Le moteur Ericsson : une technologie à...

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Le moteur Ericsson :

une technologie à privilégier

A. TOURE, A. FULA, P. STOUFFS,

Université de Pau et des Pays de l’Adour, France

L. DANDO,

Ingénieur Consultant, Alzen, France

D. MARQUET,

France Télécom RD, France

UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire de Thermique, Energétique et Procédés

LaTEP

Cinquièmes Journées micro-cogénération, 26-27 janvier 2011

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LaTEP

REMERCIEMENTS

Travaux réalisés grâce au concours financier de :

Projet MiCoDo (PIE CNRS)

France Télécom (Didier Marquet)

Conseil Régional d’Aquitaine

Services de Coopération et d’Action Culturelle


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LaTEP

PLAN Introduction

Qu’est-ce qu’un moteur Ericsson ? Intérêt par rapport au moteur Stirling et aux moteurs à combustion interne

Résultats théoriques récents Modélisation (thèse Abdou Touré, 18 novembre 2010) Simulation dynamique (thèse Frédéric Lontsi, 8 décembre 2010)

Le prototype Présentation et premiers résultats expérimentaux Conception (Luc DANDO)

Conclusion générale


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LaTEP

INTRODUCTION La famille des “moteurs à air chaud”


STIRLING

1816

ERICSSON

1833

ERICSSON

1853

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LaTEP

INTRODUCTION


La famille des “moteurs à air chaud”• Fluide de travail monophasique gazeux

• Apport de chaleur externe

• 5 ‘espaces de travail’

• E expansion

• H heater

• R regenerator or recuperator

• K cooler

• C compression

QcQh

R

E

H K

C

Qh

Qc

E C

RH

K

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LaTEP

INTRODUCTION Qu’est-ce qu’un moteur Ericsson?


Qh

Qc

E C

RH

K

Avec soupapes

‘ERICSSON’

QcQh

R

E

H K

C

Sans soupapes

‘STIRLING’

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LaTEP

INTRODUCTION


• Dans sa version la plus simple : TAG dont on a remplacé les turbomachines par des machines piston/cylindre

• Moteur volumétrique alternatif basé sur un cycle de JOULE !

Qu’est-ce qu’un moteur Ericsson?

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LaTEP

INTRODUCTION


Ericsson ou Stirling ?

ERICSSON: les échangeurs ne sont pas des volumes morts ERICSSON: le circuit fluide est une boucle ; modélisation

précise possible ; récupérateur = échangeur à contre-courant ERICSSON supprime « l’aberration thermique » du Stirling ERICSSON: les soupapes peuvent être utilisées pour le

contrôle/commande du moteur

Qh

Qc

E C

RH

K QcQh

R

E

H K

C

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LaTEP

INTRODUCTION


Ericsson ou Stirling ?

Qh

Qc

E C

RH

K QcQh

R

E

H K

C

ERICSSON: le type de mouvement relatif des pistons n’a pas d’importance (recours à des cinématiques simples)

ERICSSON: nécessité des organes de fermeture

Ericsson vs MCI : mêmes avantages que le Stirling : utilisation de tous types de source de chaleur, plus simple, plus silencieux, moins de maintenance...

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LaTEP

INTRODUCTION

Intérêt renouvelé pour des applications de

• Micro-cogénération

• Conversion de l’énergie solaire

• Conversion de la biomasse

• Production d’électricité en site isolé


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LaTEP

INTRODUCTION

Applications de télécommunication :• utilisation directe de la chaleur de l'énergie solaire

concentrée, d'un biocombustible ou d'un combustible fossile,d'un récupérateur de chaleur ou bien la chaleur indirected'un stockage de chaleur.

• possibilité de systèmes solaires hybrides simples et à hautrendement.

• fiabilité et durée de vie accrue, maintenance réduite parrapport aux solutions communes utilisant un moteur àcombustion interne et des batteries.


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• Rapport GSMA (Global System Mobile Association) Green Power for Mobile November 2010 :

– 1.6 Milliards de personnes sans électricité + 1 milliard avec un mauvais réseau

– Le réseau telecom s'étend plus vite que le réseau électrique à base de diésel,

– Mais le groupe électrogène Diesel coûte 50% plus cher en OPEX que l'énergie renouvelable

– en 2012, il y aurait 640 000 stations sur diesel soit 15 G$/an

• Des milliers de nouvelles stations solaires sont installées chaque année et le remplacement de 50% des stations Diesels par du renouvelable a commencé en Inde, en Chine, en Afrique, etc.

• Orange a déployé environ 1000 stations GSM solaires ou hybrides, ce qui économise 10 M de litres de gazole par an

• Il est prévu de doubler le nombre de stations d'ici 2015. • Le besoin moyen de puissance permanente s’étend de

200 à 2000 W

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LaTEP

RÉSULTATS THÉORIQUES RÉCENTS : modélisation


Rappel : cycle de JOULE à récupération

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Diagrammes indicateurs théoriques idéaux

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Adimensionalisation

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Il est préférable de recomprimer le volume mort du cylindre de détente !

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Application à notre prototype :

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C

Net

Th

E

Puissances

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RÉSULTATS THÉORIQUES RÉCENTS : simulation dynamique


Exemple : simulation d’une brusque chute de pression à l’admission du compresseur

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RÉSULTATS THÉORIQUES RÉCENTS : simulation dynamique


Exemple : simulation d’une brusque chute de pression à l’admission du compresseur

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LE PROTOTYPE

Objectif à terme

• 3 kW à 950 tr/min• 300 kPa• 650 °C• Alésage du cylindre de détente : 254 mm

• Course du piston : 129 mm


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LE PROTOTYPE

Caractéristiques principales du premier prototype

• 300 kPa• 650 °C• Cylindrée du cylindre de détente : 0.65 dm3

• Cylindrée du cylindre de compression : 0.28 dm3

• Alésage du cylindre de détente : 80 mm

• Course du piston : 129 mm

• Vitesse de rotation maximum : 950 tr/min


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LaTEP

LE PROTOTYPE


Seule la partie chaude (cylindre de détente) a été testée jusqu’à présent

Actuellement, mise au point de l’ensemble du moteur et du banc

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Résultats


300 400 500 600 700 800 900 1000300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

n [tr/min]

Pui

ssan

ce in

diqu

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W]

P ind. à 310 °CP ind. à 400 °CP ind. à 500 °CP. ind. moyenne

Puissance indiquée du cylindre de détente

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Résultats


300 400 500 600 700 800 900 1000300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

P. arbre à 310 °CP. arbre à 400 °CP. arbre à 500 °CP. arbre moyenne

Puissance à l’arbre du cylindre de détente

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Résultats


• Puissance indiquée du cylindre de détente : 1160 W à

950 tr/min (valeur attendue : 1142 W)

• 73,3 J/cycle

• Puissance à l’arbre du cylindre de détente : 1003 W à

950 tr/min (valeur attendue : 1028 W)

• Rendement mécanique moyen : 0,87

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CONCEPTION du PROTOTYPE


...par Luc DANDO

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CONCLUSION GÉNÉRALE


• Approche combinée : modélisation, simulation dynamique, expérimentale

• Des premiers résultats expérimentaux qui confirment l’intérêt de la technologie

• Importance d’une collaboration étroite et

d’un dialogue constant :

approche thermodynamique ↔ conception et réalisation mécanique

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Merci de votre attention !


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