DishStirling à Odeillo : EuroDishEmmanuel Guillot, PROMES-CNRS8ème rencontre du réseau des mécaniciens du CNRSFont Romeu Odeillo 2007

Équipe technique du DishStirling Odeillo

Jean Yves Peroy

Jean Michel Gineste

Nicolas Boullet

Mambotechnichien

Emmanuel Guillot

Énergie, énergie… Ressources

Consommation 2004 0,5 ZJ 1x

Réserves Charbon 290 ZJ 610x

Réserves Pétrole 18 ZJ 38x

Réserves Gaz Naturel 16 ZJ 34x

Réserves Uranium 17 ZJ 36x

Éolien 1,7 ZJ 3,7x

Hydroélectrique 0,3 ZJ 0,7x

Solaire total sur Terre 3800 ZJ 8000x

Solaire déserts & toits 19 ZJ 40x

Ressources estimées pour les technologies actuelles

wikipedia.en World energy resources and consumptionwikipedia.de Erdgas

World Solar Congress 2005, Orlando, Denis Hayes

Site d’Odeillo : pourquoi ?

• Altitude : 1600 m

• Rayonnement solaire direct : 1911 kWh/m2.an

• Rayonnement solaire direct maximal : 1072 W/m2

(21 avril 1997)

• Insolation annuelle : environ 2600 heures,soit 7,1 h/jour

• Le soleil a été visible 348 jours en 2003

• Couleur du ciel par très belle journée :

0

875

1 750

2 625

3 500

Odeillo Séville

Insolation (heures)Énergie reçue (kWh)

Odeillo En plaine

Concentrateurs solaires : à réflexion

Concentrateurs solaires : à réflexion

PS10, 11,4 MWe, Séville 2006

Solar 2, 10 MWe, Barstow 1995Solar 1, 10 MWe, Barstow 1982

Concentrateurs solaires : cylindro-paraboliques

Nevada Solar 1, 64 MWe, Boulder City 2007

Concentrateurs solaires : paraboliques

Cycle thermodynamique

Cycle Stirling : l’origine

• Breveté en 1816

• Cycle à source chaude externe

• Rendement théorique : Carnot = 1-Tf/Tc

• Rendement pratique : jusqu’à 80 % de Carnot (aujourd’hui)

Réverend Robert Stirling (1790-1878)

Cycle Stirling, type alpha

• La majorité du gaz est dans le cylindre chaud

➡le gaz a été chauffé

➡il a donc été détendu

• Le gaz commence à repousser le piston froid

Cycle Stirling, type alpha

• Le gaz occupe son volume maximal

• Le piston chaud commence à repousser le gaz vers le cylindre froid

➡le gaz commence à se refroidir

➡donc à se compresser

• La majorité du gaz est dans le cylindre froid

• le gaz se refroidit

• donc se compresse

Cycle Stirling, type alpha

Cycle Stirling, type alpha

• Le gaz occupe son volume minimal

• Le gaz commence à se réchauffer dans le cylindre chaud

➡donc à se détendre

Cycle Stirling, type alpha

Et c’est reparti !

• La majorité du gaz est dans le cylindre chaud

➡le gaz a été chauffé

➡il a donc été détendu

• Le gaz commence à repousser le piston froid

Cycle Stirling : décoration & bricolages

Voir les plans de Hubert Roussel sur http://www.photologie.fr

Cycle Stirling : pompes, refroidissement

Philips : 250 We Liquéfacteur d’air à PROMES

http://www.geocities.com/kenboak/stirling1.htmlhttp://engine.stirling.cz/tedom-stirling-engine-history.html

Cycle Stirling : propulsion automobile

Cycle Stirling : générateurs électrique

Plaisance, non identifié…

55 kWe par STM Power Inc.

Cycle Stirling : propulsion navale

• 75 kWe

• 14 jours d’autonomie à 5 nœuds

• Diesel + oxygène liquides

Cycle Stirling : génération électrique solaire

EuroDish Odeillo : 12 mai 2004

Creusement fondation & drain

EuroDish Odeillo : fin mai 2004

Début coulage base en béton

EuroDish Odeillo : 5 Juin 2004

Fin coulage base en béton

EuroDish Odeillo : 11 Juin 2004

Arrivée de la structure

EuroDish Odeillo : 17 Juin 2004

Le treillis périphérique est assemblé sur la plateforme de montage

EuroDish Odeillo : 17 Juin 2004

Assemblement support moteur

EuroDish Odeillo : 18 Juin 2004

Montage d'une “pétale” de la parabole, avec l'outil à côté pour une autre section

EuroDish Odeillo : 18 Juin 2004

La mise en forme se fait avec des ventouses sur les miroirs pour la durée du collage

EuroDish Odeillo : 18 Juin 2004

Les “pétales” sont collés entre eux par des bandes en fibres de verre

EuroDish Odeillo : 18 Juin 2004

Collage d'une bande en fibres de verre

EuroDish Odeillo : 18 Juin 2004

Mise en place du support du moteur Stirling

EuroDish Odeillo : 22 Juin 2004

Réunion de la parabole avec la base

EuroDish Odeillo : 22 Juin 2004

Enlèvement de la bâche qui occultait les miroirs pendant tout le montage

EuroDish Odeillo : 22 Juin 2004

Mise en place du moteur

EuroDish Odeillo : 25 Juin 2004

Premier kWh produit !

EuroDish Odeillo : 25 Juin 2004

Premier kWh produit !

EuroDish Odeillo : nettoyage naturel

EuroDish : principaux éléments

EuroDish : parabole

EuroDish : parabole

• Diamètre : 8,5 m

• Surface nominale : 52,86 m2

• Surface nette totale : 56,75 m2

• Masques : 3,88 m2

• Surface collectée sous 850 W/m2 :

45 kW (Alméria, Séville, Rehovot…)

• Surface collectée sous 970 W/m2 :

51 kW (Odeillo pleine parabole)

• Surface limitée avec des bandes à

“Odeillo” : 42,74 m2

EuroDish : suivi solaire

• Coordonnées du Soleil calculées

• 2 axes de mouvement : azimut et élevation

EuroDish : suivi solaire

• Moteurs brushless réductés ~100 W

• Entraînement par chaîne

• Moteur à courant continu de secours pour l’élévation

EuroDish : moteur SOLO 161

Technical DocumentationPlanning DetailsHydraulic

Version 1.9 , July 2003

.ART OF TECHNOLOGY

SOLO STIRLING 161COMBINED POWER / HEAT (CHP) -MODULE

. A R T O F T E C H N O L O G Y

Technical DocumentationSOLO STIRLING 161 microCPH-Module

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. A R T O F T E C H N O L O G Y

1.2 Important aspects when planning for Stirling Combined Heat/Power Modules

For the planning of Stirling CHP units, two specific characteristics of the Stirling engine have to be considered:

• The Stirling process operates between two temperature levels. Achievable performance and efficiency dependon the level of heat supply as well as on heat disposal. The heater temperature should be as high as possiblealthough materials restrict this to approx. 700!C. The temperature of the cooler for the Stirling process shouldbe as low as possible. This is determined by the temperature of the water to be heated. A temperature dropof only 10!C allows a 1% improvement of the electrical efficiency and approx. 350W more in performance.Total efficiency will increase due to improved condensation in the exhaust gas heat exchanger. Furthermore,the piston rings which run dry, will last longer. There is no limit downwards: consumption water can be usedfor cooling at a temperature of 15!C. The cooling water temperature is very important for the condensationprocess in the burnt gas heat exchanger.

• After starting, a comparatively large mass has to be heated in the combustion chamber, at the heater and inthe regenerator. This will require several minutes. When the unit is shut down, this energy is only partiallyusable. Heating cycles also affect materials and maintenance intervals. The configuration of the plant shouldprovide continuous running of the unit avoiding more than one shut down per day.

2. DESIGN AND OPERATING PRINCIPLE OF STIRLING HEAT / POWER CO-GENERATION MODULS

2.1 Design of Stirling Heat/Power Co-Generation Modul

The SOLO Stirling CHP module consists of the following sub-assemblies or major assemblies (refer to picture):

• The overall housing of the unit provides a sound and heat barrier. It also prevents unintentional contact withhot parts and assists with the collection of possible leaking fluids. The cover and three sidewalls are detachable.

• The engine is mounted in the front part with the generator coupled directly to it. The helium storage bottleis connected to that section.

Picture: Configuration of CHP Module

Moteur SOLO 161 : l’origine

Système autonome de cogénération thermique et électrique

• Stirling type α V2 à 90°, 160 cm3

• Gaz de travail : hélium à 150 bars max

• Puissance électrique : 2 à 9,5 kW

• Puissance thermique : 8 à 26 kW

• Rendement électrique : 22 à 24 %• Brûleur catalytique au gaz naturel

• Puissance thermique : 16 à 40 kW

• Taille : 1,2 x 1 x 0,7 m3

• Générateur triphasé 400 V 50 Hz

• 53 à 60 dBA à 1 m

SOLO Technical Documentation v1.9 July 2003

Moteur SOLO 161 : schéma

SOLO Technical Documentation v1.9 July 2003

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Technical DocumentationSOLO STIRLING 161 microCPH-Module

. A R T O F T E C H N O L O G Y

• The combustion chamber and burner are firmly attached above the engine and generator. The rear section ofthe housing contains the switchboard for the electrical system. This section also contains the electronic systemand data collection system.

• Next to it is the exhausted gas heat exchanger which is not visible in this picture.• A plate heat exchanger and the circulation pump for the internal cooling system is arranged below the

exhausted gas heat exchanger.• The gas line and possibly a heat meter are mounted to the rear wall. All connections are to be made from that

side.

2.2 Stirling Engine

The principle of the hot gas or Stirling engine has been known for a long time. The distinction of this engine isthe transfer of operating gas between two cylinders without leaving the engine. Heat energy, which is convertedto motion energy available at the crank, is supplied from an external source via a heat exchanger or heater.Heat can be supplied from various sources, in this case a gas burner.

Functional diagram of Stirling engine

The Stirling Engine 161 is a single acting 90! – V- two cylinder design, a so-called !- type. Heater, regeneratorand gas cooler are situated between the cylinders. The description 161 refers to the cylinder capacity.

Similar to conventional combustion engines, the Stirling 161 is also equipped with pistons. The pistons pushoperating gas (in this case Helium) from one cylinder to the other. Gas is compressed at low temperature andto expand at high temperature. One cylinder is described as compression cylinder while the other cylinder isdescribed as expansion cylinder.

A crank in V2-arrangement, with friction bearings and pressure lubrication, guides both pistons. The connectingrods are attached to cross heads which support axial pressures in the cylinders. The pistons are connecteddirectly to the cross heads with tie rods. A seal around these piston tie rods prevents the penetration of operatinggas into the crankcase and / or lubrication oil into the cylinder. Both pistons operate without lubrication in thecylinders. Lubrication would form carbon in the hot area.

Heater

Expansion piston

Expansion cylinderConnecting rod

Crankshaft

Generator

Regenerator

Supply ofcooling water

Gas cooler

Compressionpiston

Compressioncylinder

Crankcase

EuroDish : Moteur SOLO 161

Même caractéristiques que l’original, sauf :

• gaz de travail : hydrogène jusqu’à 180 bars

• Spécial Odeillo : réserve gaz doublée à 8 L

• récepteur solaire de 50 kWth environ

• puissance électrique jusqu’à 11 kWe

• rendement net moteur vers électricité 32 %

Moteur SOLO 161 : schémaRécepteur

solaire

Ventilateur

Générateurélectrique

Réserve H2

Moteur Stirling

De -50°C à plus de 780°C en moins de 30 secondes…

EuroDish : récepteur solaire

EuroDish : récepteur solaire

EuroDish : Source froide

12 kWthermique

52 kW

rayonnement

concentré

SoleilGénérateur Électrique

55 kW

rayonnement

direct

13 kWmécanique

Chaleurrécupérable

1 kWthermique

12 kW

électrique

Pertes thermiqueset mécaniques

RéseauÉlectrique

©E.Guillot

Concentrateur solaire

Imperfectionsoptiques

3 kWrayonnement

perdu

Énergie nonabsorbée

27 kWthermique

Auxiliaires

11 kW

électrique net

1 kWélectrique

Consommation liéeau fonctionnement

MoteurStirling

Récepteur solaire

EuroDish : chaîne énergétique

EuroDish : bilan

•Puissance maximale crête : 11 kW le 27 Janvier 2005 avec 994 W/m2 et -10°C

•Plus de 2200 heures de fonctionnement cumulé

•Plus de 13,7 MWhe injectés sur le réseau

•Mais des soucis de jeunesse…