Études expérimentales et numériques d'un micro-cogénérateur solaire : intégration à un bâtiment résidentiel

Experimental and numerical studies of a solar micro-cogenerator : integration into a residential buidling

• Auteur / Autrice : Simon Martinez
• Direction : Ghislain Michaux, Patrick Salagnac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et thermique
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Ménézo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ghislain Michaux, Patrick Salagnac, Christophe Ménézo, Patrick Glouannec, Monica Siroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Glouannec, Monica Siroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Habitations -- Économies d'énergie

Cycle de Rankine

Énergie solaire

Microcogénération

Mots clés libres

Micro-cogénération

Génération directe de vapeur

Cycle de Hirn

Modélisation thermique dynamique

Intégration au bâtiment

Bâtiment

Énergie solaire thermique

Micro CHP

Direct steam generation

Hirn cycle

Dynamic thermal modelling

Building integration

Buildings

Solar thermal energy

Résumé

Ces travaux consistent en l’étude expérimentale et numérique des performances énergétiques d’un prototype de micro-cogénération solaire. L’installation, située sur le campus de l’Université de la Rochelle, fonctionne grâce au couplage d’un champ de capteur solaire cylindro-parabolique de 46,5 m² avec un moteur à vapeur à piston non lubrifié fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Hirn. Le système de suivi solaire s’effectue selon deux axes et l’eau est directement évaporée au sein de l’absorbeur des capteurs cylindro-paraboliques. La génération d’électricité est assurée par une génératrice et la récupération des chaleurs fatales doit permettre d’assurer les besoins en chauffage et eau chaude sanitaire d’un bâtiment. La première partie de ces travaux présente les essais réalisés. L’objectif est de réaliser des essais complémentaires pour caractériser le concentrateur solaire, d’étudier les conditions de surchauffe de la vapeur, ainsi que le fonctionnement de l’installation complète en hiver. Ce travail a permis le développement de modèles pour le capteur cylindro-paraboliques, les essais en régime surchauffé ont montré la nécessité d’un appoint pour le fonctionnement d’une telle installation tandis que les essais avec moteur présentent des productions compatibles avec les consommations en électricité et chaleur d’un bâtiment résidentiel. La seconde partie concerne la modélisation des éléments constituant le micro-cogénérateur ainsi que l’intégration de cette installation au bâtiment à l’aide d’un logiciel de simulation thermique dynamique (TRNSYS©). Cette étude propose deux options d’intégration selon le positionnement de l’appoint de chaleur. Pour les deux configurations, des bilans hebdomadaires et annuels sont présentés permettant de discuter les avantages/inconvénients de chaque disposition. Il apparaît que le positionnement de l’appoint sur le circuit primaire permet de piloter la production électrique. L’ajout de l’appoint sur la distribution semble plus facilement réalisable mais empêche le contrôle de la production électrique.

This work consists of the experimental and numerical study of the energy performance of a prototype of solar micro-cogeneration. The facility, located on the campus of the University of La Rochelle, operates by coupling a 46.5 m² parabolic trough solar collector field with an oil-free piston steam engine operating according to the Hirn thermodynamic cycle. The solar tracking system is carried out in two axes and the water is evaporated directly into the absorber of the parabolic trough collectors. Electricity generation is provided by a generator and the recovery of fatal heat must make it possible to meet the heating and domestic hot water needs of a building. The first part of this work presents the tests performed. The objective is to carry out additional tests to characterize the solar concentrator, to study the conditions of steam overheating, as well as the operation of the complete installation in winter. This work has allowed the development of models for the parabolic trough sensor, the tests in overheated mode have shown the need for an extra charge for the operation of such an installation while the tests with motor present productions compatible with the electricity and heat consumption of a residential building. The second part concerns the modelling of the elements constituting the micro-cogenerator as well as the integration of this installation into the building using dynamic thermal simulation software (TRNSYS©). This study proposes two integration options depending on the positioning of the auxiliary heater. For both configurations, weekly and annual reviews are presented to discuss the advantages/disadvantages of each provision. It appears that the positioning of the auxiliary on the primary circuit makes it possible to control the electrical production. The addition of back-up boiler on the distribution seems more easily achievable but prevents the control of power generation.