Brevet FR3062428A1 — publié le 20180803

Volant d'inertie à eau La présente invention concerne le stockage d'énergie dans un volant auto- équilibrant de taille petite à gigantesque dont la masse principale est constituée d'eau. L'état actuel de la technique permet de réaliser des volants d'inertie dont la masse est constituée de matériaux solides (Métal, béton ...). Le dispositif selon l'invention permet d'ajouter à cet état de la technique une alternative qui utilise la masse volumique d'un liquide contenue dans des caissons pour constituer la masse du volant d'inertie. Le fait que le volant puisse être rempli et vidé de sa masse liquide réduit les 10 coûts de transport et d'installation par rapport à des volants pleins. L'eau salée de mer constitue un exemple de liquide abondant et de densité supérieure à l'eau pure pouvant être utilisé, dès lors que les caissons sont constitués de matériaux inoxydables. Un tel volant permet un recyclage à 100 % des 15 matériaux utilisés pour la construction. La masse du volant étant liquide, le dispositif selon l'invention permet d'ajouter aussi à l'état actuel de la technique la possibilité d'équilibrer dynamiquement le volant d'inertie lorsque celui ci est en service. 20 Remplir un volant d'inertie de liquide n'étant pas une solution naturelle, le dispositif selon l'invention permet d'ajouter à l'état actuel de la technique des caractéristiques permettant de combattre les phénomènes de carène liquide. 25 L'objectif premier est obtenu grâce à un dispositif utilisant les éléments suivants : A) Selon une première caractéristique, un arbre fixe (5) fixé à un bâti (7). B) Selon une deuxième caractéristique, un boîtier de volant d'inertie (1) de forme 30 annulaire (Fig 1) ou de forme cylindrique (Fig 2) réalisé en matériaux (Acier, 3062428 2 matières composites, fibres de verre ...) dont la résistance mécanique est plus recherchée que le poids, contenant différents caissons remplis d'eau, numérotés CHS, C= Cylindre, H=Hauteur et S = Secteur , et reliés au palier (4) soit par des rayons comme une roue de bicyclette (8), soit par un disque (9), soit par les 5 caissons intérieurs(10) allant jusqu'au palier (4), ou tout autre système. C) Selon une troisième caractéristique, pour chaque caisson un bouchon de remplissage manuel (16) , et un bouton de vidange manuel (17). D) Selon une quatrième caractéristique, une pompe (22) à flux (Eau, huile, air, magnétique, ... ) permettant au volant (1) de s'élever grâce au flux (23) envoyé entre le palier et le volant E) Selon une cinquième caractéristique, une butée à bille (15) pour reposer en cas d'absence de ce flux, à l'arrêt du dispositif ou de la pompe à flux (22) . F) Selon une sixième caractéristique, des excitateurs électriques (20) fixés sur le volant, des stators électriques (21) fixés sur le bâti (7) et formant ensemble une génératrice réversible principale. Le même principe inversé consistant à placer des excitateurs électriques sur le bâti (7) et des stators électriques sur le volant (1) peut être utilisé pour créer une génératrice de service interne secondaire sur le volant (1) pour alimenter en énergie les organes de service sur celui-ci. Un deuxième objectif permettant au dispositif d'acquérir des propriétés d'auto-équilibrage est obtenu en ajoutant au dispositif les éléments suivants : G) Selon une septième caractéristique, des jauges de contrainte (19) placées sur le bâti (7) ou l'arbre fixe (5) pour mesurer la déformation de l'arbre fixe (5) due au défaut d'équilibrage à corriger, et/ou des capteurs de distance(19) entre l'arbre fixe (5) et le palier (4) qui permettent de mesurer les déplacements du volant dus au défaut d'équilibrage, et ceci dans le plan horizontal, mais aussi le roulis et le tangage du volant (1) suivant respectivement les axes X et Y standards. H) Selon une huitième caractéristique un (ou plusieurs) injecteur de liquide (11) 3062428 3 fixe, accroché à l'arbre fixe (5) ou attaché à une potence (25) fixée au bâti(7), qui lorsqu'il est excité par le calculateur (13), permet un remplissage du caisson nécessitant un alourdissement lorsque l'orifice de remplissage de ce caisson se trouve en face de cet injecteur. 5 I) Selon une neuvième caractéristique un clapet anti-retour (18) pour éviter la vidange du caisson à l'arrêt du dispositif, dans le cas où l'entrée de liquide dans le caisson se trouve au dessous du niveau le plus haut du caisson. 10 J) Selon une dixième caractéristique et optionnellement, sur un ou plusieurs caissons, une vanne de décharge (12) télécommandée par le calculateur (13) permettant un allégement du caisson concerné. Associée à l'injecteur (11) , ils permettent ensemble de réaliser l'équilibrage du volant dans le plan horizontal en modifiant le volume de liquide dans des caissons situés à la même hauteur H et 15 l'annulation du roulis et du tangage du volant en modifiant le volume de liquide dans des caissons à des hauteurs H différentes. K) Selon une onzième caractéristique un calculateur (13) incluant des composants électriques, électroniques, mémoire programme, micro-processeur,... permettant : 20 - de mesurer les défauts d'équilibrage du volant et d'y remédier en remplissant plus ou moins d'eau certains caissons par excitation des injecteurs, - d'assurer la gestion de l'énergie cinétique emmagasinée dans le volant, - d'assurer la gestion de l'énergie de service interne du volant 25 Un troisième objectif de prévention des phénomènes de carène liquide est obtenu en ajoutant au dispositif les éléments suivants : : L) Selon une douzième caractéristique un cloisonnage des caissons de façon à diminuer les phénomènes de carène liquide. 30 M) Selon une treizième caractéristique une forme des caissons dessinée de façon à ce que la force centrifuge confine : - une première partie majeure du liquide dans une première partie du caisson (27) où ce liquide occupant une place fixe peut être modélisé comme un matériau plein 35 non concerné par le phénomène de carène liquide 3062428 4 - et une deuxième partie du liquide , la plus petite possible, dans une deuxième partie du caisson (28) de la forme d'une cheminée étroite où ce liquide exposé aux phénomènes de carène liquide occupe un volume réduit. 5 Les derniers objectifs sont obtenus en ajoutant au dispositif les éléments suivants : N) Selon une quatorzième caractéristique une réserve de liquide (24) située au plus près de l'axe de rotation connectée directement à certains caissons et de ce fait 10 les assurant d'être totalement pleins. O) Selon une quinzième caractéristique une enceinte (26) englobant le volant, dans laquelle soit le vide est fait pour annuler les forces de frottement aérodynamiques, soit les propriétés du gaz à l'intérieur de l'enceinte (26) sont 15 modifiées pour diminuer les forces de frottement aérodynamiques Enfin, de la même manière que décrit à la sixième caractéristique où les éléments tournants ( les excitateurs électriques (20) ) de la génératrice réversible principale font que cette dernière partage le même palier (4) que le volant(1) , il 20 est possible d'ajouter au dispositif les éléments suivants : P) Selon une seizième caractéristique en ce qu'il comporte sur son palier (4) (autrement dit partage avec ce même palier (4) ) les éléments tournants d' équipements permettant : 25 - le stockage de l'énergie cinétique dans le dispositif, à savoir une génératrice réversible, une turbine à eau réversible, une éolienne, etc ... - la restitution de l'énergie cinétique à partir du dispositif, à savoir un moteur électrique réversible, une turbine réversible, une pompe à eau pour remonter l'eau dans des barrages de stockage, etc ... 30 Le présent dispositif a été décrit avec un arbre (5) non débouchant et un seul palier (4) Une première alternative consiste à utiliser un arbre débouchant sur lequel peuvent être fixés les injecteurs de liquide (11). 35 Une deuxième alternative consiste à utiliser deux paliers (4). REVENDICATIONS1) Dispositif permettant de stocker de l'énergie cinétique caractérisé en ce qu'il comporte un volant d'inertie (1) dont la masse est principalement constituée de caissons (2) remplis de liquide (3) relié à un palier (4) tournant sur un arbre fixe (5) fixé sur un bâti (6). 2) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volant (1) s'élève grâce à un flux (23) envoyé entre l' arbre fixe (5) et le palier (4) du volant (1). 3) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volant (1) peut 10 reposer sur butée à bille (15). 4) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un (ou plusieurs) injecteur de liquide (11) fixe, qui lorsqu'il est excité par le calculateur, (13) permet un remplissage du caisson nécessitant un alourdissement lorsque 15 l'orifice de remplissage de ce caisson se trouve en face de cet injecteur 5) Dispositif, selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte un clapet anti-retour (18) pour éviter la vidange du caisson à l'arrêt du dispositif, dans le cas où l'entrée de liquide (14) dans le caisson se trouve au dessous du niveau le plus 20 haut du caisson 6) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte sur un ou plusieurs caissons une vanne de décharge qui lorsqu'elle est ouverte par le calculateur (13) permette un allégement du caisson concerné. 25 7) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que les caissons exposés aux phénomènes de carène liquide sont cloisonnés. 8) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volume des caissons 30 comporte deux parties : - une première partie (27) majeure du caisson ou le liquide écrasé par la force centrifuge occupe la totalité de ce volume et peut être modélisé comme un matériau plein à centre de gravité fixe non concerné par le phénomène de carène 3062428 6 liquide, - une deuxième partie (28) la plus petite possible, en forme de cheminée étroite accueillant le liquide soumis au phénomène de carène liquide. 5 9) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que certains caissons sont assurés d'être pleins par leur connexion à une réserve de liquide (24) située au plus près de l'axe de rotation. 10) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte sur son 10 palier (4) (autrement dit partage avec ce même palier (4) ) les éléments tournants des équipements permettant le stockage de l'énergie cinétique dans le dispositif et la restitution de l'énergie cinétique à partir du dispositif. 11) Dispositif, selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comporte des 15 excitateurs électriques (20) fixés sur le volant, des stators électriques (21) fixés sur le bâti et formant ensemble une génératrice réversible principale, ou l'inverse pour former une génératrice secondaire sur le volant(1). 12) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volant est enfermé 20 dans une enceinte (26) sous vide pour annuler les forces de frottement aérodynamiques. 13) Dispositif, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volant est enfermé dans une enceinte (26) dont les propriétés du gaz permettent de diminuer les 25 forces de frottement aérodynamiques. 14) Procédé de réglage d'un dispositif selon les revendications 4 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'équilibrage du volant dans le plan horizontal, qui consiste à modifier le volume de liquide dans des caissons situés à la même hauteur 30 H. 15) Procédé de réglage d'un dispositif selon la revendication 4 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'annulation du roulis et du tangage, qui consiste à modifier le volume de liquide dans des caissons à des hauteurs H différentes.