Transcript Micro-cogénération solaire par moteur thermo-hydraulique Sylvain MAURAN Rémy BORGOGNO Journée Micro-cogénération Jeudi 23 Janvier 2014. CNAM Paris Application : Micro-cogénération pour l’habitat Choix de la source, du puits de.

Micro-cogénération solaire
par moteur
thermo-hydraulique
Sylvain MAURAN
Rémy BORGOGNO
Journée
Micro-cogénération
Jeudi 23 Janvier 2014.
CNAM Paris
Application : Micro-cogénération pour l’habitat
Choix de la source, du puits de chaleur et du cycle moteur
Capteurs solaires : plans, à tubes sous vide ?
Tsc
Th
h
Q
M
b
Q
Tb
Tpf
Puits froid :
(hiver / été)
Cogénération
e
W
"Fausse"
"Vraie"
Tsc (°C)
100
80
100
80
Tpf (°C)
0
0
30
30
C (%)
26,8
22,7
18,6
14,2
- Radiateur BT
- Plancher chauffant
- Ambiance extérieure
Machine ditherme motrice
thermo-hydraulique :
CAPILI moteur (2ème type)
c
EVc’
EVc
EVd ’
EVd
d’
d
Tb
Cond
Th
x
- RANKINE : a’b’c’d’
(avec irréversibilités durant b’→b et c → c’)
- CAPILI (CArnot à PIston LIquide) : abcd
EVe
CLa
BCA
Evap
a
CT ’
b
CT
Ln(P)
Th
b’ b
Ph
c
c’
EVr
CL’b
M
Pb
x
a’
a
Tb
d
CL’h
d’
CLb
CLh
h
PHA
Génératrice
Moteur ou turbine
hydraulique
CAPILI moteur (2ème type)
c
EVc’
EVc
EVd ’
EVd
d’
Ln(P)
vc > v a
b
Ph
d
Cond
EVe
Phase ab
x
a
Th
x
c
Pb
Tb
CLa
BCA
Evap
a
d
CT ’
b
CT
h
EVr
CL’b
CL’h
CLb
CLh
PHA
Génératrice
Moteur ou turbine
hydraulique
CAPILI moteur (2ème type)
c
EVc’
EVc
EVd ’
EVd
d’
Ln(P)
vc > v a
b
Ph1
d
Cond
EVe
Phase bg
x
a
Th
x
c
Pb1
TmM
CLa
BCA
d
CT ’
b
CT
h
EVr
(vx - va) = (vd – vc)
Cas limite: vx = vd  va = vc
CL’b
CL’h
Il existe une valeur maximale de Th pour
une valeur de Tb donnée (≈ Tamb +5°C)
  = f(Tb/Th) limité …
… sauf si cascade thermique !
Evap
CLb
CLh
Génératrice
Moteur ou turbine
hydraulique
Variante simplifiée :
CAPILI moteur 1er type
c
EVc’
EVc
EVd ’
EVd
d’
d
Ln(P)
Tb
Cond
Th
b
Ph
Th
a
vc >> va
c
EVe
Evap
Pb
x
a
Tb
CT ’
d dsc
CT
b
h
(vx - va) = (vd – vc)
vc >> va  vx ≈ vd- vc
 x  [a,d]
 (Tb, Th < Tcritique)
CL’b
CL’h
CLb
CLh
Génératrice
Moteur ou turbine
hydraulique
Détails in “S. Mauran et al., Applied Thermal Engineering 37 (2012), pp 249-257 "
Exemples de cycles CAPILI avec source solaire BT
Pression (bar)
Fluide de travail :
HFO 1234yf
ODP = 0
GWP = 4
f
j
.
b
a
e
i
70°C
c
40°C
10°C
d
x
k
x
Avec rendement de transformation
hydraulique/mécanique/électrique = 1
.
Enthalpie (kJ/kg)
Cycle moteur Type CAPILI
abcd
efcd
2nd
1er
ijck
1er
Th (°C)
70
Tb(°C
)
40
10
 (%)
/ Cs (%)
8,7
≈ 100
7,5
85,4
13,8
79,2
Validation expérimentale sur maquette de petite puissance (50 We)
HP
CT & CT’
BP
transformateur
hydraulique/
mécanique/
électrique (THME)
Résistance électrique
Génératrice &
Multiplicateur vitesse
HP
Couplemètre
Moteur hydraulique
(OML8 Danfoss)
BP
Rc = 7 Ω
Validation expérimentale
Régime instationnaire de la transformation
hydrauliquemécaniqueélectrique
Constat :
Avec Rhyd : Résistance hydraulique
du THME en charge (sur Rc)
 2.Kc. acc 
v

R hy d 
.
mec.acc.(R c  R i ) 
Cyl 
2
Transformateur Hydraulique/Mécanique/Electrique
avec turbine hydraulique Francis (lente)
CT’
CT
Ri
Rc
acc
G
MH
TH

W

t  méc  f caractéris tiques _ turbine, P, V
LT

Whyd

P  R hyd  V
LT


R hyd  f carac _ turb, Rc,...
Ph
Pn

V
p
Rendement d’une turbine Francis à p constant
en fonction du débit volumique (% nominal)
Adaptations pendant les phases bg du cycle
de Rc et/ou du distributeur
Pi
Pj
ab
bg
Pb
maximiser t
Influence de la résistance de charge Rc
Quelques caractéristiques de la turbine hydraulique et de la chaîne de transformation :
Type :
Francis lente
&
aubage
distributeur fixe
Vitesse
Débit
Puissance
Rendement Rendement
P
spécifique nominal
nominal hydraulique nominale
acc
gén
(tr/min)
(kW)
(bars) (litres/min)
(-)
(-)
40
10
774
13
0,9
0,95
1
rendement turbine
0,9
0,8
Rc = 15 ohms
Rc = 20 ohms
Rc = 25 ohms
Rc = 50 ohms
Rc = 80 ohms
Rc = 100 ohms
Rc = 300 ohms
Rc = 600 ohms
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0
2
4
6
P (bars)
8
10
Conclusions
(1 & 2)
• Source chaleur privilégiée pour l’habitat : Solaire basse
température (≈ 80°C)
– “vraie cogénération” : production électrique et
chaleur utile à faible température (30°C)
 faible rendement énergétique
– “fausse cogénération” : chaleur utile solaire ou production
électrique + rejet chaleur à Text
 rendements énergétiques acceptables
• Bons rendements exergétiques du moteur thermo-hydraulique
CAPILI : idéalement 79 à 100% selon type et conditions
opératoires (Th =70°C ; Tb = 10 ou 40°C)
Conclusions
(3)
• Problèmes scientifiques et techniques en suspens : transformation
hydraulique/mécanique/électrique avec une bonne efficacité
sous P variable.
– Avec moteur hydraulique : rendements faibles (envisageable
pour d’autres applications avec très grand P)
– Avec turbine hydraulique (Francis): hauts rendements possibles
même en régime variable
 adaptation de la charge Rc et/ou aubage du distributeur
(thèse en cours)
Merci de votre attention
Sylvain MAURAN
Rémy BORGOGNO
Journée
Micro-cogénération
Jeudi 23 Janvier 2014.
CNAM Paris