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CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DU MODULE ORC D’UNE MICRO-­‐CENTRALE SOLAIRE JOURNÉE MICRO/MINI COGÉNÉRATION Paris, le 3 février 2016 Vincent Lemort, Olivier Dumont et Rémi Dickes Laboratoire de Thermodynamique, Université de Liège Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 Contexte o 2010: La Laboratoire de Thermodynamique a lancé le projet Sun2Power o Projet pédagogique: “pour les étudiants et par les étudiants”. o ObjecNfs: ² Concevoir, construire et tester une micro-­‐centrale solaire associant un champs de collecteurs cylindro-­‐paraboliques et un module ORC (3 kWe) ² Disposer d’une mise à l’échelle d’une centrale de plus grosse puissance pour l’étude du contrôle. Source: STG InternaNonal Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 2 Contenu de la présentaNon 1. Contexte 2. Technologie de l’ORC 3. Dimensionnement de la micro-centrale solaire 4. Résultats expérimentaux sur le module ORC 5. Conclusions & perspectives Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 3 Technologie de l’ORC (Organic Rankine Cycle) Chaleur fatale ou sources d’énergie renouvelables: solaire, biomasse, géothermie Similaire aux cycles de Rankine convenNonnel , mais… … fluide organique (vs eau) => ValorisaNon de sources de chaleur à plus basse température Electricité, travail mécanique Heat (heaNng demand) Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 4 Technologie de l’ORC (Organic Rankine Cycle) ABS. HEAT PUMP VAPOR COMP. HEAT PUMP Source: adapted from Gaia, 2011 Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 5 Dimensionnement de la micro-­‐centrale Choix du fluide de travail ü Performances énergéMques >> ü Pente posiNve de la courbe de saturaNon ü Vapeur dense (taille expanseur!) ü Pression condenseur >1 bar ü Faible rapport de volume sur l’expanseur ü Faible débit massique ü Pression évaporaNon < 30 bar ü Faible backwork raNo ü Grande disponibilité et bas prix ü Faible impact environnemental et niveau de sécurité acceptable Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 6 Dimensionnement de la micro-­‐centrale 2 expanseurs vs 1 expanseur !!"!#$ = (!!"# − !!"#! − !!"# ) !!" !"!#. ! ! ! HP!expander!swept!volume![cm³]! R245fa! 1!exp! 2!exp! 39.92! 11.42! SES36! 1!exp! 2!exp! 64.27! 22.77! LP!expander!swept!volume![cm³]! HP!expander!isentropic!efficiency! LP!expander!isentropic!efficiency! Pump!consumption![kW]! Net!Power![kW]! Boiler!thermal!power![kW]! Regenerator!thermal!power![kW]! Condenser!thermal!power![kW]! Mass!flow!rate![kg/s]! Cycle!thermal!efficiency! Evaporating!temperature![°C]! Evaporating!pressure![bar]! Condensing!temperature![°C]! ! 0.59! ! 0.2! 2.8! 34! 4.69! 30.8! 0.159! 8.2! 105.1! 14.2! 35! 48.04! 0.69! 0.69! 0.29! 2.71! 23.8! 3.3! 20.5! 0.105! 11.36! 140! 28.1! 35! ! 0.521! ! 0.166! 2.83! 32.1! 9.5! 28.8! 0.203! 8.83! 114.5! 8.7! 35! 84.42! 0.699! 0.66! 0.185! 2.81! 21.3! 7.6! 17.8! 0.129! 13.21! 140! 14.6! 35! Condensing!pressure![bar]! 2.1! 2.1! 0.99! 0.99! ! Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 ü Température maximale de 140°C ü Pression intermédiaire adaptée pour maximiser les performances Ø AugmentaNon rendement de 38% pour le R245fa et de 50% pour SES36 . Ø Coût addiNonnel, mais réducNon de la taille du champs solaire. Ø Taille expanseurs est un critère. 7 Dimensionnement de la micro-­‐centrale CondiBons nominales • ORC avec récupérateur • Fluide de travail: HFC-­‐245fa • Composents issus de l’industrie HVAC/automobile ORC nominal operaMng condiMons Tev 140 °C Pev 28 bar Tcd 35 °C Pcd 2.1 bar Qev 24 kW Qcd 20.5 kW Qrec 3.5 kW Wpp 0.3 kW Wnet 2.8 kW ηORC 10.5 % * Georges et al. , Design of a small-­‐scale ORC engine used in a solar power plant, 2013 Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 8 Dimensionnement de la micro-­‐centrale Pompe • ORC avec récupérateur • Fluide de travail: HFC-­‐245fa • Composents issus de l’industrie HVAC Pompes • Deux pompes testées • Engrenages (Viking SG-­‐80550-­‐M0V) • Diaphragme (Hydra-­‐cell G13) • Npp régulée par un variateur de fréquence Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 9 Dimensionnement de la micro-­‐centrale Echangeurs de chaleur • ORC avec récupérateur • Fluide de travail: HFC-­‐245fa • Composents issus de l’industrie HVAC Echangeurs • Plaques • Récupérateur (Alfa Laval CB30-­‐40H-­‐F) • Evaporateur (Alfa Laval CB76-­‐100E) • Tubes et aileves • Condenseur (Alfa Laval Solar Junior 121) Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 10 Dimensionnement de la micro-­‐centrale Expanseurs • ORC avec récupérateur • Fluide de travail: HFC-­‐245fa • Composents issus de l’industrie HVAC Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 Epxanseurs • Deux expanseurs de type scroll • Expanseur HP (Copeland ZR34K3E-­‐ZD) • Expanseur LP (Copeland ZR144KCE-­‐TFD) • Directement connectés au réseau électrique 11 Dimensionnement de la micro-­‐centrale Système d’acquisiBon • ORC avec récupérateur • Fluide de travail: HFC-­‐245fa • Composents issus de l’industrie HVAC Systèmes d’acquisiNon des mesures • Pressions absolues, relaNves et différenNelles • Thermocouples de type T. • Débitmètre Coriolis et 4 wavmètres • AcquisiNon et contrôle avec LabView Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 12 Premiers résultats expérimentaux • • 110 points en régime stabilisé 4 variables de contrôle: o o o o • Débit d’huile chaude; Température d’huile chaude; Vitesse de la pompe; Vitesse du venNlateur du condenseur; ConfiguraNon avec un seul expanseur Laboratoire de Thermodynamique Min Max Pev 14.5 22.6 bar Pcd 2.1 7.9 bar Tev,ex 111 135 °C Tcd,ex 25.8 61.8 °C mR245fa 76.2 149 g/s Qev,th 14.6 29.5 kW Qcd,th 14.6 29.5 kW Wexp 0.57 1.78 kW Wpp 0.28 0.7 kW Wcd 0.05 0.3 kW Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 13 Premiers résultats expérimentaux Performances de l’expanseur CondiNons opératoires: débit de110 g/s et pression d’évaporaNon de 18.6 bars Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 14 Premiers résultats expérimentaux Performance globale : C ycle t héorique : Cycle mesuré Best cycle performance Highest expander isentropic efficiency 68 % Lowest expander filling factor 105 % Highest cycle efficiency 4.5 % Highest expander power generaNon 1780 W Highest ORC net power generaNon 915 W • ConfiguraNon à un seul expanseur • ΔP excessif dans la ligne LP è Pcd >> • Expanseur surdimensionnéè Pev << rv,expected > rv,actual Vswept,expected< Vswept,actual Pev,expected>Pev,actual Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 15 Premiers résultats expérimentaux Performance globale Puissances électriques normalisées Les auxiliaires pénalisent la performance. Il existe une vitesse de rotaNon venNlateurs opNmale. Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 16 Premiers résultats expérimentaux Performance de la pompe 1,00 0,10 0,90 0,80 0,70 0,19 0,51 0,39 0,28 0,21 0,15 0,18 0,20 0,10 0,20 0,18 0,50 0,30 0,15 0,37 0,50 0,60 0,40 0,13 0,15 0,35 0,26 0,22 0,46 0,00 Single-­‐diaphragm MulN-­‐diaphragm Hydraulic power Gear Pump loss Piston Motor loss Plunger Drive loss Les pertes dans le moteur et dans le variateur de fréquence représentent entre 34% et 60% de la consomaNon électrique. Les pertes dans le corps de pompe ne représentent que de 15% à 39%. Source: S. Declaye. 2015. Improving the Performance of μ-­‐ORC Systems, PhD Thesis ULg Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 17 Premiers résultats expérimentaux Performance de la pompe 10 NPSH 9 0,15 Cycle efficiency 8 0,148 MulM diaphragm 0,146 6 5 0,144 Piston 0,142 4 0,14 Single diaphragm 3 2 0,138 1 0,136 0 0,134 0 5 10 15 Cycle efficiency 7 NPSH [m] 0,152 20 Subcooling [K] Source: S. Declaye. 2015. Improving the Performance of μ-­‐ORC Systems, PhD Thesis ULg Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 18 Premiers résultats expérimentaux Expanseur à pistons !!,!"# DéfiniNon basée sur la puissance indiquée !!"# = ! !(ℎ!" − ℎ!",! ) !!,!!!"# = !!!!"# !(ℎ!" − ℎ!",! ) ! DéfiniNon basée sur la puissance mécanique Source: Oudkerk et al. 2015 Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 19 Conclusions et perspecNves o Le module ORC d’une micro-­‐centrale solaire a été caractérisé expérimentalement. ² 4.5% de rendement/915 W ² AmélioraNons possibles: réducNon des pertes de charges dans les tuyauteries, uNlisaNon de 2 expanseurs en série, pompes plus performantes o Plusieurs autres expanseurs ont été testés: scroll, vis, pistons o PerspecNves: autres fluides, couplage du module ORC au champs de collecteurs solaires (été 2016) Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 20 Merci pour votre aMenBon! QuesBons? [email protected] hvp://www.sun2power.eu Remerciements à nos sponsors: Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 21 References J.-­‐F. Oudkerk, R. Dickes, O. Dumont and V. Lemort. 2015. Experimental performance of a piston expander in a small-­‐scale organic Rankine cycle. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 90 (2015) 012066. hvp://iopscience.iop.org/arNcle/10.1088/1757-­‐899X/90/1/012066/meta Declaye, S. 2015. Improving the Performance of μ-­‐ORC Systems. PhD Thesis, University of Liège. Dickes, R., O. Dumont, S. Declaye, S. Quoilin, I. Bell, and V. Lemort. 2014. Experimental invesNgaNon of an ORC system for a micro-­‐solar power plant. In: Proceedings of the 22nd InternaNonal Compressor Engineering Conference at Purdue, July, 14-­‐17. hvp://hdl.handle.net/2268/170508 Georges, E., S. Declaye, O. Dumont, S. Quoilin and V. Lemort. 2013. Design of a small-­‐ scale organic Rankine cycle engine used in a solar power plant. InternaBonal Journal of Low Carbon Technologies. hvp://ijlct.oxfordjournals.org/content/early/2013/05/11/ijlct.cv030.full.pdf+html Laboratoire de Thermodynamique Journée micro/mini cogénéraNon -­‐ CNAM de Paris, le 3 février 2016 22
