Brevet FR2944836A1 — publié le 20101029

-1- � Dispositif de stockage inertiel d'énergie � La présente invention concerne un dispositif d'accumulation inertielle d'énergie pouvant être appliqué à tout domaine où il est nécessaire de pouvoir réguler et/ou stabiliser une production 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 25 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 30 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. 20 2944836 -2- 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 5 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 crucial. La société 10 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 15 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 propose de réaliser un système de stockage inertiel d'énergie basée sur différentes technologie innovante permettant de créer un volant d'inertie ayant un rendement élevé et un coût de fabrication très compétitif. Les technologies de bases qui sont exploitées sont les suivantes : Plutôt que d'utiliser des roulements à billes standard, comme c'est le cas pour les volant d'inertie à faible vitesse de rotation, ou bien des supports électromagnétiques, comme c'est le cas pour les volant d'inertie à haute vitesses de rotation, la présente invention est conçu pour être supporté par une pression de gaz appliquée sur la face inférieure (4) du rotor (2) et permettant de compenser au moins partiellement le poids du volant. - Le gaz utilisé peut être simplement de l'air, mais afin de minimiser davantage les pertes par frottement, il est possible d'utiliser de l'hélium ou de l'hydrogène. 30 2944836 -3- - Un joint de type labyrinthe (11) est disposé entre la surface extérieure du volant d'inertie (12) et la surface intérieur de son bâti fixe (11). Le gaz passant à travers le labyrinthe et atteignant le niveau supérieur du rotor est alors aspiré par un compresseur (24). 5 - Un système de refroidissement du gaz (23) (intercooler) peut être mis en place dans le système afin d'en améliorer le rendement global. - La pression nécessaire pour le fonctionnement de ce système, est de l'ordre de 0.5 à 0.6 bars, en fonction du poids et de l'aire de la surface (4) où s'applique la pression du gaz du rotor (2) à supporter. Avec un 10 tel système de support, les guidages (6) et (7) sur lesquels sont monté le rotor (2), ne sont nécessaires que pour maintenir le rotor sur son axe de rotation. Ils ne supportent, théoriquement, aucune charge axial ni radial. 15 Ce type de concept, permet de supporter une large variété de rotor allant de quelques milliers de kilogrammes jusqu'à des rotors de grande capacité de l'ordre de 50 tonnes. Un moyen de freinage de l'écoulement du gaz (11) est mis en place dans le 20 système afin de limiter le débit de gaz nécessaire au fonctionnement. Ce moyen de freinage de l'écoulement du gaz (11) est basé sur deux principes majeurs : Le rotor (2) lui-même est d'une forme conique de telle sorte que lorsque la pression est établie en dessous de celui-ci, le rotor monte légèrement créant un jeu entre la surface périphérique (12) du rotor et la surface interne (11) de la cage dans laquelle est placé le rotor. Ce jeu autorise ainsi un débit de fuite du gaz et permet alors de réguler naturellement la hauteur de vol du rotor. - L'étanchéité entre le rotor (2) et le bâti en béton (1) est réalisé à l'aide d'un empilement de fines plaques d'étanchéité (14) (environ 1 ou 2 mm) ayant un bord arrondi et centrées dans le bâti (1). Les plaques d'étanchéité (14) sont séparées par des plaques séparatrices (15) plus épaisses (environ 5 mm) en retrait par rapport aux plaques d'étanchéités et elles aussi centrées dans le bâti en béton (1). Cela 25 30 2944836 -4- forme alors une série de chambres (16), formant le joint de type labyrinthe (11). Les bords arrondis réalisés sur les plaques d'étanchéité (14) permettent de 5 réduire les turbulences du gaz aux passages d'une chambre (16) à l'autre. Ceci permet de limiter les pertes par frottement dans ces zones et donc de limiter l'échauffement du gaz. Selon la capacité énergétique nécessaire à une application donnée, la masse 10 inertielle du volant peut être réalisé en béton renforcé contenu dans un cerclage lui apportant la résistance nécessaire. Ce cerclage, relativement facile et peu cher à réaliser, peut être en acier ou en carbone. Le rotor (2) est guidé sur un axe fixe (3) à l'aide de deux roulements à aiguilles 15 (6) et (7) situés aux extrémités inférieure supérieure du rotor (2). Le fait d'utiliser des roulements à aiguilles permet au rotor de translater sur son axe de rotation, ce qui est nécessaire au bon fonctionnement du système de sustentation décrit précédemment. 20 L'énergie stockée dans le volant d'inertie est transférée vers l'extérieur du système par l'intermédiaire d'un moyen d'entrainement mécanique qui peut être particulièrement un pignon conique (17). Le moyen d'entrainement mécanique extérieur est monté en rotation libre 25 relativement à l'axe fixe (3) de rotation du volant d'inertie afin de ne pas transmettre un quelconque effort radial sur l'axe de rotation du volant d'inertie. Le moyen d'entrainement mécanique extérieur est connecté au volant d'inertie par l'intermédiaire d'un accouplement mécanique transmettant la puissance d'un organe à l'autre et permettant un mouvement de translation axial relatif entre ces deux organe. Cet accouplement est obtenu à l'aide d'un joint homocinétique (20) de type tripode pouvant comporter plus de 3 billes. 2944836 -5- Les figures 6 et 7 montrent les éléments principaux d'une application particulière du volant d'inertie faisant l'objet de la présente invention. Dans cette application le volant d'inertie est intégré dans une unité de production et de régulation d'énergie électrique. 5 Le volant d'inertie utilise le concept innovant décrit précédemment le rendant très fiable et compétitif au niveau de son coût de fabrication. La puissance est transmise du volant d'inertie vers une génératrice principale (25) par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse (26) (transmission à variation continue). Le 10 variateur (26) est connecté à la sortie du volant d'inertie par un engrenage conique (17), permettant ainsi de placer la génératrice (25) et la machine électrique de contrôle (27) sur un axe horizontal. Il est de ce fait plus facile d'utiliser des machines électriques standards. 15 D'une manière générale, le dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, comprend un bâti (1), et au moins un volant (2) monté en rotation relativement au bâti (1) autour d'un axe de rotation (3). Des moyens sont prévus pour exposer au moins une face (4) du volant à une pression de gaz générant par comparaison avec la pression appliquée à une face sensiblement opposée (5), une force de pression différentielle ascendante 20 compensant au moins partiellement le poids du volant (2). De préférence : - le guidage en rotation du rotor (2) est réalisé à l'aide d'un axe fixe (3), sur lequel sont réalisées deux pistes (6) et (7) de roulements à aiguilles (8) et (9) parfaitement coaxiales ; - une butée à rouleaux (10) est située en dessous du rotor (2) ; en cas de défaillance 25 du système de lévitation elle permet de ne pas endommager le système ; - l'axe de rotation fixe (3) est directement monté aux deux extrémités du bâti (1) du volant d'inertie (2) ; - le volant d'inertie (2) est maintenu à une hauteur de vol contrôlée par une pression de gaz fournie par un compresseur et appliquée à la face (4) exposée du 30 volant et l'autre face (5) est raccordée pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre côté des moyens de freinage d'écoulement du gaz (11) ; - la paroi extérieure (12) du rotor (2), ainsi que la paroi intérieure (11) des moyens de freinage de l'écoulement du gaz (11) situés à la périphérie du rotor (2) sont de forme conique ; cela permet de contrôler naturellement la hauteur de vol du rotor (2) - le montage du pignon conique (17) est réalisé par deux roulements à billes à contact oblique (18) et (19) permettant de réaliser un bon guidage en rotation dans un minimum d'espace axial ; - la connexion entre le rotor (2) et le pignon conique (17) de sortie est réalisée par un joint homocinétique (20) (type tripode) qui permet de transmettre l'énergie du rotor (2) vers le pignon conique (17) tout en gardant une possibilité de mouvement de translation du rotor (2) relativement au pignon conique (17) ; et - les étanchéités au niveau de la connexion du rotor (2) avec le pignon conique (17) sont réalisées à l'aide d'au moins un joint à lèvre flexible (21) et (22).45 Revendications1 Dispositif d'accumulation inertielle d'énergie, comprenant un bâti (1), et au moins un volant (2) monté en rotation relativement au bâti (1) autour d'un axe de rotation (3), caractérisé par des moyen pour exposer au moins une face (4) du volant à une pression de gaz générant par comparaison avec la pression appliquée à une face sensiblement opposée (5), une force de pression différentielles ascendante compensant au moins partiellement le poids du volant (2) 210 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guidage en rotation du rotor (2) est réaliser à l'aide d'un axe fixe (3), sur lequel sont réalisés deux pistes (6) et (7) de roulements à aiguilles (8) et (9) parfaitement coaxiales. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une butée à 15 rouleaux (10) est située en dessous du rotor (2) en cas de défaillance du système de lévitation et permettant de ne pas endommager le système 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de rotation fixe (3), est directement monté aux deux extrémités du bâti (1) du volant d'inertie (2). 20 5 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volant d'inertie (2) est maintenu à une hauteur de vol contrôlée par une pression de gaz fournie par un compresseur et appliquée à la face (4) exposée du volant et l'autre face (5) est raccordée pour véhiculer le gaz se trouvant de l'autre coté des moyens de freinage 25 d'écoulement du gaz (11). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de freinage d'écoulement du gaz (11) comprennent au moins un joint à labyrinthe 730 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les joints à labyrinthe sont constitués d'un empilement de plaques (14) et (15) montées dans le bâti (1) fixe et formant un ensemble de chambres réalisant des moyens de freinage d'écoulement du gaz (11). 835 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la proximité de la paroi intérieure (13) des plaques d'étanchéité (14) et (15) avec la paroi extérieure (12) du rotor (2) permettent d'obtenir un moyen de freinage de l'écoulement du gaz (11) important 940 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la géométrie particulière de la paroi intérieur (11) des plaques d'étanchéité (14) à proximité avec la paroi extérieure (12) du rotor (2) permet de minimiser les perturbations du gaz dans ces zones, et ainsi de limiter les pertes par frottement et l'échauffement du gaz. 1415 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la paroi extérieure (12) du rotor (2), ainsi que la paroi intérieur (11) des moyens de freinage de l'écoulement du gaz (11) situé à la périphérie du rotor (2) sont de forme conique. Cela permet de contrôler naturellement la hauteur de vol du rotor (2). 2944836 -7- 11 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un pignon conique (17) est monté en rotation relative sur l'axe fixe (3) du rotor (2) et permet de transférer l'énergie disponible vers un axe horizontal situé à l'extérieur du système. 125 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le montage du pignon conique (17) est réalisé par deux roulements à billes à contact oblique (18) et (19) permettant de réaliser un bon guidage en rotation dans un minimum d'espace axial. 1B Dispositif selon l'une des revendication 1 ou 12, caractérisé en ce que la connexion entre le rotor (2) et le pignon conique (17) de sortie est réalisé par un joint homocinétique (20) (type tripode) qui permet de transmettre l'énergie du rotor (2) vers le pignon conique (17) tout en gardant une possibilité de mouvement de translation du rotor (2) relativement au pignon conique (17). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étanchéités au niveau de la connexion du rotor (2) avec le pignon conique (17) sont réalisées à l'aide d'au moins un joint à lèvre flexible (21) et (22) 15 14