Brevet FR2431788A1 — publié le 19800215

La presente invention a pour Objet un dispositif de stockage inertiel de l'énergie solaire utilisant un volant à inertie variable. Elle trouve une application dans l'ut sation de l'énergie solaire. On sait que l'un~des problemes majeurs posé par l'utilisation de l'énergie solaire est celui du stockage de l'énergie récupérée sous forme électrique. Parmi toutes les solutions envisageables (stockage dans des batteries d'accumulateurs, stockage d'énergiecinétique dans des volants d'inertie ou d'énergie potentielle par élévation d'une masse pesante, stockage chimique, etc...) le stockage inertiel semble être l'une des voies les plus prometteuses car il oonduit à un rendement élevé (de l'ordre de 80%) et a un oodt relativement modique. Un dispositif de stockage inertiel de l'énergie solaire comprend, a priori un volant d'inertie entraîné par un moteur à courant continu alimenté par un convertisseur solaire du genre convertisseur photovoltalque. Mais ces dispositifs présentent, malgré tout, un inconvénient, car ils sont mal adaptés aux variations très importantes que subit le courant délivré par le convertisseur solaire. En effet, au cours d'une même journée, le courant peut fluctuer entre une valeur nulle obtenue en l'absence d'ensoleillement et une valeur maximale correspondant à un fort ensoleillement. Le -couple appliqué au moteur est donc variable dans de grandes proportions et il est très faible notamment en début de matinée. L'accélération de la vitesse de rotation du moteur subit elle aussi les mêmes fluctuations et présente une valeur très faible en début de matinée.Or, le rendement d'un moteur à courant continu dépend de sa vitesse de rotation ; il est faible aux vitesses réduites, il croit jusqu'à atteindre un optimum assez plat, obtenu pour une certaine plage de vitesse, et il décroît ensuite lorsque la vitesse augmente au-deld de cette plage. Dans un dispositif de stockage inertiel à inertie constante, le rendement est donc très faible en début de matinée au démarrage de l'installation, et, plus généralement, chaque fois que la vitesse de rotation du moteur sort de la plage correspondant à l'optimum. Le rendement du moteur n' at- teint son maximum que lorsque le système a atteint une vitesse notable. I1 en résulte que le rendement global de l'installation, pour satisfaisant qu'il soit en oemparaison d'autres méthodes de stockage, n'est pas à son maximum. Par ailleurs, le démarrage d'un dispositif de stockage inertiel à inertie constante et élevée est difficile, voire impossible avec des couples faibles. La présente invention a justement pour objet un dispositif de stockage inertiel qui évite cet inconvénient et qui permet d'accroître le rendement de l'installation de stockage, en particulier pour les cycles journaliers. A cette fin, le dispositif de l'invention est muni d'un volant dont l'inertie n'est plus fixe mais variable, celle-ci étant très faible au démarrage du moteur et croissant avec la vitesse du moteur jusqu'à une valeur maximale qui est atteinte lorsque la vitesse du moteur tombe dans la plage od le rendement du moteur est maximal. De préférence, ce volant à inertie variable est constitué par un récipient -de forme évasée et de révolution autour d'un axe qui est l'axe-de rotation vertical du volant, ledit récipient oontenant une charge fluide. De toute façon les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins an nexés sur lesquels - la figure 1 représente la courbe de variation du rendement d'un moteur à courant continu en fonction de sa vitesse de rotation - la figure 2 représente schématiquement un dispositif de stockage inertiel selon l'invention Sur la figure 1 est représentée une courbe qui illustre les variations du rendement R d'un moteur à courant continu, en fonction de la vitesse N de rotation dudit moteur. Cette oourbe fait apparaître une plage correspondant aux deux vitesses comprises entre deux valeurs N1 et N2, dans laquelle le rendement présente une valeur maximale. En dehors de cette plage le rendement est plus faible, notamment pour les faibles vitesses de rotation où il tombe très rapidement lorsque la vitesse de rotation décroît. Pour obtenir un stockage inertiel à haut rendement, même lorsque le courant délivré par le capteur solaire est d'intensit fatble on utilise, selon l'invention, un dispositif qui présente une faible inertie au amarrage, de telle sorte que la vitesse du moteur puisse augmenter rapidement et tomber au début de la plage N1-N2 correspondant au rendement maximal malgré le faible couple imprimé au moteur. Lorsque l'énergie à stocker s'élève, c'est-à-dire, en pratique, lorsque le capteur solaire délivre un courant électrique plus important, l'inertie du dispositif de l'invention augmente afin que la vitesse de station du moteur ne sorte pas de la plage optimale. En d'autres termes, le stockage inertiel selon l'in- vention s'effectue à vitesse sensiblement constante et à inertie variable. Réciproquement la restitution de l'énergie se fait à vitesse pratiquement constante ce. qui est un avantage. Ces oonditions sont tout à fait compatibles ave les caractéristiques de fonctionnement des ~convertisseurs photo voltaSques car on sait que ces dispositifs fournissent pme tension électrique quasi-constante au cours de la journée (1' écart de tension n' excède guère 15%) alors que le courant qu'ils délivrent varie dans de grandes proportions (de O à 100%) en fonction de l'éclairement. Pour la restitution de l'énergie, les conditions sont compatibles avec les caracte- ristiques des alternateurs et dynamos. Un mode de réalisation privilegié du volant à inertie variable-selon l'invention est représenté ourla figure 2. Ce volant est constitué pàr un récipient 2 présentant une forme évasée et de révolution autour d'un axe vertical 4, qui constitue en même temps un axe de rotation pour le récipient. Ce récipient est rempli partiellement d'une charge fluide 6 oonstituée, par exemple, par des billes en matériau lourd (plomb, tungstène, uranium, etc...). Le récipient 2 avec sa charge est entraîné en rotation par un moteur 8 à courant continu et à faibles pertes, qui est alimenté par un capteur solaire 10, du genre convertisseur photovoltarque. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. A l'arrêt, la charge 6 est rassemblée à la partie inférieure du récipient qui présente un faible diamètre #1 L'inertie du volant constitué par le récipient et sa charge presente alors une valeur minimale. Lorsque le moteur 8 entraîne en rotation le volant, chaque bille est soumise à une force centrifuge qui la sollicite vers le haut le long de la paroi du récipient 2. Le moment d'inertie du volant augmente donc avec la vitesse de rotation du volant. Il devient maximal lorsque la charge se rassemble dans la partie de fort diamètre #2 Le profil du récipient 2 est déterminé de telle sorte que la vitesse de rotation de l'ensemble tombe dans la plage N1-N2 correspondant au rendement maximal. A titre explicatif, on peut utiliser une charge de 50 kg constituée par des billes de tungstène de 1 imu de diamètre. Cette charge est répartie à l'arrêt sur un diamètre #1 = 6 cm sur une hauteur de 1 m. A 1' inertie maximale cette charge est répartie sur un diamètre #2 = 1,20 m. Les inerties correspondant à ces deux cas extrêmes sont dans un rapport 20. Avec N1 = 2000 tours/mn et N2 = 5000 tours l'énergie stockée par 5000 2 un tel système varie dans un rapport 20.(2000) # 120.Ce très grand rapport permet une bonne adaptation du dispositif de stockage aux fluctuations d'énergie solaire et notamment à la croissance matinale de oelle-ci : à 5000 toursfrin les 50 kg de charge répartis sur 2 m 1 m 20 stockent une énergie de lkWh et à 2000 tours/mn, les 50 kg répartis sur #1 = 6 an stockent 8wh. A titre explicatif, un panneau solaire de I m2 de superficie fournit 100 W sous forme électrique à midi et peut entraîner un moteur & 2000 tours/mn après 20 mn d'éclairement pour #1 = 6 cm. Il va de soi que tous les perfectionnements déjà utilisés dans les systèmes inertiels peuvent entre utilisés dans le dispositif de l'invention : le système peut entre placé dans une cloche à vide pour minimiser les frottements et il peut en outre posséder des paliers à huile & faible tension de vapeur ou à coussin d'air ou encore des paliers de type magnétique. il va de soi également que le convertisseur photovoltaïque peut être disposé autrement que dans la variante illustrée sur la figure 2. ll peut, par exemple, étre fixé sur le volant d'inertie, au niveau de son plus grand diamètre, auquel cas il tourne avec le volant. Commue dans tous les systèmes de stockage inertiel, le moteur peut être utilisé en dynamo pour l'utilisation de l'energie stockée. Dans le montage & panneau fixe, comme celui qui est illustré sur la figure 2, le système de stockage. peut être monté en tampon. REVENDICATDONS 1. Dispositif de stockage inertiel de l'énergie solaire, comprenant un volant d'inertie entrains par un moteur a courant continu à faibles pertes alimenté par un convertisseur solaire photovoltaSque, caractérisé en ce que ledit volant est à inertie variable en fonction de la vitesse de rotation du moteur, l'inertie étant très faible au démarrage du moteur et croissant avec la vitesse. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que ladite inertie croit jusqu'd une valeur maximale atteinte lorsque la vitesse du moteur tombe dans une plage où le rendement du moteur est maximal. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volant d'inertie- est constitue par un récipient de forme évasée et de révolution autour d'un axe qui est un axe de rotation vertical pour le volant, ledit récipient contenant une charge fluide. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en oe que la charge contenue dans le récipient est oonstituée par des billes en matériau lourd.