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Conférence CISBAT
LESO-EPFL Seot. 99
-1-
conceptdlitt.tHii$i%tfi
itô's'âihhé%ii-i313ffi
hvbriae
M. Kane, R. Zanelli, D. Favrat
Laboratoire d'énergétique
industrielle
(LENI),
Département
de Génie
Mécanique,
Ecole
Polytec-hni{ue Fédérale
de
Lausaiihe,
ÔH1015
Lausanne,
Suisse.
Y. Allani, E. Glauser
(cocENER),
Parc scientifiqusrflf,;#fi"H::" Fédérale de Lausanne,
Abstract:
esign of small hybrid solar
plant using Organic
r-senerators. The hot suoolv is orovided from
: 5f solar concentrators
^niaâe
of mirror bands
reerated with a coseneration Diesel eneine unit
fr-om the. variatiôns of solar radiati6n. It is
ng countnes.
Measurements on the oower unit of 13 kWel show an excellent behavior over a broad range
of oarameters
with an efficiencv of the order of I8%o
(50% exersetic efficiency). whichls
verv oromisins oarticularlv wheri considerine that the coàcept of suîemosed
cvclés will allow
opdra:tions
at h-igher
supply temperatures
with further technological
^clevelopments.
Résumé:
Cet article orésente
I'analyse d'un concept ori
des exoandèurs- eénérateuis
volumétriquet hen
de cycles de Raikine superposés.
La iource ,
conientration à lamelle^s
ri!fléchissantes ex1
d'autant
plus elcour{geant que d'excellentes
p
du mveau supeneur de temperature
1. INTRODUCTION
'olaire tout en garantissant
la disponibilité de
Conférence
CISBAT
LESO-EPFL Sept. 99
2. PRINCIPE
ET PROBLEMATIQUE D'UN HSPS
)enffale
solaire conventionnelle
constituée d'un
hermétiques au niveau de I'unité de puissance,
mterventlons sur srte. tre:
t fossile en fonction de la courbe de charge et
J.
que et les pertes
croissantes des capteurs aux
: la régulation
(robustesse
d'utilisation)
3. CONCEPT
D'UNE CENTRALE HSPS
3.1 Choix du concept de centrale prototype
La problânatique exposée ci-dessus, a conduit à faire les choix de conception
suivants:
rrsque,
cofirme c'est le cas ici, des températures
Par aiileurs. la recherche dé robustesse et de
-2-
I Les auteurs
remercient
I'Offrce fedéral suisse de l'énergie
pour
sa
contribution financière à ce
projet
Conférence
CISBAT
LESO-EPFL Sept. 99
-3-
Plate Rellector Concentating Superposei OHC c.vcles
Fig.l : Concept
d'une centrale
HSPS Fig.2: Diagramme de composites
obtenu avec
intégration d'un moteur diesel de 15 kWe
(cas
avec apport
solaire de 50 kWth)
Un schâna de
la centrale
prototype
est donné à la fizure 1 et la fisure 2 illustre
les composites
pour
un cas de fonctionnêment-dvec
50 kwth d'apôort
solaire elpour un fonctionnenîent
en
iégime
nominal du moteur Diesel
(15
kWe).
Ces
composites
illirstrent bien
les
principaux
éléments d'intégration
énergétique,
à savoir:
. (a et a'): récupération de 19.3 kwth à environ 75oC
sur I'eau de
refroidissement du
moteur êt
évapôration
à 68oC d'une
partie
du
fluide du cycle inférieur.
Fig.l : Concept
d'une centrale
HSPS
Conférence
CISBAT
LESO-EPFL Sept. 99
-4-
(b_et
b'),: év^qporation
à l46oC du fluide du c_ycle supérieurpa! le fluide caloporteur
solaire
(chaufË par apport solaire
et par apport des
gaz
cle combùstion)
. (c et c') récupération
de 17 kv/th de 650'C à l60oCsur les saz de combustion du moteur
pour le'chauffage
complérnentaire du fluide caloporteur
solaire
Il va sans dire que ces composites se modifient en fonction des variations du rayonnement
solaire et de la charge du mo^teur
pour répondre à la demande.
3.3 Capteurs et
fluide caloporteur
Les capteurs choisis sont des capteurs à concentrateurs
extra-plats focalisant le rayonnement solaire sur un tube
absorbeur sous
vide contenant le fluide caloporteur:
Leur originalité conceptuelle
réside essêntiellement
dans le plan réflecteur constitué de lamelles de verre
plates et réfléchissantes formant un miroir de Fresnel.
Ces lamelles sont clipées sur une structure
plane de
façon à permettre
un remplacement aisé. Celle-ci offre
moins de prise au vent avec des
phases
de construction
caractérisées
par une faible complexité technologique
industrielle. L'inclinaison respective
de chacun de ces
miroirs est choisie de facon à concentrer le
rayonnement sur une même lisne focale.
L'ensemble du
capteur est orienté Nord-Sud-avec suivi du soleil d'Est
en Ouest. Ces capteurs
présentent
un net avantage
optique par rapport aux solutions classiques, avantage
qui réside essentiellement
dans la maîtrise de la tache
focale lumineuse et en particulier en ce qui concerne la
répartition de sa densité
lumineuse:
Confizuration
lie--ux rangées de capteurs d'une puissance
totale de
60 kwth (pour une intensité moyenne du flux
solaire de 900Wm2)
o Surface active totale des deux limes de 100 m2
o tubes
absorbeurs sous vide typeSOLEL
o Fluide caloporteur : eau sous
pression (possibilité
de fonctionner aussi avec de l'huile)
o température
moyenne à I'absorbeur: 150"C-160'C
(pos^sibilité
de nionter à 380"C avec
de I'huile)
: fluide caloporteur est encore chauffé dans un
ment du mot-eur avant de passer
à l'évaporateur
on du cvcle supérieur. La circulation du fluide
ontation-des capteurs en présence
d'une varule
3.4 Le système
thermodynamique de conversion
i pour
le cvcle supérieur est
le RI23. La vapeur
sïne turbïne scrôll à haute température
(6tage
rs un condenseur assurant
l'évaporation et la
i,est,
par la suite, repris par une pompe pour
re cycle supeneur.
Au niveau du cycle inférieur, le.choix s'est
1
Rl34a sont détendues dans
la turbine scroll de
un échangeur
à eau de refroidissement (cond
liquide Rit+a est repris
par une
pompe,'puis
eau de refroidissement du moteur qui assure so
Pour ce
prototype et contrairement au système testé
antérieurement de pompage
séparé d'huile
de lubriÏicatiori des expandeurs.
I'huilê de lubrication circule avec lè fluidé de travail. Un
séparateur
en fin d'évapbrateur
permet
ensuite
d'alimenter les paliers par simple difference de
prèssion.
Cet a:rangernènt
permèt
de travailler plus aisément eir
turbinè à conôensation.
Fig.3 : vue d'une seule ligne de
capteur
CEP type COGENER
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LESO-EPFL Sept.
99
-5-
Cycle HT:
o Unité turbine scroll d'une puissance
maximale de 5 kWe (cylindrée: 72 cm3,
raooort de volume installé de 2.3
. Fluide organique
: R123 évaporé entre
140oC et l50oC
cycle
BT :
o Unité turbine scroll d'une puissance
maximale de SkWe (cylindrée
:72cm3,
rapport de volume installé : 2.3)
o Fluide organique: R134a évafioré entre
60"C et 70oC
o Source
de refroidissement: eau à 7oC
4. RESULTAT ET DISCUSSION
rn d'une centrale solaire en charges
partielles,
i maximisent ses oerformances
en raooort avec
Dans notre cas. seuls des essais en faboratoire
thermique
moteur au cycle inferieur et compte t
les rapforts de
pressiori
n'étaient dans tous ces essais
pas parfaitement
adaptés.
Situation des
points
de fonctionnement
sur la
cacractéristioue
de rendement des turbines
13 15
PR/PRi
[-]
70
68
64
62
54
52
50
Fig.5 : Performances
des cycles superposés FiB.6 :"Rendemernts et
marees
3i*i"#ffi;ment
L'efficacité du cycle, de I'ordre de l8%o
au
maximum
(soit 50% de rendement
exergétique :
efficacitélfacteur
de Carnot) est très satisfaisante
si elle est comparée
au 20%
(soit 59%o de
Fig.4 : cycles de Rankine superposés
19
17
E
E 13
6
E11
.Es
Æ7
Performances
globales des
cycles superposés
25 30 35 40 45 50 55
Apport thermique
[kWl
âPuissance
électrique
lkwl
.Efficacité du cycle [%]
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-6-
Ce mode de fonctionnement. même s'il s'avèr
de réslaee. imolique une vitesse
constante e
fonctionlé la ihaise. Une rézulation de vitess
optimiser les régimës de travail en améliorant e
5. CONCLUSION
L'approch.e
proposée
a 1'avantage,,d'être adag
modlÏlcatron maJeure, etre adaptaDle a une e
fonctionnement au eré des orosrès technolo:
fluides notammènt. L'intérêt^deTa
nature mod
loin pas aux seules centrales solaires mais d
matiëre de valorisation d'énergie thermique
rési
6. REFERENCES
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