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

M Tsc Th Tb Tpf 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 M Tb Tpf Radiateur BT Plancher chauffant Ambiance extérieure Puits froid : (hiver / été)

Machine ditherme motrice CAPILI moteur (2ème type) thermo-hydraulique : CAPILI moteur (2ème type) 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 Evap BCA a b CT ’ CT Ln(P) Th b’ b c c’ EVr Ph M CL’b CLb x Pb a’ CL’h CLh a d d’ Tb h PHA Génératrice Moteur ou turbine hydraulique

CAPILI moteur (2ème type) EVc’ EVc EVd ’ EVd d ’ d Ln(P) Tb vc > va Cond b Th x Ph c EVe Phase ab CLa Evap x Pb BCA a a d b CT ’ CT h EVr CL’b CLb CL’h CLh PHA Génératrice Moteur ou turbine hydraulique

Cas limite: vx = vd  va = vc CAPILI moteur (2ème type) c EVc’ EVc EVd ’ EVd d ’ d Ln(P) TmM vc > va Cond b Th x Ph1 c EVe Phase bg CLa Evap x Pb1 BCA a d b CT ’ CT h EVr (vx - va) = (vd – vc) Cas limite: vx = vd  va = vc CL’b CLb CL’h CLh Il existe une valeur maximale de Th pour une valeur de Tb donnée (≈ Tamb +5°C)  h = f(Tb/Th) limité … Génératrice Moteur ou turbine hydraulique … sauf si cascade thermique !

vc >> va  vx ≈ vd- vc Variante simplifiée : CAPILI moteur 1er type EVc’ EVc EVd ’ EVd d ’ d Tb Ln(P) Cond Th vc >> va a Th b c Ph EVe Evap x Pb a b CT ’ CT d dsc Tb h (vx - va) = (vd – vc) vc >> va  vx ≈ vd- vc CL’b CLb CL’h CLh x [a,d]  (Tb, Th < Tcritique) Génératrice Moteur ou turbine hydraulique Détails in “S. Mauran et al., Applied Thermal Engineering 37 (2012), pp 249-257 "

Pression (bar) Enthalpie (kJ/kg) Exemples de cycles CAPILI avec source solaire BT Pression (bar) Fluide de travail : HFO 1234yf ODP = 0 GWP = 4 b f 70°C j c . a e 40°C d x k i 10°C x Avec rendement de transformation hydraulique/mécanique/électrique = 1 . Enthalpie (kJ/kg) Cycle moteur h/ hCs (%) Type CAPILI Th (°C) Tb(°C) h (%) abcd 2nd 8,7 ≈ 100 40 efcd 1er 70 7,5 85,4 ijck 1er 10 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 Couplemètre Moteur hydraulique (OML8 Danfoss) HP BP

Validation expérimentale Rc = 7 Ω Validation expérimentale Régime instationnaire de la transformation hydrauliquemécaniqueélectrique Constat : Avec Rhyd : Résistance hydraulique du THME en charge (sur Rc) hv : rendement volumétrique. Tau-acc: rapport de multiplication de l’accouplement. Kc: constante de couple du générateur élec (N.m/A)

maximiser ht Transformateur Hydraulique/Mécanique/Electrique avec turbine hydraulique Francis (lente) TH Ph Pb ab bg Pn Pi Pj Adaptations pendant les phases bg du cycle de Rc et/ou du distributeur p V & maximiser ht Rendement d’une turbine Francis à Dp constant en fonction du débit volumique (% nominal)

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

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 DP variable. Avec moteur hydraulique : rendements faibles (envisageable pour d’autres applications avec très grand DP) 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