volant d'inertie 1 plutôt que sur les bords intérieurs des plaques 20, et/ou directement sur la jante 18 plutôt que sur la périphérie extérieure des plaques 20. Ce type d'agencement en rayons croisés est inspiré des roues de voitures de sport du siècle dernier. Les plaques 20 sont montées de façon à empêcher tout passage de gaz à travers l'espace annulaire situé entre la jante 18 et l'arbre 14. Il est possible d'assembler plusieurs volants d'inertie 1 pour former une matrice 22 de volants d'inertie 1. Les différents volants 1 sont reliés ensemble par une pignonerie et par l'intermédiaire d'une ou plusieurs roues de transmission 25. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 4, les volants d'inertie 1 sont assemblés en suivant les lignes d'anneaux concentriques avec un volant d'inertie central 26 et plusieurs volants d'inertie 1 périphériques, les volants d'inertie 1 étant couplés en rotation avec le volant d'inertie central 26. Cette configuration en anneaux concentriques a pour avantage de transmettre de l'énergie à un nombre important de volants d'inertie 1 pour un nombre de pignons 15 intermédiaires limité entre le volant d'inertie 26 qui est le plus directement relié au moteur et/ou au consommateur, et le ou les volants d'inertie 1 périphériques qui sont plus indirectement reliés au moteur et/ou au consommateur, c'est-à-dire pour lesquels le nombre de pignons 15 que l'énergie doit passer pour être transmise à ces volants 1 est maximum. On pourrait prévoir au moins un deuxième anneau de volants 1 autour du premier anneau représenté.
Il est avantageux de limiter le nombre maximum des pignons 15 qui transmettent l'énergie en cascade entre un volant d'inertie 1 et le volant central 26, car des à-coups de transmission sont amplifiés à chaque transfert de mouvement à un pignon voisin et peuvent causer la dégradation prématurée du dispositif selon l'invention s'ils atteignent une puissance trop élevée. On se limite alors préférentiellement à deux pignons 15 intermédiaires entre le pignon du volant central 26 et le ou les pignons les plus éloignés du pignon du volant central 26.
Dans l'exemple représenté, chaque pignon 15 est protégé par une gaine 23 par exemple en béton qui comprend au moins une ouverture 24 pour permettre au piston 15 d'être couplé avec un élément extérieur au volant d'inertie 1.
Dans un second mode de réalisation représenté à la figure 7, plusieurs pignons 15 de plusieurs volants 1 sont reliés ensemble chacun par deux points de contact. Ainsi, chaque roue de transmission 25 est en réalité un doublet comprenant une roue centrale 110 dentée extérieurement et une couronne 111 dentée intérieurement, les pignons 15 tournant en sens inverse de la roue centrale 110. Chaque pignon 15 est placé entre une roue centrale 110 et une couronne 111 d'un même doublet et engrène avec eux. Chaque roue de transmission 25, respectivement doublet relie ensemble avantageusement trois pignons 15. En effet, si lesdits trois pignons 25 forment un triangle équilatéral, l'ensemble est alors parfaitement équilibré. Les trois doublets selon la figure 7 son placés dans des plans différents pour ne pas interférer entre eux.
Le tableau qui suit présente les énergies disponibles pour différentes tailles de matrices 22 :
Figure imgf000019_0001
Les valeurs qui sont données correspondent à différentes tailles de matrices en cercles concentriques. Un module correspond en fait à un volant d'inertie 1 et son pignon 15 associé. Une matrice à sept modules correspond à une matrice hexagonale comprenant un module central et six modules périphériques. Ensuite, chaque cercle concentrique supplémentaire contient six modules de plus que le cercle précédent. On obtient alors des énergies disponibles très élevées, pour des diamètres d'enceinte, ici une coque en béton 27, assez réduits. Les matrices 22 sont enveloppées ensemble d'une coque en béton 27 à l'extérieur de laquelle est placé le compresseur 5 ainsi que le moteur 121 et le système de transmission d'énergie 122 entre le moteur et le pignon central 26 ou plus généralement le pignon qui va transmettre ensuite toute l'énergie reçue du moteur aux autres pignons 15 de la matrice 22.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Le volant pourrait être à axe horizontal et les faces opposées exposées à des pressions différentes seraient alors les parties supérieure et respectivement inférieure de la paroi latérale. Les moyens de freinage d'écoulement 7 comprennent alors, par exemple, des cannelures axiales sur la cage de part et d'autre de l'axe de rotation, et des cannelures circonférentielles sur la cage 4 ou le volant 1 le long du pourtour des faces d'extrémité du volant.

Claims

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