Brevet FR2442995A1 — publié le 19800627

Volant d'inertie réalisé en fibres haute résistance permet tant des rapports énergie/poids importants La présente invention concerne la réalisation d'accumulateurs d 'énergie à haute densité massique .L'accumulation se faisant sous forme mécanique dans un volant d'inertie à vitesse périphérique extrèmement élevée . Cette vitesse étant autorisée par la très grande résistance en traction des fibres haute résistance La charge et la décharge pouvant se faire par l'intermédiaire d'une machine tournante électrique A l'heure actuelle on dispose principalement d'accumulateurs chimiques de capacité massique limitée, de l'ordre de 0,025 Kwh/Kg Une autre technique n'ayant eu à l'heure actuelle que peu d'applications est celle de l'accumulation sous forme d'énergie cinétique dans un volant d'inertie .Les capacités massiques actuellement atteintes ne permettant que des utilisations fixes , ou mobiles lourdes (tramway) Le dispositif que nous décrivons permet d'augmenter substantiellement la densité d'énergie , en augmentant la vitesse périphérique du volant d'inertie , et donc en augmentant d'autant les contraintes sur le matériau .En effet ,la quantité d 'énergie emmagasinée dépend de la charge admissible par le matériau et de sa densité suivant la formule : e = mc / d Où m représente la masse exprimée en Kg d la densité en Kg I m3 c la charge admissible à la traction en N / m2 Et e l'énergie stockée en watts En appliquant cette formule à la fibre " Kevlar " actuellement commercialisée par Dupont de Nemours . Fibre dont les caractéristiques sont : limite de rupture en traction : 2900 N / mm2(285Kg/mm2 densité : 1,48 .On obtient une densité d'énergie de 0,27 Kwh/Kg (après changement d'unité) Le dispositif objet de l'invention consiste en un volant d'inertie en forme de couronne , réalisé en fibres haute résistance bobinées circulairement , accouplé à une machine électrique réversible (par exemple alternateur pouvant fonctionner en moteur synchrone) . Les grandes vitesses périphériques obtenues (I400 m/s environ dans l'exemple précédant du Kevlar) nécessitent de travailler sous pression réduite , pour ne pas entrainer de pertes trop importantes ; d'autre part le matériau risquerait de ne pas résister à l'échauffement correspondant .La masse tournante (volant d'inertie et rotor de la machine électrique)est supportée par des paliers pouvant fonctionner sous pression réduite , certains roulements à billes le permettent , ainsi que les paliers magnétiques Notons que dans la réalisation pratique du volant , il est nécessaire de relier les fibres entre elles tout au moins sur la surface extérieure du volant . Cette liaison peut être réalisée par un enrobage de résine (Epoxy) .On pourrait s'irluiéter de voir cette résine arrachée par force centrifuge , il .'en est rien , car ces forces d'arrachement dépendent de l'épaisseur et ne sont que de 1' ordre d'I Kg/mm2 pour une épaisseur d'I mm Notons que l'ensemble (tout au moins pour les installations mobiles) doit être suspendu à la cardan et amorti pour éviter des effets gyroscopiques nuisibles Le volant d'inertie devant présenter une certaine épaisseur , seules les fibres extérieures seront chargées à la limite , il est donc possible de rapprocher les fibres intérieures de la limite en char seyant la face intérieure du volant par un matériau dense et peu motteux (plomb par exemple) , ce faisant on augmente l'inertie presque sans surcoût , en maintenant un rapport énergie stockée / poids important troche de celui des fibres intérieures) La figure représente la réalisation d'un volant d'une capacité de I4 Kwhén,e/prXrmettant d'être récupérée avec un maximum de puissance continue de IO Kw . Pour les dimensions inscrites sur la figure, la vitesse maximum de rotation est d'environ 33.500 tours/mn. Il existe actuellement du matériel (alternateur et roulements à billes) pouvant supporter de telles contraintes sous pression réduite Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé dans l'in dustrie automobile pour la propulsion , en s'affranchissant des conttaintes de poids actuelles (300 Kg pour un faible stockage d' énergie) . D'autre part dans les installations statiques où le poids importe peu , le faible cott à résistance donnée((50 F/Kg) pour les fibres de Kevlar) permet de renforcer des volants réalisés en matériaux de faible cott , et de ce fait de diminuer leur cobt pour une capacité de stockage donnée DisSJsitif isxX permettant de stocker de l'énergie dans un volant d'inertie avec un meilleur rapport énergie/poids que les accumulateu classiques et à prix comparable Ce dispositif est caractérisé par le fait d'avoir une vitesse périphérique importante , justifiée par la revendication 1 Revendication l : renforcement d'un volant d'inertie par des fibres haute résistance , bobinées de façon circulaire Revendication 2 : le meilleur rapport poids énergie sera obtenu en réalisant un volant de faible épaisseur par rapport au diamètre et comportant le plus grand nombre de fibres bobinées possibles . Revendication 3 : utilisation à la date de dépôt du présent brevet de la fibre Kevlar de Dupont de Nemours , pour réaliser les revendications 1 et 2 Revendication 4 : fonctionnement sous pression réduite Revendication 5 : dans le cas de la réalisation d'un volant d'une épaisseur telle que la contrainte des fibres intérieures eoit suffisamment éloignée de leur limite de sécurité , il sera possible de charger l'intérieur du volant par un matériel de haute densité et de faible prix (plomb par exemple) , ce matériel contribuant alors à l'inertie avec un rapport voisin de celui des fibres intérieures