Micro-cogénération solaire par moteur

thermo-hydraulique

Sylvain MAURANRémy BORGOGNO

Journée Micro-cogénération

Jeudi 23 Janvier 2014. CNAM Paris

Application : Micro-cogénération pour l’habitatChoix de la source, du puits de chaleur et du cycle moteur

Tsc

Th

Tb

Tpf

M

hQ

eW

bQ

Cogénération "Fausse" "Vraie"

Tsc (°C) 100 80 100 80

Tpf (°C) 0 0 30 30

C (%) 26,8 22,7 18,6 14,2

Capteurs solaires : plans, à tubes sous vide ?

Puits froid :(hiver / été)

- Radiateur BT- Plancher chauffant- Ambiance extérieure

c

Th

Tb

d

CT ’ CT

d ’

EVd ’ EVd

EVcEVc’

BCA

Condx

EVe

EVr

Evap

GénératricePHA

CL’h CLh

CLb

CL’b

ba

CLa

Moteur ou turbinehydraulique

h

c

a

x

d

Thb

Tb

Ln(P)

Ph

Pb

Machine ditherme motricethermo-hydraulique :

CAPILI moteur (2ème type)

M

b’

a’

c’

d’

- RANKINE : a’b’c’d’ (avec irréversibilités durant b’→b et c → c’)- CAPILI (CArnot à PIston LIquide) : abcd

h

c

a

x

d

b

Ln(P)

Ph

Pb

c

Th

Tb

dd ’

EVd ’ EVd

EVcEVc’

BCA

Cond

EVr

Evap

CLb

ba

CT

CL’h CLh

CL’b

CT ’

EVe

x

CLa

CAPILI moteur (2ème type)

PHA

vc > va

GénératriceMoteur ou turbine

hydraulique

Phase

h

c

a

x

d

b

Ln(P)

Ph1

Pb1

c

Th

TmM

dd ’

EVd ’ EVd

EVcEVc’

BCA

Cond

Evap

b

CL’h CLh

CL’b

CT ’

x

CLb

CT

EVe

CLa

EVr

vc > va

(vx - va) = (vd – vc)Cas limite: vx = vd va = vc

Il existe une valeur maximale de Th pour une valeur de Tb donnée (≈ Tamb +5°C) = f(Tb/Th) limité …

… sauf si cascade thermique !

GénératriceMoteur ou turbine

hydraulique

CAPILI moteur (2ème type)

Phase

c

Th

Tb

d

CT ’ CT

d ’

EVd ’ EVd

EVcEVc’

Cond

EVe

Evap

Génératrice

CL’h CLh

CLb

CL’b

b

Moteur ou turbinehydraulique

Variante simplifiée :CAPILI moteur 1er type

a

h

c

d

Th

Tb

Ln(P)

Ph

Pb

b

a

dsc

vc >> va

(vx - va) = (vd – vc)vc >> va vx ≈ vd- vc

x [a,d] (Tb, Th < Tcritique)

x

Détails in “S. Mauran et al., Applied Thermal Engineering 37 (2012), pp 249-257 "

Pression (bar)

Enthalpie (kJ/kg)

.

. a

bc

d

j

ki

f

ex

70°C

40°C

10°C

Exemples de cycles CAPILI avec source solaire BT

Fluide de travail :HFO 1234yfODP = 0GWP = 4

Cycle moteur Type CAPILI Th (°C) Tb(°C) (%) Cs (%)

abcdefcd

ijck

2nd 1er

1er 70

40

10

8,7 ≈ 100

7,5 85,4

13,8 79,2

Avec rendement de transformationhydraulique/mécanique/électrique = 1

x

Validation expérimentale sur maquette de petite puissance (50 We)

HP

BPCT & CT’

Résistance électrique

Génératrice &Multiplicateur vitesse

Couplemètre

Moteur hydraulique (OML8 Danfoss)

HP

BP

transformateurhydraulique/mécanique/

électrique (THME)

Constat :

Avec Rhyd : Résistance hydraulique

du THME en charge (sur Rc)

Validation expérimentale

Régime instationnaire de la transformation hydrauliquemécaniqueélectrique

2acc

icaccmec

vhyd Cyl

.Kc.2.

)RR.(.R

Rc = 7 Ω

Transformateur Hydraulique/Mécanique/Electrique avec turbine hydraulique Francis (lente)

CTCT’

acc

MH

G

Ri

Rc

TH

LThyd

méct V,P,turbine_tiquescaractérisf

W

W

Rendement d’une turbine Francis à p constanten fonction du débit volumique (% nominal)

pV

LThyd VRP

,...Rc,turb_caracfR hyd

Ph

Pb

Pn

PiPj

Adaptations pendant les phases du cyclede Rc et/ou du distributeur

maximiser t

Influence de la résistance de charge Rc

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 2 4 6 8 10

P (bars)

ren

dem

ent

turb

ine Rc = 15 ohms

Rc = 20 ohmsRc = 25 ohmsRc = 50 ohmsRc = 80 ohmsRc = 100 ohmsRc = 300 ohmsRc = 600 ohms

Vitesse spécifique (tr/min)

P nominal (bars)

Débit nominal

(litres/min)

Puissance hydraulique nominale

(kW)

Rendement acc (-)

Rendement gén (-)

40 10 774 13 0,9 0,95

Quelques caractéristiques de la turbine hydraulique et de la chaîne de transformation :

Type :Francis lente

& aubage

distributeur fixe

• 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

Conclusions (1 & 2)

• 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)

• 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)

Conclusions(3)

Merci de votre attention

Sylvain MAURANRémy BORGOGNO

Journée Micro-cogénération

Jeudi 23 Janvier 2014. CNAM Paris