Brevet FR2466638A1 — publié le 19810410

L'invention concerne le stockage d'énergie et s'applique tout particulièrement, mais non exclusivement, aux formes d'énergie à débit épisodique, telle l'énergie solaire. Différentes formes de stockage d'énergie ont été proposées (accumulateurs électriques, ou accumulation de chaleur notamment), sans donner entière satisfaction, car leur possibilité d'accumulation d'énergie, leur rendement, et/ou leur durée de vie, s'avèrent insuffisants compte-tenu de la complexité des moyens mis en oeuvre. La présente invention vient proposer une solution simple dans son principe, sûre, et facilement adaptable à des besoins de toute nature. L'installation proposée utilise de l'énergie mécanique de rotation, qui provient directement ou indirectement de l'excédent d'énergleproduite par une source d'énergie à l'égard des besoins. Ainsi par exemple une source telle qu'un four solaire peut chauffer de la vapeur d'eau qui alimente une turbine et un alternateur pour fournir de l'électricité ; l'excédent d'énergie disponible sur les besoins peut être dérivé soit au niveau de la turbine, soit sous forme électrique - à travers un moteur -, pour fournir de l'énergie mécanique de rotation. Une derivation analogue de l'énergie mécanique disponible en excès, peut être prévue avec une source d'énergie éolienne, hydraulique, maré-motrice, thermi que. classique, géothermique, thalasso-thermique ou encore atomique. On dispose donc ainsi d'une quantité connue d'énergie mécanique de rotation. - L'installation selon l'invention comprend une unité de stockage d'énergie comportant au moins une masse solide et pesante, de valeur prédéterminée, mobile verticalement sur une course prédéterminée sous l'effet de la rotation d'un tambour, lesdites valeur et course prédéterminées étant choisies d'après les fluctuations tant des besoins que de l'énergie disponible, une première transmission mécanique débrayable apte à appliquer ladite énergie mécanique au tambour pour faire remonter la masse1 une seconde transmission mécanique débrayable apte à restituer de l'énergie tout en laissant descendre ladite masse, et des moyens pour freiner ladite masse au moins lorsque ni l'une ni l'autre des deux transmissions mécaniques n'est en service. Dans le mode de réalisation considéré actuellement comme le meilleur, la seconde transmission mécanique est à vitesse variable, et est accouplée à un alternateur. De préférence la première transmission mécanique comprend un dispositif à vitesse variable, tel qu'au moins une bofte de vitesses électromécanique. Très avantageusement les moyens de freinage de a première masse sont d'un type à récupération d'énergie, et il est prévu une seconde masse solide et pesante de valeur prédéterminée inférieure à celle de la première ainsi que des moyens auxiliaires aptes à utiliser l'énergie récupérée au freinage pour faire remonter la seconde masse. Dans un mode de réalisation particulier, les moyens de freinage comprennent un frein pneumatique- et un moteur électro-pneumatique, et lesdits moyens auxiliaires comprennent une troisième transmission mécanique débrayable à vitesse variable. Plus particulièrement encore, la troisième transmission mécanique est également susceptible d'appliquer ladite énergie mécanique en excès au second tambour associée à la seconde masse, de manière à faire remonter celle-ci, au moins lorsque la première possède toujours de l'énergie disponible. A son tour, la seconde masse est avantageusement associée ellé aussi à une transmission mécanique à vitesse variable qui la relie à l'alternateur, ainsi qu'à des seconds moyens de freinage actifs au moins lorsque ni la troisième transmission mécanique ni celle mentionnée en dernier lieu n'est en service. De préférence, il est prévu un dispositif électronique de commande relié aux transmissions électromécaniques ainsi qu'aux dispositifs de freinage. I1 est souhaitable que le dispositif électronique de commande soit également relié à l'alternateur ainsi qu'à l'entrée de l'installation, de manière à connaître l'énergie disponible en excès ou bien qui fait défaut. L'invention concerne aussi l'application d'une installation telle que définie ci-dessus à une source d'énergie intrinséquement épisodique,et périodique, telle que l'énergie solaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence au dessin annexé, donné à titre d'illustration non limitative de l'invention, et dont la figure unique-est le schéma d'un mode de réalisation. de l'installation proposée. La référence numérique 30 désigne l'unité qui convertit l'énergie en excès en énergie mécanique de rotation . On peut réaliser par exemple une conversion d'énergie solaire en électricité, l'excédent d'électricité sur les besoins étant appliqué à un moteur électrique, illustré alors par l'unité 30, et accompagné d'une botte électromécanique, le cas échéant. Si l'énergie en excès est disponible directement sous forme de rotation, prélevée par exemple sur l'arbre d'une turbine, l'unité 30 peut alors comprendre seulement un dispositif d'adaptation de vitesse, telle qu'une boîte électromécanique. D'autres variantes sont permises à partir des différentes formes d'énergie énoncées plus haut, étant observé que la sortie de l'unité 30 seratoujours de l'énergie mécanique de rotation. L'unité 30 est reliée électriquement à une unité électronique de commande centrale, 35, avantageusement du type logique de commande, et fondée par exemple sur un microprocesseur. Cette liaison, qui peut aussi provenir pour partie d'éléments situés en amont, a pour but d'indiquer à l'unité centrale 35 la quantité d'énergie disponible et le couple de rotation correspondant. L'unité 35 reçoit par ailleurs, le cas échéant, l'indication de besoins d'énergie non satisfaits par la source d'énergie solaire, notamment en l'absence d'enso leillement. Un premier dispositif débrayable à vitesse variable 31, commandé par l'unité 35, relie le moteur 30 à un tambour 11, qui peut alors tourner dans le sens des aiguilles dune montre pour remonter la masse solide et pesante 10, constituée par exemple d'un nombre choisi de blocs modulaires en béton. La course de la masse 10 est définie par des limites prédéterminées. Des liaisons (non représentées) informent avantageusement l'unité centrale 35 de ce que la masse 10 est en butée inférieure ou supérieure. Inversement, la masse 10, redescendant, peut faire tourner le tambour 11 dans le sens trigonométrique pour actionner, à travers un second dispositif débrayable à vitesse variable 32, et éventuellement d'autres organes de liaison, une génératrice électrique 36 telle qu'un alternateur ou une génératrice asynchrone. Les deux dispositifs 31 et 32 peuvent être constitués de bottes de vitesses électromécaniques à quatre rapports, placées sous le contrôle de l'unité centrale 35. Lorsque ni l'une ni l'autre des transmissions mécaniques débrayables 31 et 32 n'est active, un frein 12 vient immobiliser le tambour 11 et/ou la masse 10, de façon commandée par l'unité électronique 35. Avantageusement le frein 12 est d'un type à récupération d'énergie, par exemple un frein pneumatique, auquel est associé un moteur électropneumatique 13. Par ailleurs, on notera que, sur le schéma de la Figure 1, en aval de la boite électromécanique 32, l'arbre de gros diamètre qui tourne dans le sens trigonométrique relie, de préférence directement, la boîte 32 à l'alternateur 36. D'un autre côté, un arbre de petit diamètre relie le moteur électropneumatique 13 à la boîte éloctro- mécanique 32, qui est à son tour reliée par un arbre de petit diamètre tournant dans le sens des aiguilles d'une montre au tambour 21 d'une seconde masse solide et pesante 20, de valeur plus faible que la première (en supposant égales les courses des deux masses). Comme la pre mitre, la seconde masse, de valeur prédéterminée, peut être constituée d'un nombre choisi de blocs modulaires en béton armé. Le dispositif selon l'invention ayant vocation à être inséré dans une enceinte unique constituant un module de stockage d'énergie, les courses des deux masses 10 et 20 sont avantageusement égales ou sensiblement égales. Dans ce cas, la masse 20 est de valeur environ 10 fois plus faible que la masse 10, de préférence. Par ailleurs, comme la première, la masse 20 est équipée d'indicateurs de butée en fin de course (non représentés), reliés à l'unité centrale 35. On notera également que la troisième transmission débrayable à vitesse variable, définie comme étant entre le moteur d récupération 13 et la seconde masse 10, se confond ici avec la seconde transmission débrayable à vitesse variable, définie entre la première masse 10 et la génératrice 36. Bien entendu, on peut séparer ces deux transmissions ; toutefois, en les réunissant, il devient possible, lorsque la masse 10 est en butée supérieure, ayant donc stocké son maximum d'énergie, d'utiliser un reliquat d'énergie de la source pour faire remonter la masse 20, le cas échéant. A l'instar de la première, cette masse 20 peut également coopérer avec un quatrième dispositif débrayable à vitesse variable 34, tel qu'une botte électromécanique à quatre rapports, pour restituer son énergie, ici à l'alternateur, comme l'indique l'arbre de petit diamètre entre les blocs 21, 34 et 36, cet arbre touant maintenant dans le sens trigonométrique. Comme la troisième transmission 32, la quatrième 34 est sous le controle de l'unité centrale 35, et, au moins lorsque ni l'une ni l'autre de ces transmissions ne coopère avec la masse 10 et son tambour 21, l'unité de commande 35 actionne un frein 22, de préférence pneumatique, qui immobilise la masse 20 , comme c'était le cas pour la première. Dans une variante simple de l'invention, on peut prévoir à nouveau une récupération de l'énergie de freinage de la masse 20, pour remonter une troisième masse, et ainsi de suite, le nombre de masses dépendant du volume global d'énergie stockée, ainsi que des valeurs des différents sauts possibles dans les besoins en énergie (sauts faibles pour l'éclairage, ou au contraire forts pour le chauffage, par exemple). A cet effet, l'unité centrale 35 est également reliée à l'alternateur 36, pour adapter son fonctionnement aux besoins1 lorsque l'énergie de l'une ou l'autre des masses lui est appliquée. L'alternateur peut alimenter notamment un dispositif de conversion thermique 37, capable de produire de 1'eau chaude courante, de l'eau chaude pour le chauffage et de l'eau froide pour le conditionnement d'air, le dispositif 37 est avantageusement contrôlé lui aussi par la logique de coiiunande 35. On peut ainsi résumer le fonctionnement de l'ensemble de l'installation - En cas d'ensoleillement maximal ou de toute autre fourniture importante d'énergie, celle-ci est partiellement utilisée par remontée de la masse 10 - En cas de non ensoleillement ou d'arrêt de la source principale d'énergie, la masse 10 mise automatiquement en marche fournit l'énergie nécessaire directement à l'alternateur qui alimente des unités de consommation. Tenant compte de ce que cette fourniture d'énergie peut varier en fonction de l'ensoleillement ou d'une énergie moindre fournie, la boîte électro-mécanique de 3 ou 4 rapports, permettra de fournir à l'alternateur la vitesse constante nécessaire à son bon fonctionnement. Une solution analogue s'applique si la génératrice 36 est du type asynchrone. Dans le cas de besoins moindres (période nocturne ou arrêt des installations d'utilisation) la masse 20 se met en route et, par l'intermédiaire d'une boite électro-mécanique, fournit à l'alternateur une énergie suffisante, temporairement le cas échéant. Lorsque la masse 20 arrive en fin de course, la masse 10 est automatiquement mise en fonctionnement et fournit l'énergie nécessaire à la remontée de la masse 20 et à l'alimentation de l'alternateur en fonction de ses besoins. Le système de freinage pneumatique 12, 13 permettra d'une part de freiner la descente de la masse principale 10 tout en fournissant l'air comprimé superflu au moteur électro-pneumatique 13 dont l'énergie sera utilisée en partie à la remontée de la masse 20. L'ensemble des transmissions électro-mecaniques est contrôlé dans leur déclenchement ou leur arrêt par le micro-ordinateur 35. A la sortie de l'alternateur, le courant fourni sera utilisé - d'une part pour l'électricité nécessaire - d'autre part pour le groupe 37 fournissant l'ensemble des fluides nécessaires (eau chaude et/ou froide). En-pratique, les schémas de fonctionnement peuvent être établis a' à avance suivant les besoins par- ticuliers de chaque usager, et mémorisés dans l'unité centrale 35. Pour certaines applications, on pourra utiliser une seule masse pesante, en supprimant les éléments 20 à 22, et éventuellement 34. Les besoins sporadiques de faible amplitude pourront alors être satisfaits par d'autres réserves (stockage d'eau chaude ou accumulateurs électriques par exemple), alimentés directement par la source d'énergie, ou de préférence par l'intermédiaire de la masse principale 10 et de sa récupération d'énergie au freinage 13, le moteur électropneumatique étant alors associé à une petite génératrice ou dynamo pour produire de l'électricité , ou remplacé par des moyens équivalents. L'installation selon l'invention a principalement vocation à être réalisée sous la forme de modules de stockage d'énergie dont les masses sont adaptées à chaque utilisation (en faisant varier le nombre des blocs de béton modulaires), les autres éléments pouvant être standardisés. Ces modules s'ajoutent alors aux installations existantes de production d'énergie. Toutefois, l'invention peut également s'appliquer avec, en plus des éléments illustrés sur la figure, une liaison directe entre la source d'énergie et l'alternateur, les masses intervenant pour stocker l'énergie excédentaire et la restituer lorsque l'énergie fait défaut. Comme précédemment indiqué, l'invention s'applique particulièrement bien avec des capteurs solaires. Ceux-ci peuvent être de tout type, mais on préfère actuellement des capteurs fixes constitués de trois cônes en acier inoxydable poli qui, avec leurs tubes absorbeurs, sont orientés vers l'est, le sud, et l'ouest, respectivement. On évite ainsi les délicats mécanismes d'orientation du capteur solaire. Par ailleurs, l'invention est susceptible de nombreuses autres variantes : ainsi, par exemple, les masses peuvent être guidées et se trouver alors inclinées sur la verticale, ou encore logées dans des puits naturels ou artificiels. A la conception, l'installation sera conçue en fonction de l'ensoleillement local ; un excès d'énergie disponible de 20 à 30% par exemple devra être assuré pendant une proportion suffisante du temps de fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Installation de stockage d'énergie, destinée à coopérer avec une source d'énergie, et dans laquelle l'excès d'énergie produite sur les besoins est disponible sous forme d'énergie mécanique de rotation, caractérisée par le fait qu'elle comprend une unité de stockage d'énergie comportant au moins une masse solide et pesante, de valeur Pédéterminée, mobile verticalement sur une course prédéterminée sous l'effet de la rotation d'un tambour, lesdites valeur et course prédéterminées étant choisies d'après les fluctuations tant des besoins que de l'énergie disponible, une première transmission mécanique débrayable apte à appliquer ladite énergie mécanique au tambour pour faire remonter la masse, une seconde transmission mécanique débrayable apte à restituer de l'énergie tout en laissant descendre ladite masse, et des moyens pour freiner ladite masse au moins lorsque ni l'une ni l'autre des deux transmissions mécaniques n'est en service. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la seconde transmission mécanique est à vitesse variable, et est accouplée à une génératrice électrique telle qu'un alternateur ou une génératrice asynchrone. 3. Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la première transmission mécanique comprend un dispositif à vitesse variable, tel qu'au moins une boîte de vitesses électromécanique. 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les moyens de freinage de la première masse sont d'un type à récupération d'énergie, et qu'il est prévu une seconde masse solide et pesante de valeur prédéterminée inférieure à celle de la première ainsi que des moyens auxiliaires aptes à utiliser l'énergie récupérée au freinage pour faire remonter la seconde masse. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les moyens de freinage comprennent un frein pneumatique et un moteur électropneumatique, et que lesdits moyens auxiliaires comprennent une troisième transmission mécanique débrayable à vitesse variable. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la troisième transmission mécanique est également susceptible d'appliquer ladite énergie mécanique en excès au second tambour associée à la seconde masse, de manière à faire remonter celleci au moins lorsque la première est en bout de course supérieur. 7. Installation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée par le fait que la seconde masse est associée elle aussi à une transmission mécanique à vitesse variable qui la relie à l'alternateur, ainsi qu'à de seconds moyens de freinage actifs au moins lorsque ni la troisième transmission mécanique ni celle mentionnée en dernier lieu n'est en service. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'il est prévu un dispositif électronique de commande relié aux transmissions électromécaniques ainsi qu'aux dispositifs de freinage. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le dispositif électronique de commande est également relié à l'alternateur, ainsi qu'à l'entrée de l'installation, de manière à connaître l'énergie disponible en excès ou bien qui fait défaut. 10. Application d'une installation selon l'une des revendications 1 à 9 à une source d'énergie intrinséquement épisodique, et périodique telle que l'énergie solaire.