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WO2016041767A1 - Systeme inertiel de stockage d'energie comportant un disque en materiau composite - Google Patents

Systeme inertiel de stockage d'energie comportant un disque en materiau composite Download PDF

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Publication number
WO2016041767A1
WO2016041767A1 PCT/EP2015/069870 EP2015069870W WO2016041767A1 WO 2016041767 A1 WO2016041767 A1 WO 2016041767A1 EP 2015069870 W EP2015069870 W EP 2015069870W WO 2016041767 A1 WO2016041767 A1 WO 2016041767A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
disk
composite
radial
layers
ribbon
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/069870
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Odru
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles filed Critical IFP Energies Nouvelles
Publication of WO2016041767A1 publication Critical patent/WO2016041767A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G3/00—Other motors, e.g. gravity or inertia motors
    • F03G3/08—Other motors, e.g. gravity or inertia motors using flywheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30—Flywheels
    • F16F15/305—Flywheels made of plastics, e.g. fibre reinforced plastics [FRP], i.e. characterised by their special construction from such materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to the field of energy storage in embedded application, or non-embedded.
  • the invention relates to the storage of kinetic energy and its restitution, via a flywheel, also called inertial energy storage system (SISE).
  • a flywheel also called inertial energy storage system (SISE).
  • SISE inertial energy storage system
  • energy can be stored during braking, to be restored during acceleration, allowing better management of energy consumption.
  • it can also concern the service to the electric network, where the injection of power may be necessary to quickly match the variations in supply and demand.
  • a flywheel is made of a mass, driven by a motor.
  • the energy provided by the motor makes it possible to turn the mass. Once started, the mass continues to rotate, even if the engine no longer feeds. It is this kinetic energy that the flywheel will store.
  • the accumulation of this energy and its restitution can be done directly in mechanical form or by transformation into electricity via a generator engine and a control system. For example, if they are compared to electrochemical batteries (for storing electrical energy), the flywheels can accumulate and return energy quickly, a very large number of times, but in less quantity. As a result, flywheels are generally used to respond to occasional power calls.
  • An operational flywheel made of composite material is a complex assembly using many technologies. Only the rotating disk, its design and properties are the subject of the present invention.
  • Figure 2 shows an example of a flywheel disk.
  • the disk of a flywheel made of composite material is generally formed of a succession of coiled concentric layers, each layer being formed of synthetic fibers (F), characterized by their radial distance to the axis of rotation (r), circumferentially wound around a hub (M) along an axis of rotation (A), and held together and on the hub by a resin matrix.
  • a disk of a flywheel is therefore generally hollowed out in its center and described by an inner radius (R- ⁇ ) and an outer radius (R 2 ), the difference between these two radii being called thickness in the direction of the radius (e).
  • a disk of a flywheel can be more or less thick (E) along the axis of rotation.
  • This winding of the fibers of a disk generates anisotropy of the mechanical strength when such disks are rotated. More specifically, the mechanical strength characteristics of such rotated disks are very different depending on whether one is in the axis of the fibers constituting them (circumferential direction DC in FIG. 1), or in the axis transverse (radial direction DR in Figure 1), where parallel fibers are bonded by a resin matrix much less resistant.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ aC ⁇ + C + ⁇ - ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ C "- ûC - ⁇ (3C & + C)
  • Figure 3 shows the evolution of the circumferential stress ( ⁇ ⁇ ) and the radial stress (a r ) as a function of the distance to the axis of rotation (r) of the disk, in the case of a radius disc 30 cm inside and 60 cm outside radius, rotating at a speed of 500 radians per second. It can be seen in this figure that the circumferential stress is higher than the radial stress. But since the mechanical strength of the fibers is generally much greater than that of the matrix, this is not a sizing factor. It is also noted that the radial stress is maximum on the mean radius of the disc. This maximum value is then to be compared with the maximum radial stress tolerable by the resin used to make the disc. However, the radial stress that can be supported by the resin is generally low, and easily achievable for a composite disk of a flywheel in service (that is to say when the disk of the flywheel is rotated).
  • One solution may be to have a first inner winding fiberglass, which is wound on carbon fibers.
  • the composite glass heavier and less stiff than the carbon composite, will come to create a pressure at the interface that will hinder somewhat the traction in the matrix.
  • thermosetting resins made of so-called thermosetting resins.
  • the thermosetting matrices require a polymerization operation by baking in order to give them their final shape.
  • the use of a thermosetting resin requires a temperature polymerization operation, between each of the manufacture of the layers of a disk. a flywheel.
  • the thermosetting resin becomes liquid and is stripped, making the maintenance of the prestressing random.
  • US4514245A proposes a steel tube reinforcement solution by a thermoplastic matrix composite wound under tension and welded to itself. This technology makes it possible, by compressing the steel tube, to substantially increase its capacity to respond to a pressure increase by mobilizing a greater range of the elastic reserve of the steel.
  • the present invention relates to an inertial system for storing and restoring energy, comprising a disc made of composite material.
  • said disc is manufactured using an alternative method of resorption of the constraints of pulls Radials arising in a disk of a flywheel made of composite materials rotated rapidly, using on all or part of the circumferential winding a thermoplastic matrix composite, wound so as to create a prestress in radial compression that annoys the constraints related to the rotation.
  • the present invention relates to an inertial energy storage system comprising at least one rotating disc, said disc being formed by winding around a hub of at least one ribbon made of a composite material, said composite being formed of fibers embedded in a matrix, said winding forming a series of concentric layers.
  • the system has at least the following characteristics:
  • said matrix of said composite of said ribbon is of a thermoplastic nature
  • said layer is subjected to a prestress in radial compression determined as a function of the radial stress acceptable in use by said composite;
  • said ribbon is welded to said underlying layers.
  • said layer may be subjected to said prestress by tensioning said composite strip
  • said weld may be a thermal weld.
  • said acceptable radial stress in service may correspond to the maximum radial stress that can be supported by said matrix, weighted by a safety coefficient of between 0 and 1.
  • said safety coefficient is less than 0.8.
  • at least said layers forming the outermost half of said disk may be subjected to said prestressing.
  • At least one layer in contact with said hub may be subjected to said prestressing.
  • all of said layers may be subjected to said prestressing.
  • said fibers may be of a mineral nature.
  • said fibers may be chosen from glass, carbon and aramid.
  • said layers may comprise fibers of different nature.
  • said layers may be subjected to different radial prestress values as a function of their radial distance.
  • said disk is formed by winding around a hub of at least one ribbon constituted by a composite material of fibers embedded in a thermoplastic matrix, said winding forming successive layers,
  • At least one layer of said disk is subjected to a prestress in radial compression determined as a function of the radial stress acceptable in service by said composite, said ribbon of said layer being welded to the underlying layers.
  • said preload can be applied by tension on the ribbon during winding.
  • said ribbon may be welded by melting said thermoplastic matrix.
  • the invention relates to a vehicle comprising at least one inertial system for storing energy as described above. Furthermore, the invention relates to an electricity distribution network comprising at least one inertial system for storing energy as described above.
  • Figure 1 illustrates the composition of a composite material, formed of fibers embedded in a resin matrix.
  • Figure 2 shows an example of a disk of a flywheel made of composite material.
  • Figure 3 shows the evolution in a disk in rapid rotation of the circumferential stress ⁇ ⁇ and the radial stress a r as a function of the distance to the axis of rotation.
  • FIG. 4 illustrates the creation of radial compression stresses (P) by winding (W) under tension (T) of a composite strip on a hub (M), said strip being welded to the pre-existing layers by welding (S).
  • the present invention relates to an inertial energy storage system, also called a flywheel, comprising at least one rotating disk formed by the winding, around a hub, of at least one ribbon consisting of a composite material, the winding forming a series of concentric layers.
  • said ribbon is formed of fibers embedded in a thermoplastic matrix.
  • said layer is wound so as to generate a prestress in radial compression determined as a function of the acceptable tensile stress in service (that is to say when the disk is rotated) by said composite.
  • the ribbon of said layer is welded to the underlying layers.
  • the disc according to the invention is based in particular on the fact that at least one layer of the disk of a flywheel is made of a composite material whose fibers are embedded in a thermoplastic matrix.
  • thermoplastic matrix makes it possible to weld, layer by layer, instantly and continuously, the various layers of composite tape forming a disc.
  • at least one layer of the disk of the flywheel is welded to the layers already formed.
  • at least one layer of the disk of the flywheel is manufactured by welding the inside of the ribbon of composite material, consisting of fibers embedded in a thermoplastic matrix, on the outer radius of the disk already. made. The assembly of layers thus formed then holds immediately.
  • the weld is a thermal weld.
  • At least one layer of the disk of the flywheel is manufactured by welding this new layer to the group of sub-layers already formed, using for example a torch, to make melt, by melting, the thermoplastic resin, and thus weld said new layer to said group of sublayers.
  • thermoplastic resin does not require a polymerization step, which is long and expensive in terms of energy expenditure, during which the resin is fluid and without mechanical consistency.
  • a polymerization step is applied for each layer, between each prestressing.
  • the polymerization can randomize the behavior of the piece thus formed, after prestressing.
  • the use of a thermoplastic matrix composite under prestressing stress has shown excellent creep, environmental, and fatigue resistance characteristics over time.
  • the present invention is based in particular on the fact that at least one layer of the disk of a flywheel is subjected to a prestress in radial compression determined according to the radial stress acceptable in use by said composite.
  • radial stress acceptable in service means a stress value at most equal to the maximum radial stress that can be supported, that is to say before rupture, by the resin matrix.
  • This feature aims to improve the radial stress behavior of the resin matrix.
  • this feature aims to counterbalance the radial stresses, traction, which arise in the matrix following a rotation, allowing a more harmonious distribution of these constraints. In this way, the stress difference induced by the centrifugal force between the inside and the outside of the rotated disk is exploited.
  • the fact of reducing the radial stresses in the resin, or even canceling them makes it possible to increase the safety but also the service life of the system.
  • the acceptable radial stress in service corresponds to the value of the radial stress which can be supported, before rupture, by the material set in rapid rotation, a value at which a coefficient of safety included is applied. between 0 and 1.
  • the safety factor is less than 0.8. This defines a margin of safety, aiming to avoid reaching a total stress too close to the breaking value of the material.
  • at least one layer of the disk of a flywheel is subjected to said prestress in compression by winding under tension of the composite tape.
  • the compression prestress is created by the tensioning winding of the composite tape for at least one layer of the disk of a flywheel. This operation is also known as hooping.
  • the tension T to be exerted in the ribbon to induce a prestress in radial compression P on a layer to be produced is given by the formula well known to the specialist:
  • the prestress in compression is obtained by the tensioning winding of the composite tape, the tape itself being welded to the previously formed layer.
  • FIG. 4 illustrates the creation of radial compression stresses (P) by winding (W) under tension (T) of a composite strip on a hub (M), said strip being welded to the pre-existing layers by welding (S).
  • the tensioning operation of the fibers can be reproduced for an additional layer, the effects being added since it remains in the field of elasticity.
  • the layers forming the disk of a flywheel are subjected to different radial prestressing values as a function of their radial distance (distance of a given layer to the axis rotation of the disc).
  • the application of a prestress in radial compression allows a better optimization of the potential of the composite, as well as a significant improvement in the performance of the steering wheel, in terms of available energy.
  • the steering wheel can be made more compact to equivalent energy, or load more energy to the same size.
  • equivalent dimension the performance in behavior over time, and therefore safety, can be increased.
  • the system according to the invention relates to an inertial energy storage system, the disk of which consists of at least one layer of composite material based on thermoplastic matrix, this layer being welded to the pre-existing layers and subjected to a prestress in radial compression in order to counteract, when the disc rotates, detrimental radial tensile stresses as localized in the resin matrix.
  • the outermost half of the disk of a flywheel is formed of layers consisting of fibers embedded in a thermoplastic matrix, and are subjected to a prestress in radial compression.
  • a disk thus formed is characterized by an increase in circumferential stress in the outer layers of the disk.
  • the flywheel in which the flywheel is wound on a metal hub, at least the composite layer in contact with said hub is subjected to radial compression prestressing.
  • the metal hub located on the inner radius of the composite, undergoes constraints related to centrifugal forces. Being on a sufficiently small radius, the efforts are bearable by the metal.
  • the elongation of the composite under the effect of centrifugal stresses for a given speed of rotation is much greater than that of the metal at the point of their bond, even if the metal is titanium. This results in significant difficulties of bonding and the risk of disunion of the two parts.
  • the fact of applying a radial compression preload on a sufficient portion of composite in contact with the metal hub makes it possible to contribute very positively to the holding of the system in use, avoiding the separation of the composite layers of the hub.
  • all the layers of the disk of a flywheel is subjected to a prestress in radial compression.
  • a radial compression preload is applied for all composite layers.
  • the composite layers are subjected to different radial prestress values as a function of their radial distance.
  • the prestress in radial compression increases with the distance to the axis of rotation.
  • the fibers constituting the composite material are of a mineral nature. According to one embodiment of the present invention, the fibers constituting the composite material are chosen from glass, carbon and aramid.
  • the layers constituting the disk of the flywheel comprise fibers of different nature.
  • a disk is for example made up of an innermost half made of glass fibers, and of an outermost half made of carbon fibers.
  • the disc consists of three different types of fibers, including fiberglass, aramid fiber, and carbon fiber.
  • the invention relates to a method for manufacturing an inertial energy storage system comprising at least one rotating disk. The method comprises at least the following steps:
  • said disk is formed by winding around a hub of at least one ribbon constituted by a composite material of fibers embedded in a thermoplastic matrix, said winding forming successive layers,
  • At least one layer of said disk is subjected to a prestress in radial compression determined as a function of the acceptable stress in service by said composite, said ribbon of said layer being welded to the underlying layers.
  • the invention also relates to a vehicle, terrestrial or not, comprising at least one inertial system for storing energy, of which at least one disk is manufactured according to the method according to the invention.
  • the invention also relates to an electrical distribution network, comprising at least one inertial energy storage system of which at least one disk is manufactured according to the method according to the invention.
  • the invention also relates to a wind turbine, comprising at least one inertial energy storage system of which at least one disk is manufactured according to the method according to the invention.
  • Table 2 illustrates the variations in the stresses induced in a carbon fiber wheel, rotating at a rotation speed of 2900 radians per second (about 28 000 rpm), depending on the radial distance (distance to the axis of rotation). For safety reasons, it is considered that a circumferential stress of 1000 MPa and a radial stress of 25 MPa are acceptable in service by a wheel thus manufactured.
  • the analysis of the stresses in the steering wheel indicates that the acceptable circumferential stress is almost reached on the inside radius of the steering wheel (997 MPa). However, it is observed that the circumferential stresses decrease towards the outside of the disk (from 997 to 727 MPa).
  • Table 3 illustrates the variations, as a function of the radial distance, of the radial compression stress induced in the disk thus manufactured. Taking into account that it is a thick system, the radial compression stress introduced by the prestressing at the average radius is -34 MPa. Thus, when the steering wheel is rotated at a speed of 28,000 rpm, the tensile stress occurring in the resin and equal to 45 MPa (see above) is thwarted by this compression prestressing of -34 MPa.
  • Table 4 shows the variations, as a function of the radial distance, of the radial stress and the circumferential stress resulting from the application of the radial compression preload. It is observed in this table that the resulting radial stress is thus brought back to an acceptable level in service, of about 17 MPa at most (Table 4), which is a value that is largely bearable by the resin matrix (value at break of 45 MPa) and even less than the radial stress considered acceptable in service (25 MPa). It is also noted that the circumferential stresses in the fibers have become predominant on the outside of the disc, but remain acceptable with respect to the resistance mechanical material in the direction circumferential (maximum value tolerable by the material of 1800 MPa and maximum acceptable value in service of 1000 MPa).

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Abstract

- Système inertiel de stockage de l'énergie comportant un disque fabriqué dans un matériau composite. - Le disque du système inertiel de stockage d'énergie est formé par l'enroulement autour d'un moyeu d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite à matrice thermodurcissable, chaque couche ainsi formée étant soumise à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte radiale acceptable en service. La précontrainte en compression radiale peut être créée par l'enroulement sous tension du ruban de composite. Chaque nouvelle couche en matériau composite à matrice thermodurcissable est soudée aux couches déjà déposées. - Application notamment au domaine du stockage de l'énergie en application embarquée.

Description

SYSTEME INERTIEL DE STOCKAGE D'ENERGIE COMPORTANT UN DISQUE EN
MATERIAU COMPOSITE
La présente invention concerne le domaine du stockage de l'énergie en application embarquée, ou non embarquée.
En particulier, l'invention concerne le stockage de l'énergie cinétique et sa restitution, via un volant d'inertie, aussi appelé système inertiel de stockage d'énergie (SISE). Appliqué de préférence aux véhicules terrestres, l'énergie peut être emmagasinée lors du freinage, pour être restituée lors de l'accélération, permettant ainsi une meilleure gestion de la consommation énergétique. Mais elle peut aussi concerner le service au réseau électrique, où l'injection de puissance peut s'avérer nécessaire pour accorder rapidement les variations de l'offre et de la demande.
Un volant d'inertie est constitué d'une masse, entraînée par un moteur. L'énergie fournie par le moteur permet de faire tourner la masse. Une fois lancée, la masse continue à tourner, même si le moteur ne l'alimente plus. C'est cette énergie cinétique que le volant d'inertie va stocker. L'accumulation de cette énergie et sa restitution peuvent se faire directement sous forme mécanique ou par transformation en électricité via un moteur générateur et un système de contrôle commande. Si on les compare par exemple à des batteries électrochimiques (permettant de stocker de l'énergie électrique), les volants d'inertie peuvent accumuler et restituer de l'énergie rapidement, un très grand nombre de fois, mais en moins grande quantité. De ce fait, les volants d'inertie sont généralement utilisés pour répondre à des appels de puissance ponctuels.
L'énergie emmagasinée dans un volant d'inertie, caractérisé par un disque de rayon R et de masse m, est donnée par la formule suivante :
Er = -mR2o)2 (1)
c 2 où Ec est l'énergie cinétique, ω est la vitesse de rotation du volant. On observe donc que l'énergie cinétique emmagasinée varie avec le carré du rayon du disque en rotation et avec le carré de sa vitesse angulaire, ce qui inciterait à fabriquer des disques de grand rayon. Le dimensionnement d'un volant d'inertie doit toutefois tenir compte de la tenue mécanique du disque en rotation : au-delà d'une certaine vitesse de rotation, l'intégrité du volant n'est plus assurée. En effet, le disque subit une contrainte circonférentielle, résultant de la force centrifuge créée par la rotation d'un disque, et donnée par la formule suivante : a = po)2R2 (2) où p est la masse volumique du matériau. Si cette contrainte circonférentielle devient supérieure à la contrainte maximale que le matériau peut supporter, il y a alors rupture du matériau. Ainsi, si est la contrainte circonférentielle maximale admissible pour le matériau constitutif du volant d'inertie, on a alors :
Ec = -m^≡- ou encore ^ = ^≡L (3)
2 p m 2p
Cette relation indique que l'énergie emmagasinée dans le matériau (rapportée au poids) est proportionnelle à sa résistance mécanique et inversement proportionnelle à sa masse volumique, ce qui favorise les matériaux légers, à haute résistance mécanique. De plus dans le cas d'une application de volant d'inertie pour des véhicules, la légèreté et la compacité sont des qualités primordiales.
Les matériaux composites, réalisés à partir de fibres de verre, de carbone, ou d'aramide, et enrobés dans une matrice de résine (Figure 1 ), répondent à ces exigences de résistance mécanique et de légèreté. Ainsi, l'utilisation de ces matériaux pour la fabrication d'un volant d'inertie permet d'atteindre des vitesses théoriques très élevées, et donc d'emmagasiner des quantités d'énergie plus importantes.
Un volant d'inertie opérationnel en matériau composite est un ensemble complexe faisant appel à de nombreuses technologies. Seul le disque en rotation, sa conception et ses propriétés sont l'objet de la présente invention.
La Figure 2 montre un exemple de disque d'un volant d'inertie. Le disque d'un volant d'inertie fabriqué en matériau composite est généralement formé d'une succession de couches concentriques bobinées, chaque couche étant formée de fibres synthétiques (F), caractérisées par leur distance radiale à l'axe de rotation (r), enroulées circonférentiellement autour d'un moyeu (M) selon un axe de rotation (A), et maintenues entre elles et sur le moyeu par une matrice en résine. Un disque d'un volant d'inertie est donc généralement évidé en son centre et décrit par un rayon intérieur (R-ι ) et un rayon extérieur (R2), la différence entre ces deux rayons étant appelée épaisseur dans la direction du rayon (e). A noter qu'un disque d'un volant d'inertie peut être plus ou moins épais (E) suivant l'axe de rotation.
Cet enroulement des fibres d'un disque engendre une anisotropie de la résistance mécanique lorsque de tels disques sont mis en rotation. Plus précisément, les caractéristiques de résistance mécanique de tels disques soumis à un mouvement rotatif sont très différentes suivant que l'on se situe dans l'axe des fibres qui les constituent (direction circonférentielle DC dans la Figure 1 ), ou dans l'axe transverse (direction radiale DR dans la Figure 1 ), où les fibres parallèles sont liées par une matrice de résine beaucoup moins résistante.
Les calculs des contraintes induites dans un disque en rotation rapide tenant compte de cette anisotropie sont bien connus des spécialistes et peuvent être réalisés de différentes manières, incluant des méthodes par éléments finis ou en utilisant l'équation d'équilibre des efforts du disque en rotation résolue en anisotropie. On pourra par exemple se référer au document suivant :
Kauv, J., Bonal, J., Odru, P., Stockage inertie! de l'énergie, § 2.2, 2.3 et 2.4, Techniques de l'Ingénieur, D 4 030v2.
Ainsi, en résolvant l'équation différentielle d'équilibre d'un disque dans le cas anisotrope et en supposant que le cisaillement peut être négligé, on obtient les expressions suivantes pour la contrainte radiale ar e\ la contrainte circonférentielle σθ : or = + Crf) ) (4)
Figure imgf000004_0001
2 2
σθ = λτα~ι {aC^ + C + μτ-α~ι {C„ - ûC - ^ (3C& + C„ )
( OC J rr E v E E où r est le rayon du disque, avec C = - , Crfj = C0r =— Γθ θ , Cgg = — , et o t le module d'Young anisotrope, υ est le coefficient de Poisson anisotrope, a = , et λ et μ sont des constantes à déterminer en fonction des conditions aux limites
Figure imgf000005_0001
du disque (généralement contraintes radiales au droit des rayons intérieurs et extérieurs nulles).
La Figure 3 présente l'évolution de la contrainte circonférentielle ( σθ ) et de la contrainte radiale ( ar ) en fonction de la distance à l'axe de rotation (r) du disque, dans le cas d'un disque de rayon intérieur de 30 cm et de rayon extérieur 60 cm, tournant à une vitesse de 500 radians par seconde. On constate sur cette figure que la contrainte circonférentielle est plus élevée que la contrainte radiale. Mais la résistance mécanique des fibres étant généralement très supérieure à celle de la matrice, ceci n'est pas un facteur dimensionnant. On constate également que la contrainte radiale est maximale sur le rayon moyen du disque. Cette valeur maximale est alors à comparer avec la contrainte maximale radiale supportable par la résine utilisée pour fabriquer le disque. Or la contrainte radiale qui peut être supportée par la résine est généralement faible, et facilement atteignable pour un disque en matériau composite d'un volant d'inertie en service (c'est-à-dire lorsque le disque du volant d'inertie est mis en rotation).
Par conséquent, il est important, afin d'éviter des ruptures catastrophiques, de trouver des solutions permettant à la matrice de supporter cette traction importante.
Les contraintes induites radialement dans la matrice sont très dépendantes de l'épaisseur du disque dans la direction du rayon (différence entre le rayon extérieur et le rayon intérieur) en rotation, et croissent rapidement en fonction de celle-ci. Le disque doit donc être dimensionné relativement mince dans le sens de son rayon. Mais il en résulte alors une moindre performance en termes d'énergie disponible, à épaisseur constante suivant l'axe de rotation du disque. Etat de la technique
Des solutions visant à limiter la fragilité d'un volant d'inertie fabriqué en matériau composite mis en rotation rapide ont été proposées dans l'art antérieur.
Une solution peut consister à disposer un premier bobinage intérieur en fibres de verre, sur lequel on vient bobiner des fibres de carbone. Le composite verre, plus lourd et moins raide que le composite carbone, va venir créer une pression à l'interface qui va contrarier quelque peu la traction dans la matrice.
Les documents US4996016A et US4187738A proposent d'appliquer des précontraintes en compression dans l'épaisseur (dans la direction du rayon) du composite, de manière à améliorer le comportement mécanique du volant d'inertie et à mieux utiliser son potentiel. Dans les deux cas, les procédés décrits utilisent des matrices en résines dites thermodurcissables. Les matrices thermodurcissables nécessitent une opération de polymérisation par cuisson afin de leur donner leur forme définitive. Dans le cas de la fabrication du disque d'un volant d'inertie suivant le brevet US4187738A, l'utilisation d'une résine thermodurcissable oblige à procéder à une opération de polymérisation en température, entre chacune des fabrications des couches d'un disque d'un volant d'inertie. De plus, lors de cette cuisson, la résine thermodurcissable devient liquide et s'essore, rendant le maintien de la précontrainte aléatoire.
Dans un tout autre domaine, celui des canalisations destinées à transporter des fluides sous pression, le document US4514245A propose une solution de renforcement de tube en acier par un composite à matrice thermoplastique enroulé sous tension et soudé sur lui- même. Cette technologie permet, en mettant en compression le tube en acier, d'augmenter de manière substantielle sa capacité à répondre à une augmentation de pression en mobilisant une plus grande plage de la réserve élastique de l'acier.
La présente invention concerne un système inertiel de stockage et de restitution de l'énergie comprenant un disque en matériau composite. Selon l'invention, ledit disque est fabriqué en exploitant un procédé alternatif de résorption des contraintes de tractions radiales naissant dans un disque d'un volant d'inertie fabriqué en matériaux composites mis en rotation rapide, en utilisant sur tout ou partie de l'enroulement circonférentiel un composite à matrice thermoplastique, enroulé de façon à créer une précontrainte en compression radiale venant contrarier les contraintes liées à la rotation.
Le procédé selon l'invention
Ainsi, la présente invention concerne un système inertiel de stockage d'énergie comportant au moins un disque en rotation, ledit disque étant formé par l'enroulement autour d'un moyeu d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite, ledit composite étant formé de fibres enrobées dans une matrice, ledit enroulement formant une série de couches concentriques. Le système comporte au moins les caractéristiques suivantes :
- ladite matrice dudit composite dudit ruban est de nature thermoplastique ;
- ladite couche est soumise à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte radiale acceptable en service par ledit composite ;
- ledit ruban est soudé sur lesdites couches sous-jacentes.
Selon un mode préféré de mise en œuvre de la présente invention, ladite couche peut être soumise à ladite précontrainte par enroulement sous tension dudit ruban de composite
Préférentiellement, ladite soudure peut être une soudure thermique.
Selon un mode de mise en œuvre de la présente invention, ladite contrainte radiale acceptable en service peut correspondre à la contrainte radiale maximale supportable par ladite matrice, pondérée par un coefficient de sécurité compris entre 0 et 1 .
Préférentiellement, ledit coefficient de sécurité est inférieur à 0.8. Selon un mode de mise en œuvre de la présente invention, au moins lesdites couches formant la moitié la plus externe dudit disque peuvent être soumises à ladite précontrainte.
Selon un autre mode de mise en œuvre de la présente invention, au moins une couche en contact avec ledit moyeu peut être soumise à ladite précontrainte. Selon un mode particulier de mise en œuvre de la présente invention, l'ensemble desdites couches peut être soumis à ladite précontrainte.
Avantageusement, lesdites fibres peuvent être de nature minérale.
Préférentiellement, lesdites fibres peuvent être choisies parmi le verre, le carbone et l'aramide.
Selon un mode particulier de mise en œuvre de la présente invention, lesdites couches peuvent comporter des fibres de nature différente.
Selon un mode préféré de mise en œuvre de la présente invention, lesdites couches peuvent être soumises à des valeurs de précontraintes radiales différentes en fonction de leur distance radiale.
On peut définir un procédé de fabrication d'un système inertiel de stockage d'énergie comportant au moins un disque en rotation, en réalisant au moins les étapes suivantes :
- on forme ledit disque par l'enroulement autour d'un moyeu d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite de fibres enrobées dans une matrice thermoplastique, ledit enroulement formant des couches successives,
- on soumet, au moins une couche dudit disque, à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte radiale acceptable en service par ledit composite, ledit ruban de ladite couche étant soudé aux couches sous-jacentes.
Selon un mode préféré de mise en œuvre du procédé selon invention, on peut appliquer ladite précontrainte par tension sur le ruban, en cours d'enroulement.
Préférentiellement, ledit ruban peut être soudé par mise en fusion de ladite matrice thermoplastique.
En outre, l'invention concerne un véhicule comprenant au moins un système inertiel de stockage de l'énergie selon la description ci-dessus. Par ailleurs, l'invention concerne un réseau de distribution de l'électricité comprenant au moins un système inertiel de stockage de l'énergie selon la description ci-dessus. Présentation succincte des Figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La Figure 1 illustre la composition d'un matériau composite, formé de fibres enrobées dans une matrice en résine.
La Figure 2 présente un exemple de disque d'un volant d'inertie fabriqué en matériau composite.
La Figure 3 présente l'évolution dans un disque en rotation rapide de la contrainte circonférentielle σθ et de la contrainte radiale ar en fonction de la distance à l'axe de rotation.
La Figure 4 illustre la création de contraintes de compression radiale (P) par enroulement (W) sous tension (T) d'un ruban de composite sur un moyeu (M), ledit ruban étant soudé aux couches préexistantes par soudage (S).
Description détaillée du système
Ainsi la présente invention concerne un système inertiel de stockage de l'énergie, appelé aussi volant d'inertie, comportant au moins un disque en rotation formé par l'enroulement, autour d'un moyeu, d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite, l'enroulement formant une série de couches concentriques. Pour au moins une couche dudit disque, ledit ruban est formé de fibres enrobées dans une matrice thermoplastique. De plus, ladite couche est enroulée de sorte à générer une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte de traction acceptable en service (c'est-à-dire lorsque le disque est mis en rotation) par ledit composite. Par ailleurs, selon l'invention, le ruban de ladite couche est soudé sur les couches sous-jacentes. Les caractéristiques principales de la présente invention sont détaillées ci-après.
a) Matrice thermoplastique
Le disque selon l'invention repose en particulier sur le fait qu'au moins une couche du disque d'un volant d'inertie est constituée d'un matériau composite dont les fibres sont enrobées dans une matrice thermoplastique.
L'utilisation d'une matrice thermoplastique permet de souder, couche par couche, instantanément, et en continu, les différentes couches de ruban de composite formant un disque. Selon l'invention, au moins une couche du disque du volant d'inertie est soudée aux couches déjà formées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une couche du disque du volant d'inertie est fabriquée en soudant l'intérieur du ruban de matériau composite, constitué de fibres enrobées dans une matrice thermoplastique, sur le rayon extérieur du disque déjà fabriqué. L'assemblage de couches ainsi formé tient alors immédiatement.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la soudure est une soudure thermique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une couche du disque du volant d'inertie est fabriquée en soudant cette nouvelle couche au groupe de sous- couches déjà formées, à l'aide par exemple d'un chalumeau, pour faire fondre, par mise en fusion, la résine thermoplastique, et ainsi souder ladite nouvelle couche audit groupe de sous-couches.
Un avantage de la présente invention par rapport à l'art antérieur est apporté par le fait que, contrairement aux matrices thermodurcissables, une résine thermoplastique ne nécessite pas d'étape de polymérisation, longue et coûteuse en termes de dépense énergétique, pendant laquelle la résine est fluide et sans consistance mécanique. De plus, dans le cas du document US4514245A, une étape de polymérisation est appliquée pour chaque couche, entre chaque mise en précontrainte. Par ailleurs, la polymérisation peut rendre aléatoire le comportement de la pièce ainsi formée, après mise sous précontrainte. Et enfin, dans le domaine de canalisations fabriquées selon le document US4514245A, l'utilisation d'un composite à matrice thermoplastique sous effort de précontrainte a montré d'excellentes caractéristiques de tenue dans le temps au fluage, à l'environnement, et à la fatigue.
b) Précontrainte en compression radiale
La présente invention repose en particulier sur le fait qu'au moins une couche du disque d'un volant d'inertie soit soumise à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte radiale acceptable en service par ledit composite. On entend par contrainte radiale acceptable en service une valeur de contrainte au plus égale à la contrainte radiale maximale supportable, c'est-à-dire avant rupture, par la matrice de résine. L'homme du métier a parfaite connaissance de la façon dont définir une valeur de contrainte radiale acceptable en service.
Cette caractéristique vise à améliorer le comportement sous contrainte radiale de la matrice de résine. En particulier, cette caractéristique vise à contrebalancer les contraintes radiales, de traction, qui naissent dans la matrice suite à une mise en rotation, permettant une répartition plus harmonieuse de ces contraintes. On exploite de cette façon la différence de contraintes induite par la force centrifuge entre l'intérieur et l'extérieur du disque mis en rotation. De plus, à dimension égale, le fait de diminuer les contraintes radiales dans la résine, voire de les annuler, permet d'augmenter la sécurité mais aussi la durée de vie du système.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la contrainte radiale acceptable en service correspond à la valeur de la contrainte radiale qui peut être supportée, avant rupture, par le matériau mis en rotation rapide, valeur à laquelle on applique un coefficient de sécurité compris entre 0 et 1 .
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le coefficient de sécurité est inférieur à 0.8. On définit ainsi une marge de sécurité, visant à éviter d'atteindre une contrainte totale trop proche de la valeur de rupture du matériau. Selon un mode préféré de mise en œuvre de la présente invention, au moins une couche du disque d'un volant d'inertie est soumise à ladite précontrainte en compression par enroulement sous tension du ruban de composite.
Selon un mode particulier de mise en œuvre de la présente invention, la précontrainte en compression est créée par l'enroulement sous tension du ruban de composite pour au moins une couche du disque d'un volant d'inertie. Cette opération est aussi connue sous le terme de frettage.
Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, la tension T à exercer dans le ruban pour induire une précontrainte en compression radiale P sur une couche à fabriquer est donnée par la formule bien connue du spécialiste :
T _ PR
el e
dans laquelle / est la largeur du ruban, e est son épaisseur, et R est le rayon d'application. On en déduit alors :
Figure imgf000012_0001
Cette pression P induit alors dans l'ensemble du disque un système de contraintes bien connu (contraintes de pression sur la paroi externe d'un tube épais, équations dites de Lamé), que l'on peut calculer en exprimant que, sur la frontière externe du disque, la contrainte dans le sens radial ar (cf équation (4) ci-dessus) est égale à P.
Préférentiellement, la précontrainte en compression est obtenue par l'enroulement sous tension du ruban de composite, le ruban étant lui-même soudé à la couche précédemment formée. La Figure 4 illustre la création de contraintes de compression radiale (P) par enroulement (W) sous tension (T) d'un ruban de composite sur un moyeu (M), ledit ruban étant soudé aux couches préexistantes par soudage (S).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'opération de mise en tension des fibres peut être reproduite pour une couche supplémentaire, les effets s'additionnant puisque l'on reste dans le domaine de l'élasticité. Selon un mode de mise en œuvre de la présente invention, les couches formant le disque d'un volant d'inertie sont soumises à des valeurs de précontraintes radiales différentes en fonction de leur distance radiale (distance d'une couche donnée à l'axe de rotation du disque).
Ainsi, l'application d'une précontrainte en compression radiale permet une meilleure optimisation du potentiel du composite, ainsi qu'une amélioration significative des performances du volant, en terme d'énergie disponible. En particulier, le volant peut être rendu plus compact à énergie équivalente, ou embarquer plus d'énergie à dimension identique. Ou encore, à dimension équivalente, les performances en tenue dans le temps, et donc la sécurité, peuvent être augmentées.
Ainsi le système selon l'invention concerne un système de stockage inertiel de l'énergie dont le disque est constitué d'au moins une couche de matériau composite à base de matrice thermoplastique, cette couche étant soudée aux couches pré-existantes et soumise à une précontrainte en compression radiale afin de contrarier, lorsque le disque tourne, des contraintes de traction radiales préjudiciables car localisées dans la matrice de résine.
Variantes
Selon un mode préféré de réalisation de la présente invention, la moitié la plus externe du disque d'un volant d'inertie est formée de couches constituées de fibres enrobées dans une matrice thermoplastique, et sont soumises à une précontrainte en compression radiale. Un disque ainsi formé est caractérisé par une augmentation de la contrainte circonférentielle dans les couches externes du disque. Toutefois ces contraintes sont appliquées de manière à ne pas être critiques dans le dimensionnement du disque d'un volant d'inertie.
Selon un mode de réalisation de la présente invention dans lequel le volant est bobiné sur un moyeu métallique, au moins la couche de composite en contact avec ledit moyeu est soumise à une précontrainte de compression radiale. En effet, le moyeu métallique, situé sur le rayon intérieur du composite, subit des contraintes liées aux efforts centrifuge. Etant sur un rayon suffisamment petit, les efforts sont supportables par le métal. Toutefois l'allongement du composite sous l'effet des contraintes centrifuges pour une vitesse de rotation donnée est bien supérieur à celui du métal au droit de leur liaison, même si le métal est du titane. Il en résulte des difficultés importantes de collage et des risques de désunion des deux pièces. Ainsi, le fait d'appliquer une précontrainte de compression radiale sur une partie suffisante de composite en contact avec le moyeu métallique permet de contribuer de manière très positive à la tenue du système en service, en évitant la désolidarisation des couches composites du moyeu.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble des couches du disque d'un volant d'inertie est soumis à une précontrainte en compression radiale.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, on applique une précontrainte de compression radiale pour toutes les couches de composite.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les couches de composite sont soumises à des valeurs de précontraintes radiales différentes en fonction de leur distance radiale. Selon un mode particulier de mise en œuvre de l'invention, la précontrainte en compression radiale augmente avec la distance à l'axe de rotation.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les fibres constituant le matériau composite sont de nature minérale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les fibres constituant le matériau composite sont choisies parmi le verre, le carbone et l'aramide.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les couches constituant le disque du volant d'inertie comportent des fibres de nature différente. Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, un disque est par exemple constitué d'une moitié la plus interne en fibres de verre, et d'une moitié la plus externe en fibres de carbone. Selon un autre mode particulier de réalisation de la présente invention, le disque est constitué de trois types de fibres différentes, comprenant la fibre de verre, la fibre d'aramide, et la fibre de carbone. En outre, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un système inertiel de stockage d'énergie comportant au moins un disque en rotation. Le procédé comporte au moins les étapes suivantes :
- on forme ledit disque par l'enroulement autour d'un moyeu d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite de fibres enrobées dans une matrice thermoplastique, ledit enroulement formant des couches successives,
- on soumet, au moins une couche dudit disque, à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte acceptable en service par ledit composite, ledit ruban de ladite couche étant soudé aux couches sous-jacentes.
L'invention concerne également un véhicule, terrestre ou non, comprenant au moins un système inertiel de stockage de l'énergie dont au moins un disque est fabriqué selon le procédé selon l'invention.
L'invention concerne également un réseau de distribution électrique, comprenant au moins un système inertiel de stockage de l'énergie dont au moins un disque est fabriqué selon le procédé selon l'invention.
L'invention concerne également une éolienne, comprenant au moins un système inertiel de stockage de l'énergie dont au moins un disque est fabriqué selon le procédé selon l'invention.
Exemples
On considère dans un premier temps un volant d'inertie fabriqué selon l'art antérieur.
Soit un disque en rotation rapide réalisé à partir d'un enroulement de fibres de carbone dans une matrice de résine, les fibres étant enroulées sur un rayon intérieur de 20 cm, et un rayon extérieur de 30 cm. Les caractéristiques classiques d'un matériau composite à base de fibres de verre ou de fibres de carbone sont résumées dans le Tableau 1 . On peut constater dans ce tableau, la très importante résistance mécanique dans le sens des fibres du composite (valeurs élevées des contraintes circonférentielles supportables par les deux types de matériaux composites), notamment lorsqu'elle est rapportée à son poids, ainsi que la faiblesse de ces mêmes caractéristiques dans le sens transverse (valeurs faibles des contraintes radiales supportables par les deux types de matériaux composites).
Le Tableau 2 illustre les variations des contraintes induites dans un volant fabriqué à partir de fibres de carbone, tournant à une vitesse de rotation de 2900 radians par seconde (soit près de 28 000 tours/min), en fonction de la distance radiale (distance à l'axe de rotation). Pour des raisons de sécurité, on considère qu'une contrainte circonférentielle de 1000 MPa et une contrainte radiale de 25 MPa sont acceptables en service par un volant ainsi fabriqué. L'analyse des contraintes dans le volant indique que la contrainte circonférentielle acceptable est quasiment atteinte sur le rayon intérieur du volant (997 MPa). Toutefois on observe que les contraintes circonférentielles décroissent vers l'extérieur du disque (de 997 à 727 MPa). On constate par ailleurs que les contraintes radiales, c'est-à-dire dans la matrice de résine, sont maximales au centre du disque et atteignent quasiment la valeur de rupture d'un composite en fibres de carbone (45 MPa). Ceci est inacceptable, car pouvant entraîner un délaminage avec risque associé de rupture catastrophique.
Tableau 1
Caractéristiques mécaniques Composite en fibres Composite en fibres de verre de carbone
Module d'Young sens fibres 55 000 MPa 140 000 MPa
Module d'Young transverse 13 000 MPa 10 000 MPa
Contrainte circonférentielle maximale 1 500 MPa 1 800 MPa
Contrainte radiale maximale 40 MPa 45 MPa
Densité : 2,1 1 ,6
Tableau 2
Distance radiale (m) Contrainte circonférentielle Contrainte radiale
(MPa) (MPa)
0.2 997 0
0.21 949 19
0.22 915 32.5
0.23 889 40.7
0.24 868 44.6
0.25 850 44.9 0.26 830 41 .8
0.27 810 35.6
0.28 787 26.7
0.29 760 14.7
0.3 727 0
Dans un deuxième temps, on considère un système selon l'invention.
Plus précisément, on considère un disque d'un système inertiel de stockage d'énergie en matériau composite à base de fibres de carbone et de résine. Le rayon intérieur de ce disque est de 20 cm et le rayon extérieur est de 30 cm. Une première moitié de ce disque (c'est-à-dire jusqu'à une distance radiale de 25 cm) est fabriquée en utilisant une résine thermodurcissable ou thermoplastique, sans application d'une précontrainte. Ensuite, sur cette partie de volant utilisée comme mandrin de support, on bobine les fibres de carbone enrobées dans une matrice thermoplastique sous une précontrainte en compression radiale de 9 MPa par cm d'épaisseur de composite posé sous précontrainte. La soudure réalisée au moment de l'enroulement assure la stabilité immédiate de l'ensemble et prévient de tout déroulement ultérieur intempestif du composite.
Le Tableau 3 illustre les variations, en fonction de la distance radiale, de la contrainte de compression radiale induite dans le disque ainsi fabriqué. En tenant compte du fait qu'il s'agit d'un système épais, la contrainte de compression radiale introduite par la précontrainte au niveau du rayon moyen est de -34 MPa. Ainsi, lorsque le volant est mis en rotation à une vitesse de 28 000 tr/mn, la contrainte de traction apparaissant dans la résine et égale à 45 MPa (voir plus haut) est contrariée par cette précontrainte en compression de -34 MPa.
Le Tableau 4 présente les variations, en fonction de la distance radiale, de la contrainte radiale et de la contrainte circonférentielle résultantes de l'application de la précontrainte radiale en compression. On observe dans ce tableau que la contrainte radiale résultante est ainsi ramenée à un niveau acceptable en service, d'environ 17 MPa environ au maximum (Tableau 4), ce qui est une valeur largement supportable par la matrice de résine (valeur à rupture de 45 MPa) et même inférieure à la contrainte radiale jugée acceptable en service (25 MPa) .On note aussi que les contraintes circonférentielles, dans les fibres, sont devenues prépondérantes sur l'extérieur du disque, mais restent cependant acceptables par rapport à la résistance mécanique du matériau dans la direction circonférentielle (valeur maximale supportable par le matériau de 1800 MPa et valeur maximale acceptable en service de 1000 MPa).
Tableau 3
Figure imgf000018_0001
Tableau 4
Distance radiale Contrainte Contrainte radiale
(m) circonférentielle résultante (MPa) résultante (MPa)
20 826 0
21 783 1 1 ,34
22 749 17,51
23 719 18,7
24 691 16,6
25 intérieur 662 10,9
25 extérieur 943 10,9
26 968 1 1 ,8
27 991 1 1 ,7
28 1010 9,6
29 1027 5,7
30 983 0

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système inertiel de stockage d'énergie comportant au moins un disque en rotation, ledit disque étant formé par l'enroulement autour d'un moyeu d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite, ledit composite étant formé de fibres enrobées dans une matrice, ledit enroulement formant une série de couches concentriques, caractérisé en ce que, pour au moins une couche dudit disque :
- ladite matrice dudit composite dudit ruban est de nature thermoplastique ;
- ladite couche est soumise à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte radiale acceptable en service par ledit composite,
- ledit ruban est soudé sur lesdites couches sous-jacentes.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel ladite couche est soumise à ladite précontrainte par enroulement sous tension dudit ruban de composite.
3. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite soudure est une soudure thermique.
4. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite contrainte radiale acceptable en service correspond à la contrainte radiale maximale supportable par ladite matrice, pondérée par un coefficient de sécurité compris entre 0 et 1 .
5. Système selon la revendication 4, dans lequel ledit coefficient de sécurité est inférieur à 0.8.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins lesdites couches formant la moitié la plus externe dudit disque sont soumises à ladite précontrainte.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une couche en contact avec ledit moyeu est soumise à ladite précontrainte.
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'ensemble desdites couches est soumis à ladite précontrainte.
9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites fibres sont de nature minérale.
10. Système selon la revendication 7, dans lequel lesdites fibres sont choisies parmi le verre, le carbone et l'aramide.
1 1 . Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites couches comportent des fibres de nature différente.
12. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites couches sont soumises à des valeurs de précontraintes radiales différentes en fonction de leur distance radiale.
13. Procédé de fabrication d'un système inertiel de stockage d'énergie comportant au moins un disque en rotation, caractérisé en ce que l'on effectue au moins les étapes suivantes :
- on forme ledit disque par l'enroulement autour d'un moyeu d'au moins un ruban constitué d'un matériau composite de fibres enrobées dans une matrice thermoplastique, ledit enroulement formant des couches successives,
- on soumet, au moins une couche dudit disque, à une précontrainte en compression radiale déterminée en fonction de la contrainte radiale acceptable en service par ledit composite, ledit ruban de ladite couche étant soudé aux couches sous-jacentes.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on applique ladite précontrainte par tension sur le ruban, en cours d'enroulement.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 à 14, dans lequel ledit ruban est soudé par mise en fusion de ladite matrice thermoplastique.
16. Véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un système inertiel de stockage de l'énergie selon l'une des revendications 1 à 12.
17. Réseau de distribution de l'électricité, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un système inertiel de stockage de l'énergie selon l'une des revendications 1 à 12.
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