Brevet FR2425609A1 — publié le 19791207

L'objet de l-invention est de décrire un moyen nouveau de stockage énergie sous forme de fluide comprimé dans une enceinte maintenue sous pression par des matériaux élastiques. Cette invention peut avoir de nombreuses applications notamment la conversion par une pompe d'énergie mécanique en énergie hydraulique ou pneumatique stockée ; la conversion par un moteur de l'6nergie hydraulique ou pneumatique stocke en énergie mécanique ; la production de courant dîsotrique à une puissance notable à partir de cette énergie mécanique ; l'alimentation des systèmes asservis hydrauliques et pneumatiques ; et plus généralement toute application basée sur l'emploi d'un fluide comprimé, comme par exemple un respirateur artificiel. L'utilité de l'invention peut être précise sur l'exemple suivant cité à titre non limitatif l'utilisation des sources énergie naturelles, telles que le soleil ou le vent implique l'emploi de moyens de stockage d'énergie, en raison de la nature aléatoire de leur production l'énergie devrait être stockée sous une forme permettant d'en tirer de l'énergie mécanique directement ou indirectement. Une batterie d'accumulateurs constitue l'exemple le mieux connu de stockage reversible d'énergie. Ce mode de stockage a une capacité de tordre de 50 VAH/kg ou 180 Kj/kg, importante comparativement aux autres moyens utilisables. Mais on ne peut en tirer d'une manière continue qu'une faible puissance, d'environ 5 watt/kg ; il faut donc 400 kg de batteries pour disposer de 2 Kw en continu pendant quelques heures. Dtob l'intérêt de rechercher d'autres modes de stockage mieux adaptés à l'utilisation de sources aléatoires d'énergie. L'un des moyens les plus efficaces de stocker l'énergie est la déformation d'une membrane élastique. Le travail de ddformation d'une membrane dans 2 directions orthogonales est E 2 si E est le module d'élasticité et # l'allongement du matériau. Pour un matériau tel que le caoutchouc, E = 4.000 à 9.000 Kj/m3 et peut aisément atteindre 3 à 5 : une énergie de 30 à 200 Kj/kg peut donc être stockée dans une grande déformation de membrane. Le stockage possible est d'autant plus élevé que E et 6 le sont : Le caoutchouc et plus généralement les élastomères semblent être les meilleurs matériaux. Le stockage élastique peut être compétitif dans des conditions favorables avec les batteries si des moyens appropriés de transfert de l'énergie stockée sont prévus. Un mode particulier de réalisation de l'invention sera décrit ci-après à titre indicatif et non limitatif en référence au dessin annexé sur lequsl - la figure I est une vue schématique d'un dispositif de stockage d'énergie pneumatique dans une enceinte étanche entourée d'une membrane élastique ; - la figure 2 est un diagramme representant la variation de pression d'un fluide comprimé dans une enceinte sphérique limitée par une membrane élastique, en fonction du diamètre atteint par cette enceinte ;; - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif de stockage d'énergie pneumatique dans une enceinte étanche entoure par une succession de membranes élastiques emboîtées autour de l'enceinte, conforme à la présente invention 9 - la figure 4 est un diagramme montrant une faible variation de la pression du fluide comprimé dans l'enceinte représentée par la figure 3, en fonction du diamètre atteint par cette enceinte ; carac tdristique de pression qu'on se propose de réaliser par un dimensionnement approprié des membranes conforme à fa présente invention - la figure 5 est une vue schématique dgun dispositif de stockage d'air comprimé comportant 2 étages successifs de compression avec recuperation de chaleur, utilisable pour la génération de courant Blec- trique. Dans la rdalisation la plus simple décrite figure 1 pour illustrer le principe du stockage élastique, le dispositif de stockage élastique comprend une membrane 1 élastique allongée par l'action d'un fluide sous pression remplissant un volume déformable limité par une enveloppe étanche 2. Ce volume communique par un orifice 3 avec une machine volumetri- que 4 qui peut être utilisée comme pompe ou comme moteur. La membrane I élastique peut Astre utilise comme enveloppe étanche 2 si elle est constituée d'un matériau à la fois élastique et étanche, comme dans le cas d'une sphère de caoutchouc. Au stockage, la pompe aspire le fluide par la soupape 5 et le refoule dans enceinte 2 par la soupage 6 ; son travail est stocké dans la déformation de la membrane 1 : A l'utilisation, la même pompe employée comme moteur est alimentée par le volume et la membrane fournit du travail au moteur. Si le fluide utilisé est un liquide incom possible, le travail fourni par la pompe puis reçu par le moteur est égal au travail de déformation de la membrane. Si le fluide est un gaz compressible par exemple l'air atmosphérique, la pompe doit fournir aussi le travail de compression du gaz, et le moteur reçoit le travail de détente du gaz. Le stockage d'énergie a donc lieu en partie dans la membrane et en partie dans le gaz. La meilleure forme dtenvelopps pour le stockage est la forme sphé- rique, parce que le travail de déformation élastique peut stexercer dans 2 dimensions, et parce que le volume de gaz enfermé dans un volume donné de membrane est le plus grand possible. On peut toutefois concevoir des enveloppes de forme originelle cylindrique ou conique, plus aise à construire. Pour pouvoir utiliser l'énergie stockée de façon uniforme dans le temps et sans l'emploi d'organes supplémentaires, il est très utile que l'énergie soit stockée à pression quasi constante et volume variable, plutôt que le contraire : en effet lorsque l'énergie est stockée sous forme d'air comprimé à très haute pression dans une bouteille métallique dont le volume est invariable, il est nécessaire d'employer un détendeur pour ramener l'air à une pression utilisable dans un or gane moteur, ou dans un dispositif de controle ou de régulation à composants pneumatiques. L'objet de l'invention est plus précisément de décrire une unité de stockage capable d'une importante variation de volume avec une pression variant très peu, et donc applicabls à tout dispositif néces- sitant une alimentation par un fluide à pression quasi constante. Les matériaux capables d'une grande déformation tels que les élastomères se déforment comme un corps incompressible : le volume du matériau reste pratiquement constant, car il est caractérisé par un coefficient de Poisson voisin de 0,5. Une enveloppe sphérique se defor- me donc de telle sorte que son épaisseur est inversement proportionnelle au carré de son diamètre. Un calcul simple confirmé par l'expérience, montre alors que lorsqu'on gonfle une telle enveloppe la pression qui est proportionnelle au rapport de l'épaisseur au diamètre mais aussi à l'allongement, croit jusqu'à un maximum atteint lorsque le diamètre est 1,5 fois le diamètre d'origine, puis décroît, jusqu'à la limite élastique du matériau. Cette variation est représentée figure 2. L'invention, comme l'indique très schématiquement la figure 3 consiste à associer des moyens élastiques 7 l'un à l'intérieur de l'autre afin de créer une capacité élastique ayant une caractéristique pression-volume voulue. Ces moyens élastiques sont représentés figure 3 par des baudruches emboîtées les unes dans les autres, mais ils peuvent également être constitués par des lanières élastiques ceinturant l'en- ceinte étanche 8 dans 2 directions perpendiculaires, ou par tout autre dispositif élastique pour maintenir la pression de l'enceinte. On obtient ainsi l'utilisation optimale du matériau élastique, et une situation idéale pour l'emploi de machines volumétriques comme organe stockeur représenté sur la figure par un compressuer à piston 9 ou comme organe moteur représenté schématiquement en 10. La vanne à 3 voies 11 et 11' placée dans la position 11 permet le stockage d'air comprimé dans l'enceinte 8 ; placée en position 11', elle permet au réservoir d'air stocks d'alimenter le moteur 10. L'utilisation de l'air comme fluide est particulièrement bien adaptée aux cas on de la chaleur peut être récupérés en chauffant l'air stocké dans un échangeur de chaleur 12 avant de le détendre dans le moteur 10. La figure 4 montre une caractéristique de pression quasi constante à mesure que le diamètre ou le volume varient, que l'on peut obtenir par un choix approprie du diamètre et de l'épaisseur des membranes consécutives dont l'agencement décrit ci-après constitue l'invention. Appelons Pm la pression maximum à laquelle l'énergie sera stockée pression uniquement déterminée par le module d'élasticité de la pre mière enveloppe et par le rapport initial épaisseur/diamètre de cette première enveloppe, et proportionnelle à ces quantités. Appelons Pm la pression minimum, aussi voisine de PM qu'on le désire, à laquelle l'enceinte est maintenue. Lorsque la première enve- loppe de diamètre initial Do est gonflée, elle atteint la pression minimum Pm à un certain diamètre D1 ; puis la pression monte encore et devient maximum PM au diamètre 1,5 Do ; ensuite elle redescend à Pm à un diamètre D2 supérieur à 1,5 Do . La première enveloppe peut donc être utilise entre les diamètres D1 et D2 , et cette plage de stockage est d'autant plus étroite que les pressions PM et Pm sont plus rapprochées. Pour étendre cette plage, on entoure selon l'invention la premiè re enveloppe d'une deuxième de diamètre initial D, D2 ci-dessus défini, qui ne commence à être déformée que lorsque la première enveloppe a atteint ce diamètre ; si I'on donne à cette enveloppe une épaisseur appropriée, un gonflage ultérieur fait remonter la pression jusqu'au même maximum PM puis la pression retombe à n lorsque les 2 enveloppes ont atteint un diamètre D3 .Une troisième enveloppe de diamètre initial D3 et d'épaisseur appropriée permet a nouveau de faire remonter la pression à PM ; la pression revient à Pm au diamètre D4 supe- rieur.La plage d'utilisation entre les pressions PM et Pm est dene étendue du diamètre D1 au diamètre D4, et peut etre encore étendue en multipliant le nombre d'enveloppes. Un calcul basé sur l'incompressibilité du matériau élastomère montre que si les enveloppes successives sont constituées du même matériau, les diamètres successifs initiaux D1, D2, D3,... des enveloppes croissent en progression géométrique ainsi que les épaisseurs successives à partir de la deuxième enveloppe si l'on veut maintenir la pression entre un maximum Pm et un minimum Pm donnés ; le rapport épaisseur/diamè- tre reste donc constant d'une enveloppe à la suivante, et caractérisé par l'écart admis entre PM et Si cet écart est faible, et si un volume V de stockage est réali- sé, l'énergie stockée dans le matériau élastique est Bgale au travail de remplissage des enveloppes, c0est-à-dire sensiblement à(PM - Pa) V si Pa est la pression atmosphérique, Supposons qutà l'aide d'un compresseur caractérise par un rapport de compression r on ait gonflé ainsi la surie d'enveloppes à la pression relative PM-Pa = rPa, jusqu'au volume V .Rien n'empêche de placer à l'intérieur de l'enveloppe de diamètre Do une deuxième série d'enveloppes de diamètre plus petit D0', D1', D2', ... croissant suivant une progression géométrique. Si la source d'énergie à stocker est toujours disponible, on peut à ltaide d'un jeu de vannes et du même compresseur, introduire l'air précédemment stocké à la pression relative PM-Pa , dans l'enveloppe de diamètre D0', afin de la comprimer de la pression PM à la pression supérieure PM', telles que : PM' - PM = rPM Le rapport épaisseur/diamètre D0' doit être plus élevé que dans le cas précédent, dans le rapport r-. La pression dans l'enveloppe de diamètre initial Dt croît jusqu'au maximum PM', puis décroît jusqu'à un minimum p' qu'on se fixe ; en disposant autour de cette enveloppe une deuxième de diamètre D' et d'épais- seur appropriée, puis une troisième, etc..., on peut étendre la plage d'utilisation du compresseur pour recomprimer tout l'air stocke à la pression P M jusqu'à la pression plus élevée p,. m On augmente ainsi considérablement la capacité de stockage réali- sée à laide de la première surie d'enveloppes seule, et l'opération peut etre recommencée, tant qu'il existe un volume intérieur disppnible, que le rapport épaisseur/diamètre nécessaire est réalisable, et que l'allongement maximum correspondant à la limite élastique n'est pas atteint. La figure 5 illustre une rdalisation du processus décrit ci-dessus indiquée à titre non limitatif : le compresseur 13 est entrains à laide d'un moteur 14 : il est aliments à l'aide de la vanne trois voies à position 15 ou 15 , soit par l'atmosphère (position 15), soit en position 15t par le réservoir d'air stocke à la pression "basse" PM dans la série d'enveloppes limitant le volume BP, dans le 1er cas l'air atmosphérique est refoule dans le réservoir BP par la vanne trcis voies 16 - 16' dans la position 16, dans la 2ème cas l'air venant de BP est refoulé dans le réservoir HPà la pression PM' par la vanne dans la position 16'. L'air étant échauffé par la compression doit être refroidi préalablement au stockage, dans un échangeur 17 de chaleur situe entre le compresseur 13 et la vanne 16 - 16 , où la chaleur est cédée à un fluide caloporteur. Le dispositif d'utilisation de l'énergie stockée est symétrique ent constitué d'une turbine 18 entraînant une génératrice de courant 19, alimentée par la vanne 20 - 20 soit à partir du reservoir B P en position 20, soit à partir du réssrvoir HP en position 20 . Dans le 1er cas, l'air est évacué par la vanne 21 -21 en position 21 à la pression atmospherique ; dans le 2ème cas il est restocké en 8P par la vanne en position 21' Dans les 2 cas ltair qui est refroidi par la détente est préalablement réchauffé par passage dans l'échangeur 17 où il récupère en partie la chaleur de compression adiabatique, et dans un échangeur complémentaire 22 branché sur une récupération thermique exterieure. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stockage réversible d'énergie sous forme de fluide comprimé dans un réservoir de volume variable et de pression quasi constante maintenue entre un maximum et un minimum voisins, ledit réservoir comprenant - au moins une enceinte étanche au fluide et déformable une succession de moyens élastiques embotts autour de cette enceinte avec lesquels l'enceinte en expansion entre en contact l'un après l'autre lorsque son volume interne croît à partir d'une valeur minimale, et tels que l'ensemble des moyes élastiques déformés par la surface externe de l'enceinte exerce sur cette enceinte une pression qui augmente jusqu'à la pression maximum puis diminue jusqu'à la pression minimum acceptée, atteinte lorsque les moyens élastiques déformés viennent au contact du moyen élastique suivant qui s'ajoutant aux précédents sous l'effet dtune expansion supplémentaire du volume interne fait remonter à nouveau la pression jusqu'au maximum puis diminuer jusqu'au minimum accepté. 2.- Dispositif de stockage d'énergie dans un réservoir selon 1 complété par un deuxième réservoir de volume variable et de pression quasi constante maintenue entre un maximum et un minimum voisins et supérieurs à la pression du premier réservoir, employant le fluide stocké dans le premier rdservoir d'une part pour stocker l6nergie fournie par une pompe en refoulant à l'aide de cette pompe le fluide du premier réservoir dans le deuxième à une pression supérieure, d'au- tre part pour utiliser-cette énergie en la restituant à la même pompe utilisée comme moteur en recyclant le fluide du deuxième réservoir dans le premier 8 pression plus basse, ledit deuxième réservoir étant constitué comme le premier d'une enceinte étanche entourée d'une succession de moyens élastiques et placé à l'intérieur du premier. 3.- Dispositif de stockage dténergie dans un réservoir selon 1 et 2, caractérisé en ce que la même pompe et le même moteur sont utilisés pour stocker le fluide dans le premier réservoir puis dans le deuxième à pression plus haute, et pour l'utiliser comme fluide moteur en le détendant de la pression du deuxième réservoir à celle plus basse du premier, puis de cette dernière pression à la pression atmosphérique, les circulations de fluide nécessaires étant réalisées à l'aide d'un jeu de vannes approprié. 4.- Dispositif de stockage d'énergie selon 1 et 2 caractérisé en ce que le fluide comprimé dans la pompe est refroidi préalablement par passage dans un échangeur de chaleur avant d'être stocké, et en ce que le fluide sous pression est réchauffé par passage à travers l'échangeur avant d'entre détendu pour fournir de l'énergie mécanique. 5.- Dispositif de stockage d'énergie selon 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens élastiques de stockage soient des enveloppes formées dun matériau susceptible de grandes déformations élastiques tels que les élastomères et affectant une forme sensiblement sphérique sous l'effet d'une pression interne. 5.- Dispositif de stockage d'énergie selon 1 ou 2 et 5, caracté risé en ce que le rapport de l'épaisseur initiale au diamètre initial des enveloppes successives à partir de la deuxième est sensiblement constant, et en ce que les épaisseurs comme les diamètres croissent selon une progression géométrique. 7.- Réservoir suivant t ou 2, caractérisé en ce que enceinte est constituée par une membrane souple ceinturée de courroies etlas- tiques dans aux directions sensiblement perpendiculaires.