TACSOL - Le froid thermoacoustique solaire

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Jean-Michel Bois
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1 Journée SFA/SFT Machines thermoacoustiques 10 Décembre 2010 TACSOL - Le froid thermoacoustique solaire Patxi DUTHIL duthil@ipno.in2p3.fr

2 Sommaire Contexte Machine thermoacoustique pour la réfrigération TACSOL : les enjeux du projet Problématiques et état d avancement Perspectives SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

3 Contexte de la réfrigération solaire Augmentation de la production de froid Habitat (climatisation) Alimentaire (chaîne du froid) Inconvénients des technologies conventionnelles : Utilisation de réfrigérants nocifs (gaz à effet de serre) Pics d électricité Une température froide fixée pour un système donné Changement de phase Couple solide/fluide SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

4 Principe de la thermoacoustique P acoustique Source de chaleur Pompage de chaleur Générateur d onde acoustique à sources thermiques (moteur) Pas de pièce mécanique mobile (seul un gaz en mouvement) Fiabilité Faible coût de maintenance Gaz neutre pour l environnement (He ) Pompe à chaleur, réfrigérateur, cryogénérateur (Tube à Gaz Pulsé) Système utilisable sur une grande plage de température -269 C 300 C, en réfrigérateur ou en pompe à chaleur SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

5 Les enjeux du projet 1/3 Concevoir, réaliser et tester une machine Système thermoacoustique Couplages - 25 o C Concentrateur parabolique Stockage énergétique SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

6 Les enjeux du projet 2/3 Développer des outils de modélisation Pour calculer le système complet (solaire + thermoacoustique + stockage énergétique) En régime stationnaire En prenant en compte la variabilité : de la source solaire des températures des sources thermiques de la demande en froid Pour définir une stratégie de modélisation de futurs systèmes hélio-acoustiques SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

7 Les enjeux du projet 3/3 Démonstrateur technologique Faire converger les technologies solaire et thermoacoustique Générer une puissance de réfrigération significative (au-delà de la production des bancs thermoacoustiques de laboratoire actuels) Exigence d efficacité Banc expérimental Etude de l impact des températures des sources thermiques (comportement, efficacité) pourra être appliquée à d autres systèmes thermoacoustiques SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

8 Le consortium 3 laboratoires publics IPNO : Institut de Physique Nucléaire d Orsay (CNRS/IN2P3 Université de paris Sud) PROMES : PROcédés Matériaux Energie Solaire (CNRS/INSIS) LaTEP : Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (Université de Pau et des Pays de l Adour) 1 partenaire privé : Hekyom Financement ANR obtenu (PRECODD 2008) Difficulté : forte imbrication des différents sous-systèmes SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

Problématiques 1/7 Problématique 1 : Adaptation solaire accommoder la puissance solaire disponible au système TACSOL Concentrateur existant chez

pertes énergétiques (optiques et thermiques) adaptation et optimisation optique Stratégie de réduction de puissance?

9 Problématiques 1/7 Problématique 1 : Adaptation solaire accommoder la puissance solaire disponible au système TACSOL Concentrateur existant chez PROMES : 50kW (Ø=8m) Objectifs : disposer de 8kW de puissance adapter la distribution de puissance dans le volume focal (homogénéité) limiter les pertes énergétiques (optiques et thermiques) adaptation et optimisation optique Stratégie de réduction de puissance? études de différents masques de la parabole définition et réalisation d un modulateur de puissance (gestion temporelle) SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

Problématiques 2/7 axe Y (cm) axe Y (cm) Problématique 1 : Adaptation solaire (suite) Modélisation Discrétisation du concentrateur 4000 facettes prise en compte des défauts optiques macroscopiques

10 Problématiques 2/7 axe Y (cm) axe Y (cm) Problématique 1 : Adaptation solaire (suite) Modélisation Discrétisation du concentrateur 4000 facettes prise en compte des défauts optiques macroscopiques (déformations des surfaces, défauts de pointage et de réglage des surfaces) Code de lancé de rayons Obtention de cartes de flux sur des plans géométriques validation par comparaison avec des données expérimentales flux diamètre de 30 cm (kw/m2) axe X (cm) flux diamètre de 30 cm 18 (kw/m2) axe X (cm) Détermination de la position optimale de l échangeur chaud thermoacoustique solaire Détermination des dimensions principales de cet échangeur SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

Problématiques 3/7 Problématique 2 : Echangeur chaud thermoacoustique solarisé Définir cet élément de couplage pour garantir : -transmission de l énergie thermique vers

paramétriques pour l étude thermique de l échangeur chaud et de sa cavité en lien avec : le modèle du concentrateur solaire le dimensionnement du système

11 Problématiques 3/7 Problématique 2 : Echangeur chaud thermoacoustique solarisé Définir cet élément de couplage pour garantir : -transmission de l énergie thermique vers le fluide de travail (He 40 bars soumis à une onde acoustique) - homogénéité du champ thermique malgré une irradiation asymétrique et fortement concentrée Modélisations paramétriques pour l étude thermique de l échangeur chaud et de sa cavité en lien avec : le modèle du concentrateur solaire le dimensionnement du système thermoacoustique obtention des caractéristiques géométriques Définition géométrique et modélisation thermique et mécanique (3D) SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

12 Problématiques 4/7 Problématique 3 : dimensionnement du système Produire 1kW de froid à -30 C - garantir une bonne efficacité thermodynamique - réunir les conditions (champ thermique, pression ) de démarrage du générateur d ondes (seuil de génération d onde) - intégrer les contraintes mécaniques et solaires Contraintes dimensionnelles : Échangeur chaud thermoacoustique solarisé de taille importante Risque projet Limitation de la taille du système (Budget et planning alloués) Validation du code de calcul : Confrontation avec un banc expérimental existant Puissances comparables Ajustement du modèle et définition de nouvelles barres d erreur SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

13 Problématiques 5/7 Problématique 4 : stockage énergétique à basse température Pallier à la variabilité temporelle de la source solaire Adapter l offre et la demande en froid Principe de stockage : Chaleur sensible du fluide caloporteur Chaleur latente : changement de phase d un fluide encapsulé au sein de nodules Système : Température (-25 C) Type de fluide : Temper ; Volume : L Simulation d une consommation de froid par emploi d une charge thermique variable Q conso Charge thermique Cuve de stockage Tube thermoacoustique SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

14 Problématiques 6/ Problématique 5 : outils de dimensionnement (suite) Fonctionnement en régime stationnaire Prise en compte de la variabilité des sources thermiques Modélisation globale du système à partir de données : solaires : densité de puissance solaire au cours de journées types thermoacoustiques : cartes de fonctionnement du système sur les éléments de couplage (échangeurs de chaleur) Scénarii sur une journée : Irradiation directe normale (DNI) DNI (W.m -2 ) T cg ( C) Température de l échangeur chaud 24/08/ /08/ /08/ /08/ Temps (h) Temps (h) Température de l échangeur froid T fr ( C) 24/08/ /08/ Temps (h) SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

15 Problématiques 7/7 Problématique 5 : outils de dimensionnement (suite) Scénario sur quelques jours : (au devant des beaux jours) Influence du volume de stockage 2000 Production thermoacoustique de froid Q frigo (W) 600 Q charge (W) Un utilisateur non averti Temps (h) Temps (h) Evolution de la température du stockage T sortie fluide ( C) 0.3 m m m 3 Temps (h) Aider au dimensionnement du stockage SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

16 Perspectives La machine Réfrigérateur en cours de fabrication Générateur d ondes : études mécaniques en cours Modulateur de puissance pour l adaptation de la puissance issue du concentrateur solaire (régimes transitoires et stationnaires) réalisé Premiers essais : été 2012 (?) SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

17 Merci pour votre attention SFA/SFT - Machines thermoacoustiques 10 Décembre

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