Brevet FR3017664A1 — publié le 20150821

Système inertiel de stockage d'énergie Domaine d'application L'invention est un système inertiel, permettant de stocker temporairement l'énergie sous forme d'énergie cinétique. Il est constitué d'une masse entraînée par un moteur. L'apport d'énergie permet de déplacer la masse à des vitesses élevées. Sans apport d'énergie la masse continue de se déplacer. L'énergie est restituée instantanément en utilisant le système comme générateur d'énergie, par exemple électrique. Les systèmes inertiels sont utilisés dans le but de rendre plus régulier le régime de fonctionnement des machines, en s'opposant aux à-coups dus au moteur entraînant le dispositif 10 ou au récepteur consommant l'énergie transmise. Les systèmes inertiels sont aussi utilisés pour le stockage d'énergie, par exemple dans des alimentations sans interruptions statiques (ASI) et dynamiques (ADI) ("Uninterruptible Power Supply" en anglais) permettant de pallier la rupture de l'alimentation électrique pendant plusieurs secondes et de permettre d'attendre le démarrage d'un groupe de secours. 15 Enfin, de nombreux dispositifs connus sont des systèmes inertiels par nature, comme par exemple une scie circulaire, une toupie, ou une centrifugeuse, ainsi que de très nombreux autres engins tournant à grande vitesse, mais on peut aussi citer des véhicules comme des trains susceptibles de stocker de grandes énergies. Problème posé 20 Les systèmes connus pour le stockage de l'énergie sont rotatifs, et ont un rotor dont l'axe de rotation est matériel. Cet axe repose sur des paliers, et l'ensemble est contenu dans une boite. Les éléments en rotation dans de l'air donnant naissance à des frottements qui augmentent très rapidement avec la vitesse de rotation, et les ingénieurs utilisent une boite cylindrique d'axe parallèle à l'axe de rotation du rotor pour pouvoir faire le vide cette boite, ce qui limite leurs 25 conceptions à des système inertiels de petite taille. Art antérieur La thèse de doctorat de M. Gabriel-Octavian CIMUCA, de l'Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers, intitulée "Système Inertiel de Stockage d'Energie associée à des Générateurs Eoliens" rassemble l'essentiel de l'art antérieur et constitue la base de connaissance la plus pertinente pour 30 l'homme de l'art. Description sommaire des dessins L'invention sera bien comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 4 qui sont toutes des vues de systèmes inertiels selon l'invention. 35 La figure 1 est une vue en perspective d'un système inertiel comportant une carrosserie 1, et un véhicule 2. Le véhicule 2 est un anneau circulant à l'intérieur de la carrosserie 1 dont l'intérieur est un tube également circulaire. Pour rendre cette figure plus explicite, un quart de l'ensemble a été supprimé. On peut aussi apercevoir deux rails 11 et 12 solidaires de la carrosserie 1 sur lesquels roule le véhicule 2. La figure 2 est une vue en perspective d'un système inertiel selon l'invention, comportant une carrosserie 1 fixe, un véhicule 2 et deux séparateurs 31 et 32 qui créent trois volumes : - un volume entre la carrosserie 1 et le séparateur 31 un volume entre le séparateur 31 et le séparateur 32 - un volume entre le séparateur 32 et le véhicule 2 La figure 3 est une vue selon deux perspectives différentes d'un séparateur 31 comportant des écopes 3111, 3112 et suivantes, et un dispositif à coussin d'air 312 permettant au séparateur 31 de ne pas toucher l'élément situé juste à l'extérieur, lequel peut être un autre séparateur par exemple, ou le véhicule 2 ou ladite carrosserie 1. La figure 4 est une vue en coupe dispositif selon l'invention, dans lequel un séparateur 31 comporte des roues 511 512 et 513 dont les axes sont solidaires de ce séparateur 31, et lui permettent de rouler d'une part sur le véhicule 2 et d'autre part sur le séparateur voisin 32. un séparateur 33 comporte des roues 521 522 et 523 dont les axes sont solidaires de ce séparateur 33, et lui permettent de rouler d'une part sur le séparateur voisin 32 et sur la carrosserie 1. On comprend que le mouvement du véhicule 2 par rapport à la carrosserie 1 entraine le mouvement des trois séparateurs à des vitesses de rotation intermédiaires d'autant plus lentes que le séparateur considéré est éloigné du véhicule. Exposé de l'invention L'invention est un système inertiel comportant une partie 1 dite carrosserie qui peut être fixe, une partie mobile 2 dite véhicule, caractérisé par le fait que ladite carrosserie 1 est un profilé creux dans lequel circule le véhicule 2. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le système inertiel comporte au moins une partie mobile 31 dite séparateur séparant le volume compris entre ladite carrosserie 1 et ledit véhicule 2 en deux volumes; - le système inertiel comporte une pluralité de séparateurs 31, 32 et suivants ayant des vitesses différentes, celle d'un séparateur 31 étant intermédiaire entre celles des deux éléments les plus proches de lui (véhicule 2, autre séparateur 32 ou carrosserie 1 selon le cas); - le système inertiel comporte un dispositif à coussin d'air 312 éloignant un séparateur d'un élément voisin (véhicule 2, autre séparateur 32 ou carrosserie 1 selon le cas); ledit véhicule 2 comporte un profilé creux rempli au moins partiellement de béton; ladite carrosserie 1 et/ou un séparateur 31 comporte des zones transparentes; ledit véhicule 2 est sustenté magnétiquement; ledit véhicule 2 a la forme d'un anneau sensiblement circulaire; ladite carrosserie 1 est un profilé de section radiale interne sensiblement circulaire, et ledit véhicule 2 est un profilé de section radiale externe sensiblement circulaire; l'invention est un luminaire mettant en oeuvre l'invention; l'invention est un dispositif comprenant un système inertiel selon l'invention; l'invention est un procédé de stockage d'énergie mettant en oeuvre l'invention. Description détaillée de l'invention Un profilé creux comme par exemple un tube est une forme très efficace pour recevoir de grands systèmes inertiels de stockage d'énergie parcourant son volume intérieur. Le principe de la présente invention consiste à faire circuler dans ce profilé qui sert de carrosserie 1 un véhicule 2, qui peut être un train comportant des wagons ou un anneau unique, et à se passer d'axe de rotation matériel. L'enceinte dans laquelle on cherche à limiter les frottements avec l'air peut donc être beaucoup plus petite que celle d'un stator sous forme de cylindre d'axe parallèle à l'axe de rotation d'un véhicule 2 qui serait un rotor comme dans l'art antérieur. Le véhicule 2 est de préférence sensiblement circulaire pour pouvoir être rigide et donc bien résister à la force centrifuge qui s'exerce sur lui. Cela impose que la carrosserie 1 soit également sensiblement circulaire. Cette forme circulaire a aussi l'avantage d'homogénéiser et donc de limiter la force centrifuge tout le long du parcours du véhicule 2, ce qui ne serait pas le cas si on insérait des lignes droites ou de courbures variables dans le trajet, ce qui peut cependant être fait sans sortir du cadre de la présente invention. Dans une géométrie préférée, le véhicule 2 et la carrosserie 1 ont tous les deux une section sensiblement circulaire pour limiter leur surface de frottement avec l'air situé entre eux, comme représenté à la figure 1. C'est un avantage lorsque la carrosserie 1 est remplie d'air ou d'un gaz plus léger, dans tous les cas à une faible pression pour ne générer que très peu de frottements aérodynamiques. Ce gaz peut aussi être chauffé pour que sa pression baisse. La chaleur résultant des frottement et de l'effet joule d'électro-aimants peut d'ailleurs être mise à contribution pour obtenir cette température élevée du gaz. Cette forme sensiblement circulaire du rotor et de la carrosserie 1 est aussi un avantage lorsque 35 l'on souhaite mettre en oeuvre une autre innovation majeure de la présente invention : une partie tournante 31 dite séparateur séparant le volume compris entre la carrosserie 1 et le véhicule 2 en deux volumes. Le principe de cette seconde innovation consiste à séparer ce volume compris entre le véhicule 2 et la carrosserie 1 en plusieurs volumes, et à faire tourner plusieurs séparateurs à des vitesses 5 angulaires intermédiaires entre celles des deux éléments voisins, afin de diminuer le frottement entre l'air et deux parois adjacentes. Il est possible de disposer un grand nombre de séparateurs de plus en plus grands, comme les deux séparateurs 31 et 32 de la figure 2. La résistance aérodynamique totale est alors la somme des résistances aérodynamiques auxquelles sont soumises les surfaces de la carrosserie 1, du 10 véhicule 2 et des séparateurs, bien plus faible que la résistance aérodynamique du dispositif en l'absence de séparateurs. La résistance aérodynamique entre les parois adjacentes de deux profilés circulaires de même axe de révolution augmentant avec le carré de la vitesse angulaire, cela permet de passer d'une résistance R1 à une résistance R2 qui diminue très rapidement avec l'augmentation du nombre de 15 séparateurs 31, 32 et suivants installés. De nombreux moyens connus peuvent être utilisés pour déterminer la vitesse de rotation des séparateurs. Le plus simple consiste à les laisser acquérir la vitesse optimale par le jeu des frottements entre les couches d'air qui les séparent. Un séparateur peut aussi être muni de roues 51 et 52 pour rouler sur la surface extérieure d'un 20 élément voisin comme le véhicule 2, la carrosserie 1 ou un autre séparateur comme représenté à la figure 4. Une roue peut être fixée sur un séparateur et rouler simultanément sur deux éléments voisins différents, ce qui permet d'étager les vitesses des différents éléments avec régularité. Une autre solution consiste à installer des coussins d'air en lieu et place des roues. On peut prévoir pour cela des écopes 3111 3112 et suivants qui extraient l'air contenu dans un séparateur 25 pour constituer un coussin d'air l'éloignant de l'élément voisin considéré. Une autre série d'écopes de sens inverse (non représentée) peut compenser la perte d'air de l'intérieur du séparateur en prélevant de l'air à l'extérieur de son enceinte. Elle peut aussi servir à constituer un coussin d'air éloignant le séparateur d'un autre l'élément situé à l'intérieur du séparateur considéré. L'air expulsé par un séparateur pour le sustenter en s'opposant à la gravité peut être 30 réinjecté dans le séparateur considéré par les côtés. Il est évidemment possible de laisser tourner la carrosserie 1. Cette organisation est bien adaptée à la conception de toupies qui sont les systèmes inertiels les plus simples, souvent utilisés comme jouets ou comme luminaires. La carrosserie peut également flotter sur un coussin d'eau, pour limiter les effets de mouvements 35 externes qui lui seraient communiqués. Cela s'applique en particulier à la protection des grands systèmes inertiels de stockage d'énergie contre les effets des tremblements de terre. Pour atteindre de grandes vitesses, il est connu d'utiliser des paliers magnétiques de différentes natures. Pour des systèmes inertiels de grande taille, il est plutôt recommandé de munir le véhicule 2 de bobines supraconductrices comme celles utilisées pour faire léviter et propulser certains trains à lévitation magnétique, ou d'autres solutions similaires également connues. Le véhicule 2 peut alors être conçu comme un train à sustentation magnétique dont la tête et la queue se rejoignent pour ne former qu'un seul anneau. Pour des systèmes inertiels de diamètre inférieur à quelques dizaines de mètres et tournant à grande vitesse, il est avantageux que l'axe de rotation du véhicule 2 soit parallèle à l'axe de la terre, pour éviter les efforts dus à la rotation de la terre. De très grands systèmes inertiels de stockage d'énergie utilisent avantageusement un véhicule 2 à axe de rotation vertical et sont de préférence enterrés dans un trou d'une hauteur sensiblement supérieure à celle du véhicule 2, pour que les débris issus d'une éventuelle rupture du véhicule 2, soumis à la force centrifuge, soient absorbés dans la terre. Les matériaux préférés pour le véhicule 2 sont ceux ayant une grande résistance mécanique pour la partie la plus extérieure, et ceux ayant une masse volumique importante pour ceux placés dans la partie la plus proche de l'axe de rotation. On utilisera par exemple de préférence des composites unidirectionnels à fibres de carbone pour l'extérieur, ensuite une couche d'acier, et par exemple du béton pour l'intérieur du véhicule 2. Pour des systèmes de très grande taille qui deviennent possibles à réaliser avec la présente invention, par exemple d'un ou plusieurs kilomètres de circonférence, la force centrifuge est moins importante et l'on peut se contenter de matériaux bon marché comme le béton pour bâtir le véhicule 2. Une solution de construction avantageuse consiste successivement : à creuser le sol pour que le dispositif puisse y être enfoui, - à construire au fond du trou la partie basse et externe de la carrosserie 1, en béton armé, à y assembler ensuite des éléments fabriqués en usine constituant ensemble un anneau profilé creux ouvert en haut, constituant la partie basse du véhicule 2, à remplir cette partie basse du véhicule 2 de béton, - à ajuster l'équilibrage en rotation de cette partie basse du véhicule 2, en ajoutant du béton là où c'est nécessaire, à refermer la partie haute du véhicule 2. à fabriquer la partie haute de la carrosserie 1. L'ensemble peut être recouvert de terre, laquelle peut sans inconvénient continuer à être cultivée. La seule partie devant rester accessible est un chemin de ronde autour de la carrosserie 1, pour pouvoir entretenir les éléments servant à la sustentation magnétique du véhicule 2, et le cas échéant des séparateurs 31 32 et suivants. Ce chemin peut être souterrain. Principaux avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur La géométrie proposée permet de concevoir des systèmes inertiels beaucoup plus grands, 5 donnant lieu pour une même vitesse linéaire d'un élément du véhicule 2 à une force centrifuge beaucoup plus faible. Le prix de revient est lui aussi beaucoup plus faible puisqu'on peut alors se contenter de matériaux moins chers. Pour donner un exemple, un Système Inertiel de Stockage d'Energie (souvent connu sous l'acronyme "SISE") ayant une capacité de l'ordre de 750MW-h peut être constitué d'un anneau en 10 béton ayant une section de 9m2 roulant à moins de 1 000Icm/h dans un tube ayant un diamètre de 3.75 km. Par comparaison, le modèle de SISE le plus répandu à ce jour a une capacité 30 000 fois plus petite. La suppression des difficultés liées au confinement sous vide du véhicule 2 permet des économies considérables. Elle permet aussi l'utilisation de roulements à bille et d'assemblages 15 graissés. La multiplication des séparateurs permet d'atteindre des vitesses relatives très faibles entre deux séparateurs voisins, et donc un très petit nombre de Reynolds. L'écoulement de l'air peut même devenir laminaire, et la résistance devient alors proportionnelle à la vitesse de rotation du véhicule 2 et non au carré de cette vitesse. Applications 20 L'invention s'applique non seulement aux volants d'inertie situés dans l'air ambiant, mais aussi à ceux dont l'intérieur est confiné et rempli d'un vide imparfait ou d'un liquide peu visqueux ou d'un gaz très léger comme l'hélium. Elle concerne toutes les machines tournantes et en particulier les centrifugeuses et les systèmes inertiels de stockage d'énergie ou de régularisation d'un moteur à explosion. 25 On peut citer les volants d'inertie servant à réguler le régime de rotation des moteurs, ceux utilisés dans les machines à concasser les minerais, ceux servant au stockage de l'énergie, par exemple pour les jouets dits à friction, les toupies, les systèmes de récupération de l'énergie de freinage sur les autobus les trains et les voitures de course. Les systèmes inertiels servent aussi à la régulation du courant électrique. 30 Une application amusante est la réalisation de toupies qui peuvent atteindre une grande vitesse. Dans le cas où la carrosserie 1 et le véhicule 2 et/ou certains séparateurs comportent des zones transparentes et des motifs colorés dont certains peuvent aussi être transparents, on peut obtenir des effets de changements de couleur et des moirages donnant l'illusion de motifs se déplaçant dans l'espace, aussi bien à l'intérieur de la toupie qu'à l'extérieur. La carrosserie 1 peut alors ne 35 pas être immobile, mais entrainée en rotation par l'effet de la chaleur d'une bougie ou d'une ampoule électrique, cette chaleur entrainant en rotation une hélice solidaire de la carrosserie 1 ou d'un séparateur. Progressivement, l'ensemble s'anime et son véhicule 2 acquiert une grande vitesse. Cette organisation permet de réaliser des luminaires animés. L'application la plus importante est cependant la construction de systèmes inertiels de stockage d'énergie qui peuvent avoir une très grande taille, permettant de stocker des énergies très importantes, et l'invention est à ce titre appelée à jouer un rôle important pour lisser les courbes de production d'énergie au cours de la journée, et dans le développement des énergies renouvelables comme celles d'origines éolienne, hydrolienne et solaire. REVENDICATIONS1. Système inertiel comportant une partie dite carrosserie 1 qui peut être fixe, une partie mobile dite véhicule 2, caractérisé par le fait que ladite carrosserie 1 est un profilé creux dans lequel circule le véhicule 2. 2. Système inertiel selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une partie mobile 31 dite séparateur séparant le volume compris entre ladite carrosserie 1 et ledit véhicule 2 en deux volumes. 3. Système inertiel selon la revendication 2 caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de séparateurs 31, 32 et suivants ayant des vitesses différentes, celle d'un séparateur 31 étant intermédiaire entre celles des deux éléments les plus proches de lui (véhicule 2, autre séparateur 32 ou carrosserie 1 selon le cas). 4. Système inertiel selon la revendication 2 caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif à coussin d'air 312 éloignant un séparateur d'un élément voisin (véhicule 2, autre séparateur 32 ou carrosserie 1 selon le cas). 5. Système inertiel selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit véhicule 2 comporte un profilé creux rempli au moins partiellement de béton. 6. Système inertiel selon la revendication 1 ou la revendication 2, selon le cas, caractérisé par le fait que ladite carrosserie 1 et/ou un séparateur 31 comporte(nt) des zones transparentes. 7. Système inertiel selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit véhicule 2 est sustenté magnétiquement. 8. Système inertiel selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit véhicule 2 a la forme d'un anneau sensiblement circulaire, que ladite carrosserie 1 est un profilé de section radiale interne sensiblement circulaire, et que ledit véhicule 2 est un profilé de section radiale externe sensiblement circulaire. 9. Dispositif comprenant un système inertiel selon la revendication 1. 10. Procédé de stockage d'énergie utilisant un dispositif selon la revendication 1.