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Micro-cogénération solaire par moteur thermo-hydraulique Sylvain MAURAN Rémy BORGOGNO Journée Micro-cogénération Jeudi 23 Janvier 2014. CNAM Paris.

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1 Micro-cogénération solaire par moteur thermo-hydraulique Sylvain MAURAN Rémy BORGOGNO Journée Micro-cogénération Jeudi 23 Janvier CNAM Paris

2 Application : Micro-cogénération pour l’habitat Choix de la source, du puits de chaleur et du cycle moteur T sc ThTh TbTb T pf M Capteurs solaires : plans, à tubes sous vide ? Puits froid : (hiver / été) - Radiateur BT - Plancher chauffant - Ambiance extérieure

3 c ThTh TbTb d CT ’CT d ’ EV d ’ EV d EV c EV c’ BCA Cond x EV e EV r Evap Génératrice PHA CL’ h CL h CL b CL’ b b a CL a Moteur ou turbine hydraulique h c a x d ThTh b TbTb Ln(P) PhPh PbPb Machine ditherme motrice thermo-hydraulique : CAPILI moteur (2 ème 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

4 h c a x d b Ln(P) PhPh PbPb c ThTh TbTb dd ’ EV d ’ EV d EV c EV c’ BCA Cond EV r Evap CL b b a CT CL’ h CL h CL’ b CT ’ EV e x CL a CAPILI moteur (2 ème type) PHA v c > v a Génératrice Moteur ou turbine hydraulique Phase 

5 h c a x d b Ln(P) P h1 P b1 c ThTh T mM dd ’ EV d ’ EV d EV c EV c’ BCA Cond Evap b CL’ h CL h CL’ b CT ’ x CL b CT EV e CL a EV r v c > v a (v x - v a ) = (v d – v c ) Cas limite: v x = v d  v a = v c Il existe une valeur maximale de T h pour une valeur de T b donnée (≈ Tamb +5°C)   = f(T b /T h ) limité … … sauf si cascade thermique ! Génératrice Moteur ou turbine hydraulique CAPILI moteur (2 ème type) Phase 

6 c ThTh TbTb d CT ’CT d ’ EV d ’ EV d EV c EV c’ Cond EV e Evap Génératrice CL’ h CL h CL b CL’ b b Moteur ou turbine hydraulique Variante simplifiée : CAPILI moteur 1 er type a h c d ThTh TbTb Ln(P) PhPh PbPb b a d sc v c >> v a (v x - v a ) = (v d – v c ) v c >> v a  v x ≈ v d - v c  x [a,d]  (T b, T h < T critique ) x Détails in “S. Mauran et al., Applied Thermal Engineering 37 (2012), pp "

7 Pression (bar) Enthalpie (kJ/kg).. a b c d j k i f e x 70°C 40°C 10°C Exemples de cycles CAPILI avec source solaire BT Fluide de travail : HFO 1234yf ODP = 0 GWP = 4 Cycle moteur Type CAPILIT h (°C)T b (°C )  (%)   Cs (%) abcd efcd ijck 2 nd 1 er ,7≈ 100 7,585,4 13,879,2 Avec rendement de transformation hydraulique/mécanique/électrique = 1 x

8 Validation expérimentale sur maquette de petite puissance (50 We) HP BP CT & CT’ Résistance électrique Génératrice & Multiplicateur vitesse Couplemètre Moteur hydraulique (OML8 Danfoss) HP BP transformateur hydraulique/ mécanique/ électrique (THME)

9 Constat : Avec R hyd : Résistance hydraulique du THME en charge (sur R c ) Validation expérimentale Régime instationnaire de la transformation hydraulique  mécanique  électrique R c = 7 Ω

10 Transformateur Hydraulique/Mécanique/Electrique avec turbine hydraulique Francis (lente) TH Rendement d’une turbine Francis à  p constant en fonction du débit volumique (% nominal) p V  PhPh PbPb  PnPn PiPi PjPj Adaptations pendant les phases  du cycle de Rc et/ou du distributeur maximiser  t

11 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

12 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 T ext  rendements énergétiques acceptables Conclusions (1 & 2) Bons rendements exergétiques du moteur thermo-hydraulique CAPILI : idéalement 79 à 100% selon type et conditions opératoires (T h =70°C ; T b = 10 ou 40°C)

13 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)

14 Merci de votre attention Sylvain MAURAN Rémy BORGOGNO Journée Micro-cogénération Jeudi 23 Janvier CNAM Paris


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