Brevet FR3053412A1 — publié le 20180105

ACCUMULATEUR GRAVITATIONNEL MULTICELLULAIRE ET PROCÉDÉS ASSOCIÉS. INTRODUCTION Il existe sur le marché plusieurs solutions de stockage d'énergie, mais les solutions présentes sur ce marché ne semblent pas couvrir une demande qui est soutenue du fait du développement important des moyens de génération d'énergie renouvelable réputée intermittente. La majorité de ces solutions sont par ailleurs mises en oeuvre par la puissance électrique produite et fournie par lesdits moyens de génération d'énergie renouvelable. L'originalité de la solution ici présentée est qu'elle peut également être mise en oeuvre directement par la puissance mécanique obtenue par la source d'énergie renouvelable, par exemple par une éolienne, et améliore ainsi le rendement global production+stockage/déstockage. Une autre caractéristique de la solution ici présentée est qu'elle présente de nombreux avantages par rapport aux autres solutions actuelles : - elle fonctionne quelque soit le niveau de puissance primaire fournie, même faible comme par exemple dans le cas d'une source marémotrice. - les étapes de stockage (charge) et de restitution d'énergie (décharge) sont indépendantes mais peuvent être simultanées, et la désynchronisation de ces deux étapes permet d'obtenir une puissance restituée régulière et stable même en présence d'une puissance primaire fournie d'une manière irrégulière. - la puissance restituée servira généralement à alimenter un générateur électrique comme présenté ci-après, mais, étant d'origine mécanique, elle pourra également être utilisée pour directement alimenter d'autres dispositifs, comme par exemple une pompe à chaleur. - la durée de vie des installations utilisant l'invention ne dépends que de la qualité de la construction et des conditions d'utilisation, et en aucun cas d'une dégradabilité programmée, comme pour les batteries par exemple. - la matière solide pour constituer les masses mobiles utilisées dans l'invention peut être à base de matériaux pondéreux recyclés, ce qui permet par ailleurs d'obtenir un meilleur bilan carbone que dans les autres solutions, comme les batteries par exemple. - l'invention ici présentée est susceptible d'être utilisée dans de nombreuses installations industrielles, comme par exemple en mer dans les flotteurs des éoliennes offshore, dans des installations marémotrices côtières, ou sur terre dans des fermes solaires ou champs éoliens. - l'ensemble de ces caractéristiques montre que la solution ici présentée n'est pas limitée à des applications industrielles mais est aussi particulièrement adaptée à une utilisation domestique, dans des sites isolés ou non, puisqu'en complément d'une "charge" par une source d'énergie renouvelable, par exemple par du photovoltaïque ou par une éolienne, l'invention peut être "chargée" par l'activité physique humaine, par exemple par des dispositifs récupérateurs de l'énergie humaine produite lors de séances de gymnastique ou autres. Par ailleurs, dans ce cadre et dans le cas d'un déstockage en énergie électrique, 3053412 2 celle-ci peut provenir d'un alternateur produisant un courant directement utilisable dans l'habitation. ÉTAT DE LA TECHNOLOGIE De nombreux brevets ont été déposés présentant soit des dispositifs de génération par gravité, soit des dispositifs de stockage. Parmi les documents présentant des dispositifs de génération par gravité, on peut 5 notamment citer le document anglais WO 2015166235 A2 présentant un "Appareil portable générateur d'énergie électrique", ou encore le document chinois CN 104595131 A présentant un "Dispositif générateur électrique utilisant la puissance obtenue par gravité d'objets roulants", ou un autre document chinois CN 10476397 A présentant un "Dispositif générateur électrique par gravité". Parmi les documents présentant des dispositifs de stockage, on peut notamment citer le document français WO 2014160522 Al présentant 10 un "Système de stockage d'énergie déployé dans une masse d'eau". Certains documents combinent génération et stockage, parmi lesquels on peut citer le document chinois CN 204186540 U présentant un "Générateur de puissance par gravité associé à un dispositif de stockage d'énergie". L'ensemble de ces inventions, si elles ont incontestablement fait progresser l'état de la technique, présentent un certain nombre de points faibles, points faibles que l'invention ici présentée a cherché à 15 corriger, notamment au niveau des possibilités de stockage des énergies dîtes vertes dont celles d'origine maritime, avec des dispositifs permettant une continuité de la production. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un berceau (100) recevant un système d'accumulation (200) disposé à l'intérieur d'une structure cylindrique 20 apte à coulisser verticalement autour de la colonne centrale (110) dudit berceau, et à se déplacer dans le sens de la montée par l'effet de vérins hydrauliques et dans le sens de la descente par l'effet de sa propre masse. L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que le système d'accumulation (200) contenu dans son berceau est constitué de plusieurs dispositifs comme suit : 25 - un "coeur" situé dans sa partie inférieure et où sont empilées et imbriquées une pluralité de cellules d'accumulation gravitationnelle (300) utilisant des masses sphériques comme véhicules de gravité. - au dessus de cette ensemble de cellules individuelles est installé le plateau d'élévation (400) qui transmet à chacune des cellules d'accumulation par leurs axes respectifs la puissance nécessaire à la mise en rotation de chaque dispositif élévateur. 30 - au niveau immédiatement supérieur est installé le plateau de génération (500) sur lequel est renvoyée par leurs axes respectifs la puissance en provenance des turbines des dispositifs de génération de chacune des cellules d'accumulation. - le tout chapeauté par une plateforme (160) où sont installés les différents dispositifs permettant les connexions extérieures et assurant la régulation, le pilotage et le contrôle de l'invention. 35 L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que le système 3053412 3 d'accumulation (200) contenu dans son berceau comporte une pluralité de cellules individuelles d'accumulation ainsi constituées : Chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) est constituée d'au moins un plateau inférieur (310) de stockage desdites masses, d'au moins un système élévateur (320) par vis d'Archimède de ces masses du 5 plateau inférieur (310) vers au moins un plateau supérieur (330), et d'au moins un système de génération mécanique (340) mis en marche par le turbinage en fin de course desdites masses à leur redescente au niveau inférieur de stockage (310); étant précisé que les systèmes élévateurs et générateurs sont installés côte à côte et que la distance séparant les deux niveaux de stockage est proportionnelle au nombre de cellules individuelles. 10 L'énergie mécanique nécessaire dans la phase d'élévation est restituée dans la phase de redescente sous forme d'énergie générée par des dispositifs convertisseurs utilisant la force de gravitation engendrée par le retour desdites masses à leur niveau initial. Chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) de l'invention comporte donc deux zones tampon de stockage des masses mobiles (30N) disposées en couronne autour de la colonne centrale (110), l'une au 15 niveau inférieur (310) dont le fond est incliné de la sortie du système générateur (340) vers l'entrée du système élévateur (320), et l'autre au niveau supérieur (330) dont le fond est incliné de la sortie du système élévateur (320) vers l'entrée du système générateur (340). Pour à la fois réduire les pertes dues aux frottement et l'usure due aux chocs, la surface extérieure des masses mobiles est traitée pour résister auxdits chocs, favoriser la lubrification et diminuer le bruit consécutif au déplacement desdites masses 20 mobiles. Chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) de l'invention comporte un système élévateur (320) dont les moyens d'élévation sont constitués d'une vis sans fin hélicoïdale dite d'Archimède (322) déplaçant les masses mobiles sphériques (30N) d'un niveau inférieur (310) à un niveau supérieur (330). La mise en rotation autour de son axe de ladite vis sans fin hélicoïdale (322) est assurée par l'arbre d'entrainement 25 (324) après renvoi sur ledit arbre de la puissance et le couple fournis par les dispositifs (410) installés sur le plateau d'élévation (400). Les masses mobiles (30N) sont maintenues dans une trajectoire verticale par deux glissières (326) et par la partie intérieure de la vis sans fin; pour réduire les pertes d'énergie dues aux frottements, lesdites masses mobiles sphériques sont immergées dans un bain de liquide lubrifiant (328) installé dans le bas du 30 système élévateur. Chaque système élévateur (320) comporte par ailleurs un dispositif de comptage des masses mobiles en sortant. Chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) de l'invention comporte un système de génération mécanique (340) constitué par un dispositif de descente et de déstockage des masses mobiles sphériques 35 (30N) du niveau supérieur (330) vers le niveau inférieur (310); ledit dispositif de descente étant constitué de 3053412 4 trois glissières à rouleaux (341) maintenant lesdites masses mobiles dans une trajectoire verticale et se terminant par une colonne à l'extrémité inférieure de laquelle est installée une turbine (342), renvoyant la puissance générée vers le plateau de génération (400), après renvoi par l'axe (344) par engrenage à 90 degrés (343). 5 Chaque système générateur (340) comporte par ailleurs un dispositif de comptage des masses mobiles en sortant, lequel dispositif de comptage couplé à celui du système élévateur (320) permet d'évaluer le niveau de "charge" de chaque cellule, puisque les masses sphériques se déplacent en circuit fermée. Les cellules d'accumulation gravitationnelle (300) sont empilées et imbriquées en colimaçon (-hélice) autour de l'axe central de la structure d'accueil, de sorte que leurs dispositifs d'élévation et de génération sont 10 disposés en couronne à la périphérie de la structure cylindrique que forme leur empilement. Les plateaux de stockage bas et haut des masses sphériques sont empilés au centre de la structure autour de la colonne centrale et imbriqués, de sorte que chaque ensemble est décalé en hauteur d'une hauteur de plateau de stockage, et que le plateau supérieur/inférieur de la cellule N est précédé de celui de la cellule N-1 et ainsi de suite. 15 Par exemple, dans une configuration comportant dix cellules telle que présentée en figure 1, chaque cellule occupe un angle de 36° sur la couronne de la structure cylindrique qui comporte vingt niveaux (dix pour les plateaux supérieurs et dix pour les plateaux inférieurs), de sorte que dans cette configuration la cellule n°3 a ses élévateurs/générateurs installés entre 72° et 108°, son plateau supérieur installé au niveau 3 et son plateau inférieur au niveau 13. 20 L'ensemble des cellules ainsi empilées est surmonté par un premier plateau d'élévation (400) qui renvoie un mouvement rotatif à chacun des systèmes élévateurs (320), puis par un second plateau de génération (500) comportant un premier niveau inférieur de démultiplication (520) vers lequel sont renvoyés les mouvements rotatifs transmis par chacun des axes des systèmes de génération mécanique (340), surmonté d'un deuxième niveau supérieur (510) ou est installé au moins un générateur, ou tout autre 25 dispositif utilisant la puissance ainsi disponible. L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que l'énergie à stocker est transmise par un arbre centrale (112) partiellement fileté dans ses sections actives et installé à l'intérieur de la colonne centrale (110) du berceau (100) et dont la rotation met en marche, par les dispositifs installés sur le plateau de transmission (400), les systèmes élévateurs (320) de chacune des cellules 30 d'accumulation gravitationnelle (300) et/ou l'élévation de la structure cylindrique d'accueil mobile (200) par le moyen de vérins hydrauliques (120) alimentés par un moteur hydraulique (130) entrainé à la demande par la rotation dudit arbre centrale (112) au niveau de ses sections filetées. La mise en rotation des systèmes élévateurs (320) de chacune des cellules d'accumulation gravitationnelle (300) est ainsi assurée par la rotation de l'arbre central (112) au moyen des dispositifs installés sur le plateau de transmission 35 (400) comportant notamment un engrenage à cliquet (412), et/ou par la redescente de la structure 3053412 5 cylindrique d'accueil mobile (200) dont le déplacement relatif le long de la partie filetée dudit arbre central entraine la rotation de l'engrenage à cliquet (412) qui convertit ce déplacement linéaire en mouvement rotatif, après démultiplication, à chacun des systèmes élévateurs de chaque cellule. La "charge" de l'accumulateur objet de l'invention s'effectue donc de deux façons, la première par élévation 5 des masses sphériques à l'intérieur de chacune des cellules, et la seconde par élévation de la totalité de la structure d'accueil du système d'accumulation, l'une ou l'autre pouvant être mise en oeuvre simultanément ou non. A l'inverse, la "décharge" de l'accumulateur objet de l'invention s'effectue également de deux façons, la première par la redescente des masses sphériques à l'intérieur de chacune des cellules, et la seconde par la redescente de la totalité de la structure d'accueil du système d'accumulation, l'une ou l'autre 10 pouvant être mise en oeuvre simultanément ou non. L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que l'élévation de la structure cylindrique accueillant le système d'accumulation (200) est assurée par au moins deux vérins hydrauliques mis sous pression par le système hydraulique (130), étant précisé qu'un système de vannes by-pass permet la dépression et le retour des vérins à leur position basse, et que le système hydraulique (130) est 15 entrainé, après démultiplication, par la rotation de l'arbre central (112), au moyen d'un engrenage en contact avec ledit arbre à travers une fente verticale positionnée le long de la colonne centrale (110). L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que le plateau d'élévation (400) est constitué d'un dispositif comportant un engrenage en contact avec le filetage de l'arbre central (112) à travers une fente verticale positionnée le long de la colonne centrale (110), étant précisé que la 20 rotation dudit engrenage n'est possible que dans un sens par un dispositif à cliquet, que ledit engrenage soit mis en rotation par la rotation de l'arbre central (112) ou simplement par le mouvement relatif en descente de la totalité de la structure d'accueil du système d'accumulation. Ce dispositif est complété par un ensemble assurant la démultiplication pour transmission à chacune des cellules d'accumulation par leurs axes respectifs de la puissance nécessaire à la mise en rotation de chacun des dispositifs élévateurs. 25 L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que le plateau de génération (500) est constitué d'un premier dispositif (520) de démultiplication sur lequel est renvoyée par leurs axes respectifs la puissance en provenance des turbines des dispositifs de génération de chacune des cellules d'accumulation, et d'un second dispositif (510) constitué d'un générateur à aimants permanents entrainée par la puissance démultipliée et additionnée de chacune des cellules, ledit dispositif disposant par ailleurs 30 d'un dispositif de blocage/libération (512) commandé par les systèmes de contrôle de l'installation. L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de contrôle et de régulation et l'ensemble des algorithmes et programmes informatiques aptes à optimiser le pilotage de l'unité en fonction des conditions de production et de la demande planifiée. La version d'exécution présentée dans les figures qui suivent ne limite en rien l'étendue des utilisations possibles de la présente invention, notamment au niveau des moyens utilisant la puissance restituée. 3053412 6 FIGURES Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente les principaux éléments constituant l'invention, berceau (100), et structure d'accueil (200) mobile avec, vue de face, une configuration comportant dix cellules d'accumulation (300) et une 5 partie en coupe des plateaux d'élévation (400), et de génération (500). La figure 2 représente le détail les principaux éléments constituant chaque cellule d'accumulation (300) La figure 3 représente le détail les principaux éléments constituant les élévateurs (320) et générateurs (340) de chaque cellule d'accumulation (300). La figure 4 représente le détail les principaux éléments constituant les plateaux d'élévation (400), et de 10 génération (500). REVENDICATIONS1- L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est constituée d'un berceau (100) recevant un système d'accumulation (200) disposé à l'intérieur d'une structure cylindrique apte à coulisser verticalement le long de la colonne centrale (110) dudit berceau. L'invention Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire est caractérisée en ce que le système d'accumulation (200) contenu dans son berceau est constitué de plusieurs dispositifs comme suit : - un "coeur" situé dans sa partie inférieure et où sont empilées et imbriquées une pluralité de cellules d'accumulation gravitationnelle (300) utilisant des masses sphériques comme véhicules de gravité. - au dessus de cette ensemble de cellules individuelles est installé le plateau d'élévation (400) qui transmet à chacune des cellules d'accumulation par leurs axes respectifs la puissance nécessaire à la mise en rotation de chacun des dispositifs élévateurs. - au niveau immédiatement supérieur est installé le plateau de génération (500) sur lequel est renvoyée par leurs axes respectifs la puissance en provenance des turbines des dispositifs de génération de chacune des cellules d'accumulation. - le tout chapeauté par une plateforme (160) où sont installés les différents dispositifs permettant les connexions extérieures et assurant la régulation, le pilotage et le contrôle de l'invention. 2- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) est constituée d'au moins un plateau inférieur (310) de stockage desdites masses, d'au moins un système élévateur (320) par vis d'Archimède de ces masses du plateau inférieur (310) vers au moins un plateau supérieur (330), et d'au moins un système de génération mécanique (340) mis en marche par le turbinage en fin de course desdites masses à leur redescente au niveau inférieur de stockage (310); étant précisé que la distance séparant les deux niveaux de stockage est proportionnelle au nombre de cellules individuelles. 3- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) de l'invention comporte deux zones de stockage des masses mobiles (30N) disposées en couronne autour de la colonne centrale (110), l'une au niveau inférieur (310) dont le fond est incliné de la sortie du système générateur (340) vers l'entrée du système élévateur (320), et l'autre au niveau supérieur (330) dont le fond est incliné de la sortie du système élévateur (320) vers l'entrée du système générateur (340). 4- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) de l'invention comporte un système élévateur (320) dont les moyens d'élévation sont constitués d'une vis sans fin hélicoïdale dite d'Archimède (322) déplaçant les masses mobiles sphériques (30N) d'un niveau inférieur (310) à un niveau supérieur (330). La mise en rotation autour de son axe de ladite vis sans fin hélicoïdale (322) est assurée par l'arbre d'entrainement (324) après renvoi sur ledit arbre de la puissance et le couple fournis par les 3053412 8 dispositifs (410) installés sur le plateau d'élévation (400). 5- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cellule d'accumulation gravitationnelle (300) de l'invention comporte un système de génération mécanique (340) constitué par un dispositif de descente et de déstockage des 5 masses mobiles sphériques (30N) du niveau supérieur (330) vers le niveau inférieur (310); ledit dispositif de descente étant constitué de trois glissières à rouleaux (341) maintenant lesdites masses mobiles dans une trajectoire verticale et se terminant par une colonne à l'extrémité inférieure de laquelle est installée une turbine (342) renvoyant la puissance générée vers le plateau de génération (400) après renvoi par l'axe (344) par engrenage à 90 degrés (343). 10 6- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plateau d'élévation (400) est constitué d'un dispositif comportant un engrenage (412) en contact avec le filetage de l'arbre central (112) à travers une fente verticale positionnée le long de la colonne centrale (110), étant précisé que la rotation dudit engrenage n'est possible que dans un sens par un dispositif à cliquet, que ledit engrenage soit mis en rotation par la rotation de l'arbre central (112) ou 15 simplement par le mouvement relatif en descente de la totalité de la structure (200) d'accueil du système d'accumulation. Ce dispositif est complété par un ensemble assurant la démultiplication pour transmission à chacune des cellules d'accumulation par leurs axes respectifs de la puissance nécessaire à la mise en rotation de chacun des dispositifs élévateurs. 7- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le plateau de génération (500) est constitué d'un premier dispositif (520) de démultiplication sur lequel est renvoyée par leurs axes respectifs la puissance en provenance des turbines des dispositifs de génération de chacune des cellules d'accumulation, et d'un second dispositif (510) constitué d'un générateur à aimants permanents entrainée par la puissance démultipliée et additionnée de chacune des cellules, ledit dispositif disposant par ailleurs d'un dispositif de blocage/libération (512) 25 commandé par les systèmes de contrôle de l'installation. 8- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élévation de la structure cylindrique accueillant le système d'accumulation (200) est assurée par au moins deux vérins hydrauliques mis sous pression par le système hydraulique (130), étant précisé qu'un système de vannes by-pass permet la dépression et le retour des vérins à leur position 30 basse, et que le système hydraulique (130) est entrainé, après démultiplication, par la rotation de l'arbre central (112), au moyen d'un engrenage en contact avec ledit arbre à travers une fente verticale positionnée le long de la colonne centrale (110). 9- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte sur la partie supérieure de la structure mobile (200) une plateforme 35 (160) où sont installés les différents dispositifs permettant les connexions extérieures et assurant la 3053412 9 régulation, le pilotage et le contrôle de l'invention. 10- Accumulateur Gravitationnel Multicellulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle et de régulation et l'ensemble des algorithmes et programmes informatiques aptes à optimiser le pilotage de l'unité en fonction des conditions de production 5 et de la demande planifiée.