FR3135514A1 - System for generating cold and supplying electrical energy from sea water and the sun - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de génération de froid et de production d’énergie électrique. Un sous-système de génération de froid (100) comprend un circuit fermé de fluide froid (110) et un échangeur thermique (120), l’échangeur thermique refroidissant le fluide froid avec de l’eau de mer. Un sous-système de génération d’énergie électrique (200) comprend un fluide de travail circulant en circuit fermé (210) entre un évaporateur (240), un turbogénérateur (250) et un condenseur (230). L’évaporateur (240) est un échangeur thermique qui transfert de l’énergie calorifique entre le fluide de travail et un fluide caloporteur chauffé par de l’énergie solaire. Le condenseur (230) est un échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail avec l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique (120). Figure pour l’abrégé : Fig. 1The invention relates to a system for generating cold and producing electrical energy. A cold generation subsystem (100) includes a closed cold fluid circuit (110) and a heat exchanger (120), the heat exchanger cooling the cold fluid with sea water. generation of electrical energy (200) comprises a working fluid circulating in a closed circuit (210) between an evaporator (240), a turbogenerator (250) and a condenser (230). The evaporator (240) is a heat exchanger which transfers heat energy between the working fluid and a heat transfer fluid heated by solar energy. The condenser (230) is a heat exchanger that cools the working fluid with seawater leaving the first heat exchanger (120). Figure for abstract: Fig. 1
Description
La présente invention se rapporte à un système de de génération de froid et de fourniture d’énergie électrique à partir de l’eau de mer et du soleil. Plus particulièrement, l’invention utilise une combinaison de la conversion de l’énergie marine et de l’énergie solaire pour alimenter un système de climatisation et produire de l’énergie électrique.The present invention relates to a system for generating cold and supplying electrical energy from sea water and the sun. More particularly, the invention uses a combination of marine energy conversion and solar energy to power an air conditioning system and produce electrical energy.
La température au fond des océans est sensiblement constante. A 1000 mètres de fond, la température de l’eau de mer est sensiblement égale à 5°C. Le principe de la climatisation marine consiste à pomper de l’eau de mer à cette profondeur afin de refroidir par échange thermique un réseau d’eau glacée qui est utilisé pour refroidir l’air d’un système de climatisation ou les condenseurs d’un groupe frigorifique. Ce type de système de climatisation est connu sous l’acronyme SWAC, de l’anglais « Sea Water Air Conditioning ». Un SWAC permet des économies d’énergie de 80 à 90% par rapport à un système conventionnel utilisant l’air dans les zones côtières où la température extérieure est élevée.The temperature at the bottom of the oceans is approximately constant. At a depth of 1000 meters, the sea water temperature is approximately 5°C. The principle of marine air conditioning consists of pumping sea water to this depth in order to cool by thermal exchange a network of chilled water which is used to cool the air of an air conditioning system or the condensers of an air conditioning system. refrigeration unit. This type of air conditioning system is known by the acronym SWAC, from English “Sea Water Air Conditioning”. A SWAC allows energy savings of 80 to 90% compared to a conventional system using air in coastal areas where the outside temperature is high.
L’énergie thermique de la mer est aussi utilisée pour produire de l’énergie électrique. Les systèmes de production d’énergie électrique utilisant l’eau de mer sont connus sous l’acronyme OTEC, de l’anglais « Ocean Thermal Energy Conversion ». Le principe de l’OTEC consiste à utiliser le différentiel de température existant entre une source chaude constituée d’eau de mer de surface qui peut être compris entre 25°C et 30°C dans les zones tropicales et une source froide constituée d’eau de mer profonde qui est aux alentours de 5°C. Le principe de l’OTEC consiste à évaporer un fluide de travail à l’aide de la source chaude. La vapeur du fluide de travail entraîne un turbogénérateur. Après passage dans le turbo générateur, le fluide de travail est refroidi à l’aide de la source froide. Le fluide de travail peut être l’eau de mer pour les systèmes OTEC dits en « cycle ouvert » ou un autre fluide pour les systèmes dits en « cycle fermé ».The thermal energy of the sea is also used to produce electrical energy. Electrical energy production systems using sea water are known by the acronym OTEC, from English “Ocean Thermal Energy Conversion”. The principle of OTEC consists of using the temperature differential existing between a hot source made up of surface sea water which can be between 25°C and 30°C in tropical areas and a cold source made up of water. deep sea which is around 5°C. The principle of OTEC consists of evaporating a working fluid using the hot source. The steam from the working fluid drives a turbogenerator. After passing through the turbo generator, the working fluid is cooled using the cold source. The working fluid can be seawater for so-called “open cycle” OTEC systems or another fluid for so-called “closed cycle” systems.
Le rendement d’un système OTEC correspond au ratio entre l’énergie électrique produite et l’énergie nécessaire pour faire fonctionner le système, notamment l’énergie de pompage de l’eau de mer profonde. L’énergie électrique produite provient principalement de la différence de température entre la source froide et la source chaude. Ainsi, pour un système OTEC fonctionnant en cycle fermé, le rendement est généralement compris entre 2% et 5% suivant la température de l’eau en surface et le type de structure d’OTEC. Afin d’augmenter le rendement, il est connu de réchauffer l’eau de mer de surface en la faisant circuler dans des conduites chauffées au soleil, ce qui permet d’augmenter la température de la source chaude de quelques dizaines de degrés et donc d’augmenter le rendement de quelques pourcents pendant une journée ensoleillée pour obtenir un rendement global d’environ 8% à 12%.The efficiency of an OTEC system corresponds to the ratio between the electrical energy produced and the energy required to operate the system, in particular the energy for pumping deep seawater. The electrical energy produced mainly comes from the temperature difference between the cold source and the hot source. Thus, for an OTEC system operating in a closed cycle, the efficiency is generally between 2% and 5% depending on the surface water temperature and the type of OTEC structure. In order to increase efficiency, it is known to heat surface sea water by circulating it in pipes heated by the sun, which makes it possible to increase the temperature of the hot source by a few tens of degrees and therefore Increase the yield by a few percent during a sunny day to get an overall yield of around 8% to 12%.
Il est également connu de coupler un système OTEC avec un système SWAC. Les deux systèmes OTEC et SWAC se partage le pompage d’eau de mer profonde et sont dimensionnés indépendant l’un de l’autre sans aucune optimisation ou synergie.It is also known to couple an OTEC system with a SWAC system. The two systems OTEC and SWAC share the pumping of deep seawater and are sized independently of each other without any optimization or synergy.
L’invention propose d’améliorer les systèmes SWAC et OTEC en réalisant une combinaison des deux systèmes en utilisant l’eau de mer rejetée par le système SWAC comme source froide d’un système OTEC, la source chaude du système OTEC étant constituée par un circuit fermé de fluide caloporteur chauffé par l’énergie solaire. Un tel système permet d’augmenter considérablement la différence de température permettant de produire davantage d’énergie électrique tout en réutilisant l’eau de mer ayant servi au système SWAC et donc d’obtenir un rendement beaucoup plus important pour l’OTEC tout en rendant la consommation d’énergie du système SWAC insignifiante. Ainsi, l’invention permet de produire du froid et de l’énergie électrique de manière optimum et écologique.The invention proposes to improve the SWAC and OTEC systems by producing a combination of the two systems using the sea water rejected by the SWAC system as a cold source of an OTEC system, the hot source of the OTEC system being constituted by a closed circuit of heat transfer fluid heated by solar energy. Such a system makes it possible to considerably increase the temperature difference making it possible to produce more electrical energy while reusing the seawater used in the SWAC system and therefore to obtain a much greater yield for the OTEC while making SWAC system energy consumption insignificant. Thus, the invention makes it possible to produce cold and electrical energy in an optimum and ecological manner.
Plus particulièrement l’invention est un système de génération de froid et de production d’énergie électrique qui comporte un sous-système de génération de froid et un sous-système de génération d’énergie électrique. Le sous-système de génération de froid comprend un circuit fermé de fluide froid relié fluidiquement à un premier échangeur thermique, le premier échangeur thermique étant relié fluidiquement à un circuit de circulation d’eau de mer afin de refroidir le fluide froid avec de l’eau de mer pompée en profondeur. Le sous-système de génération d’énergie électrique comprend un fluide de travail circulant en circuit fermé entre un évaporateur qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur. L’évaporateur est un deuxième échangeur thermique qui transfert de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir d’au moins un fluide caloporteur chauffé par de l’énergie solaire. Le condenseur est un troisième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir du circuit d’eau de mer sortant du premier échangeur thermique.More particularly, the invention is a cold generation and electrical energy production system which comprises a cold generation subsystem and an electrical energy generation subsystem. The cold generation subsystem comprises a closed circuit of cold fluid fluidly connected to a first heat exchanger, the first heat exchanger being fluidly connected to a seawater circulation circuit to cool the cold fluid with sea water pumped from deep. The electrical energy generation subsystem comprises a working fluid circulating in a closed circuit between an evaporator which heats said working fluid to obtain steam under pressure, a turbogenerator transforming the steam under pressure into electrical energy, and a condenser which cools the steam after passing through the turbogenerator in order to liquefy the working fluid to supply it to the evaporator. The evaporator is a second heat exchanger which transfers heat energy to the working fluid from at least one heat transfer fluid heated by solar energy. The condenser is a third heat exchanger that cools the working fluid from the seawater circuit leaving the first heat exchanger.
Selon un premier mode de réalisation, le fluide caloporteur peut être chauffé dans une conduite de chauffage dans laquelle circule ledit fluide caloporteur et sur laquelle des rayons solaires sont concentrés à l’aide d’au moins un miroir cylindro-parabolique, ladite conduite de chauffage étant reliée fluidiquement à l’évaporateur.According to a first embodiment, the heat transfer fluid can be heated in a heating pipe in which said heat transfer fluid circulates and on which solar rays are concentrated using at least one cylindrical-parabolic mirror, said heating pipe being fluidly connected to the evaporator.
Préférentiellement et selon le premier mode de réalisation, le fluide de travail est chauffé à une température de 150°C et refroidi à une température de 40°C.Preferably and according to the first embodiment, the working fluid is heated to a temperature of 150°C and cooled to a temperature of 40°C.
Selon un deuxième mode de réalisation, le sous-système de génération d’énergie électrique peut comporter un réservoir tampon relié fluidiquement d’une part à l’évaporateur et d’autre part à une conduite de chauffage, un premier fluide caloporteur circulant en circuit fermé entre l’évaporateur et le réservoir tampon et un deuxième fluide caloporteur circulant en circuit fermé entre la conduite de chauffage et le réservoir tampon, des rayons solaires étant concentrés sur la conduite de chauffage à l’aide d’au moins un miroir cylindro-parabolique pour chauffer le deuxième fluide caloporteur, le réservoir tampon étant rempli d’un troisième fluide caloporteur chauffé par échange thermique avec le deuxième fluide caloporteur, le premier fluide caloporteur étant chauffé par échange thermique avec le troisième fluide caloporteur.According to a second embodiment, the electrical energy generation subsystem may comprise a buffer tank fluidly connected on the one hand to the evaporator and on the other hand to a heating pipe, a first heat transfer fluid circulating in circuit closed between the evaporator and the buffer tank and a second heat transfer fluid circulating in a closed circuit between the heating pipe and the buffer tank, solar rays being concentrated on the heating pipe using at least one cylindrical mirror parabolic to heat the second heat transfer fluid, the buffer tank being filled with a third heat transfer fluid heated by heat exchange with the second heat transfer fluid, the first heat transfer fluid being heated by heat exchange with the third heat transfer fluid.
Préférentiellement et selon le deuxième mode de réalisation, le fluide de travail est chauffé à une température d’au moins 80°C et refroidi à une température de 40°C.Preferably and according to the second embodiment, the working fluid is heated to a temperature of at least 80°C and cooled to a temperature of 40°C.
Afin de permettre un passage de l’état liquide à l’état vapeur à basse température, le fluide de travail peut être un fluide frigorigène.In order to allow a transition from the liquid state to the vapor state at low temperature, the working fluid can be a refrigerant.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :The invention will be better understood and other characteristics and advantages thereof will appear on reading the following description of particular embodiments of the invention, given by way of illustrative and non-limiting examples, and referring to the appended drawings, including:
Afin de simplifier la description qui va suivre, une même référence est utilisée dans différentes figures pour désigner un même objet ou un élément similaire. Ainsi, lorsque la description cite un objet référencé, cet objet pourra être identifié sur plusieurs figures. En outre, les figures ainsi que la description sont données à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs de réalisation. Pour des raisons de représentation, les dessins ne sont pas réalisés à l’échelle afin de permettre de visualiser l’ensemble des éléments sur un même schéma.In order to simplify the description which follows, the same reference is used in different figures to designate the same object or a similar element. Thus, when the description cites a referenced object, this object can be identified on several figures. In addition, the figures as well as the description are given as illustrative and non-limiting examples of implementation. For reasons of representation, the drawings are not made to scale in order to allow all the elements to be viewed on the same diagram.
De plus, il convient de noter que l’invention a vocation à être utilisée à proximité de la mer et doit être localisée à un emplacement disposant d’une côte abrupte et d’un fort ensoleillement toute l’année. A titre d’exemple, l’invention peut être avantageusement située dans une zone comprise entre le tropique du Cancer et le tropique du Capricorne, c'est-à-dire entre 30° Nord et 30° Sud de latitude.In addition, it should be noted that the invention is intended to be used near the sea and must be located in a location with a steep coastline and strong sunshine all year round. For example, the invention can be advantageously located in an area between the Tropic of Cancer and the Tropic of Capricorn, that is to say between 30° North and 30° South latitude.
La
Le sous-système de génération de froid 100 comporte principalement un circuit fermé de fluide froid 110, un premier échangeur thermique 120 et un circuit de circulation d’eau de mer 130. Le circuit fermé de fluide froid 110 comporte également un groupe de froid 111 et une pompe de circulation 112. Le circuit d’eau de mer 130 comporte en outre une pompe d’eau de mer 131.The cold generation subsystem 100 mainly comprises a closed cold fluid circuit 110, a first heat exchanger 120 and a seawater circulation circuit 130. The closed cold fluid circuit 110 also includes a cold unit 111 and a circulation pump 112. The seawater circuit 130 further comprises a seawater pump 131.
Le groupe de froid 111 peut être une climatisation ou un groupe de production de froid négatif. Dans le cas d’une climatisation, le groupe de froid 111 comporte un échangeur thermique permettant d’échanger des calories entre le fluide froid, par exemple de l’eau douce, et l’air qui est ensuite distribué dans des canalisations. Dans le cas d’un générateur de froid négatif, le fluide froid est utilisé pour refroidir le ou les condenseurs d’une ou plusieurs machines frigorifiques constituant le groupe de froid 111. La pompe de circulation 112 assure la circulation du fluide froid dans le circuit fermé 110 pour que le fluide froid puisse circuler entre le premier échangeur thermique 120 et le groupe de froid 111.The refrigeration unit 111 can be an air conditioning unit or a negative refrigeration production unit. In the case of air conditioning, the cold unit 111 includes a heat exchanger making it possible to exchange calories between the cold fluid, for example fresh water, and the air which is then distributed in pipes. In the case of a negative cold generator, the cold fluid is used to cool the condenser(s) of one or more refrigeration machines constituting the refrigeration group 111. The circulation pump 112 ensures the circulation of the cold fluid in the circuit closed 110 so that the cold fluid can circulate between the first heat exchanger 120 and the cold unit 111.
La pompe d’eau de mer 131 est une pompe qui permet de pomper de l’eau de mer en profondeur, par exemple à 1000 mètres de profondeur. Une telle pompe 131 peut être composée d’une ou plusieurs pompes refoulantes cascadées selon une technique connue afin de permettre un tel pompage. L’eau de mer pompée à 1000 mètres de fond est à une température quasi constante toute l’année qui est de l’ordre de 5°C.The 131 seawater pump is a pump that allows seawater to be pumped at depth, for example at a depth of 1000 meters. Such a pump 131 can be composed of one or more pumps cascaded according to a known technique in order to allow such pumping. The seawater pumped from a depth of 1000 meters is at an almost constant temperature all year round, which is around 5°C.
Le premier échangeur thermique 120 est relié fluidiquement au circuit fermé de fluide froid 110 et au circuit de circulation d’eau de mer 130 afin de permettre un échange de calories entre l’eau de mer et le fluide froid circulant dans ledit circuit fermé 110, l’eau de mer se réchauffant tout en refroidissant le fluide froid. Le dimensionnement du premier échangeur thermique 120, de la pompe de circulation 112 et de la pompe d’eau de mer 131 est réalisé afin de permettre un maintien de la température de fluide froid sortant du premier échangeur thermique 120 à une basse température, par exemple comprise entre 6°C et 10°C. En outre, afin de pouvoir continuer d’utiliser la basse température de l’eau de mer, le dimensionnement doit également prendre en compte que l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique doit être à une température comprise entre 10°C et 14°C et préférentiellement 12°C.The first heat exchanger 120 is fluidly connected to the closed cold fluid circuit 110 and to the seawater circulation circuit 130 in order to allow an exchange of calories between the seawater and the cold fluid circulating in said closed circuit 110, sea water warming while cooling the cold fluid. The dimensioning of the first heat exchanger 120, the circulation pump 112 and the sea water pump 131 is carried out in order to allow the temperature of the cold fluid leaving the first heat exchanger 120 to be maintained at a low temperature, for example between 6°C and 10°C. Furthermore, in order to continue to use the low temperature of the sea water, the sizing must also take into account that the sea water leaving the first heat exchanger must be at a temperature between 10°C and 14 °C and preferably 12°C.
Le sous-système de génération de froid 100 correspond à un système SWAC de l’état de la technique. Toutefois, selon l’invention, l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique est à une température plus basse qu’un système de l’état de la technique.The cold generation subsystem 100 corresponds to a state-of-the-art SWAC system. However, according to the invention, the seawater leaving the first heat exchanger is at a lower temperature than a state-of-the-art system.
Le sous-système de génération d’énergie électrique 200 comporte principalement un circuit fermé de fluide de travail 210, un circuit fermé de fluide caloporteur 220, un deuxième échangeur thermique 230, un troisième échangeur thermique 240 et un turbogénérateur 250. Le circuit fermé de fluide de travail 210 est relié fluidiquement au deuxième échangeur thermique 230, au troisième échangeur thermique 240 et au turbogénérateur 250. Une pompe 211 assure la circulation du fluide de travail à l’intérieur du circuit fermé de fluide de travail 210. Une telle pompe 211 est optionnelle si les deuxième et troisième échangeurs sont positionnés verticalement et disposent d’une hauteur suffisante pour que la circulation se fasse naturellement sous l’action de la gravité. Dans ce premier exemple de réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène ayant un point de vaporisation situé entre 70°C et 80°C à une pression de l’ordre de 6 à 7 bars. A titre d’exemple, le fluide de travail peut être un chloro-trifluoropropène. Un chloro-trifluoropropène qui convient est vendu sous la marque Solstice® avec la référence zd(R-1233zd) par la société Honeywell.The electrical energy generation subsystem 200 mainly comprises a closed circuit of working fluid 210, a closed circuit of heat transfer fluid 220, a second heat exchanger 230, a third heat exchanger 240 and a turbogenerator 250. The closed circuit of working fluid 210 is fluidly connected to the second heat exchanger 230, to the third heat exchanger 240 and to the turbogenerator 250. A pump 211 ensures the circulation of the working fluid inside the closed working fluid circuit 210. Such a pump 211 is optional if the second and third exchangers are positioned vertically and have sufficient height for circulation to occur naturally under the action of gravity. In this first embodiment, the working fluid is a refrigerant having a vaporization point located between 70°C and 80°C at a pressure of around 6 to 7 bars. For example, the working fluid can be a chloro-trifluoropropene. A suitable chloro-trifluoropropene is sold under the Solstice® brand with the reference zd(R-1233zd) by the Honeywell company.
Le turbogénérateur 250 est principalement constitué d’une turbine reliée à un générateur électrique. La turbine reçoit le fluide de travail sous forme de vapeur sous pression provenant du troisième échangeur thermique 240. La vapeur sous pression entraîne la turbine qui entraîne le générateur électrique et produit ainsi de l’électricité. En traversant la turbine, la vapeur de fluide de travail perd de l’énergie, abaissant sa pression et sa température.The 250 turbogenerator mainly consists of a turbine connected to an electric generator. The turbine receives the working fluid in the form of pressurized steam coming from the third heat exchanger 240. The pressurized steam drives the turbine which drives the electric generator and thus produces electricity. As the working fluid vapor passes through the turbine, it loses energy, lowering its pressure and temperature.
Le deuxième échangeur thermique 230 est également relié au circuit de circulation d’eau de mer 130 afin de permettre un échange de calories entre l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 120 et le fluide de travail circulant dans ledit circuit fermé 210, l’eau de mer se réchauffant tout en refroidissant le fluide de travail. Le deuxième échangeur thermique 230 fonctionne en condenseur qui transforme le fluide de travail pour ramener ledit fluide travail de l’état vapeur à l’état liquide par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du deuxième échangeur thermique 230 est réalisé afin de permettre une condensation du fluide de travail de l’état vapeur à une température de 90°C à un état liquide à 40°C tout en ne réchauffant l’eau de mer que de 10°C lors de l’échange thermique. Ainsi, l’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 230 doit être à une température comprise entre 20°C et 24°C et préférentiellement 22°C. Un tel échange peut être atteint avec un volume de circulation de fluide de travail 10 fois inférieur au volume de circulation d’eau de mer. La température de l’eau de mer à une profondeur de 50m dans une zone tropicale étant sensiblement constante aux alentours de 22°C, il est possible de rejeter l’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 230 à cette profondeur de 50m sans nuire à la flore ou à la faune marine.The second heat exchanger 230 is also connected to the seawater circulation circuit 130 in order to allow an exchange of calories between the seawater leaving the first heat exchanger 120 and the working fluid circulating in said closed circuit 210, seawater warming while cooling the working fluid. The second heat exchanger 230 functions as a condenser which transforms the working fluid to return said working fluid from the vapor state to the liquid state by heat exchange with sea water. The dimensioning of the second heat exchanger 230 is carried out in order to allow condensation of the working fluid from the vapor state at a temperature of 90°C to a liquid state at 40°C while only heating the seawater by 10°C during the heat exchange. Thus, the seawater leaving the second heat exchanger 230 must be at a temperature between 20°C and 24°C and preferably 22°C. Such an exchange can be achieved with a circulation volume of working fluid 10 times lower than the circulation volume of sea water. The temperature of sea water at a depth of 50m in a tropical zone being substantially constant around of 22°C, it is possible to reject the seawater leaving the second heat exchanger 230 at this depth of 50m without harming the marine flora or fauna.
Le troisième échangeur thermique 240 est également relié au circuit fermé de fluide caloporteur 220 afin de permettre un échange de calories entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit fermé 210 et le fluide caloporteur circulant dans le circuit fermé de fluide caloporteur 220, le fluide de travail se réchauffant tout en refroidissant le fluide caloporteur. Le troisième échangeur thermique 240 fonctionne en évaporateur qui transforme le fluide de travail de l’état liquide à l’état vapeur par échange thermique avec le fluide caloporteur. Le dimensionnement du troisième échangeur thermique 240 est réalisé afin de transformer le fluide de travail en vapeur sous pression à une température de 150°C tout en ne refroidissant le fluide caloporteur que d’environ 20°C lors de l’échange thermique. Afin de réaliser un tel échange thermique, le fluide caloporteur doit rentrer dans le troisième échangeur thermique à une température d’environ 180°C et sortir dudit troisième échangeur à une température d’environ 160°C. Un tel échange peut être atteint avec un volume de circulation de fluide de travail 20 fois inférieur au volume de circulation de fluide caloporteur.The third heat exchanger 240 is also connected to the closed circuit of heat transfer fluid 220 in order to allow an exchange of calories between the working fluid circulating in said closed circuit 210 and the heat transfer fluid circulating in the closed circuit of heat transfer fluid 220, the heat transfer fluid work heating up while cooling the heat transfer fluid. The third heat exchanger 240 functions as an evaporator which transforms the working fluid from the liquid state to the vapor state by heat exchange with the heat transfer fluid. The dimensioning of the third heat exchanger 240 is carried out in order to transform the working fluid into steam under pressure at a temperature of 150°C while only cooling the heat transfer fluid by approximately 20°C during the heat exchange. In order to carry out such a heat exchange, the heat transfer fluid must enter the third heat exchanger at a temperature of approximately 180°C and exit said third exchanger at a temperature of approximately 160°C. Such an exchange can be achieved with a circulation volume of working fluid 20 times lower than the circulation volume of heat transfer fluid.
Dans ce premier exemple de réalisation, le circuit fermé de fluide caloporteur 220 comporte un élément chauffant 260 et une pompe de circulation 270. La capacité de chauffage de l’élément chauffant 260 et le débit de circulation du fluide caloporteur définissent la capacité de chauffage du fluide caloporteur à l’intérieur du circuit fermé 220. Le débit de circulation de fluide caloporteur peut en outre être ajustée en fonction de la température dudit fluide caloporteur, une vitesse de circulation d’équilibre correspondant aux températures d’entrée et de sortie de l’évaporateur 240 indiquées au paragraphe précédent. Le fluide caloporteur est un fluide devant supporter une température élevée sans se dégrader et sans se vaporiser. Un tel fluide caloporteur peut être de l’eau sous pression qui nécessite des canalisations pouvant supporter une pression de 50 bars afin que l’eau ne se transforme pas en vapeur. En variante, le fluide caloporteur peut être constitué d’un mélange d’isopropyle et de biphényle qui peut être utilisé à des températures de plus de 200°C à basse pression, tel que par exemple le fluide caloporteur commercialisé sous la marque Therminol®62 par la société Eastman.In this first embodiment, the closed circuit of heat transfer fluid 220 comprises a heating element 260 and a circulation pump 270. The heating capacity of the heating element 260 and the circulation flow rate of the heat transfer fluid define the heating capacity of the heat transfer fluid. heat transfer fluid inside the closed circuit 220. The circulation rate of heat transfer fluid can also be adjusted as a function of the temperature of said heat transfer fluid, an equilibrium circulation speed corresponding to the inlet and outlet temperatures of the heat transfer fluid. evaporator 240 indicated in the previous paragraph. The heat transfer fluid is a fluid that must withstand a high temperature without degrading or vaporizing. Such a heat transfer fluid can be pressurized water which requires pipes that can withstand a pressure of 50 bars so that the water does not turn into steam. Alternatively, the heat transfer fluid may consist of a mixture of isopropyl and biphenyl which can be used at temperatures of more than 200°C at low pressure, such as for example the heat transfer fluid sold under the brand Therminol®62 by the Eastman company.
Un exemple d’élément chauffant 260 est décrit plus en détail à l’aide de la
Si l’on considère l’énergie nécessaire au pompage de l’eau de mer ainsi que l’énergie nécessaire à la circulation des différents fluides dans le système, le rendement entre l’énergie électrique produite et l’énergie nécessaire au fonctionnement du sous-système de production d’énergie électrique 200 est de l’ordre de 12%. En outre, le sous-système de génération de froid 100 est alimenté en eau de mer profonde sans qu’il soit nécessaire d’ajouter d’énergie de pompage. De plus, seules l’énergie de la mer et l’énergie solaire sont utilisées pour produire de l’énergie électrique et du froid. Toutefois, un tel système ne peut fonctionner que lorsque le soleil est levé et ne permet pas de produire de l’énergie électrique ni de générer du froid pendant la nuit.If we consider the energy necessary for pumping sea water as well as the energy necessary for the circulation of the different fluids in the system, the efficiency between the electrical energy produced and the energy necessary for the operation of the sub -electric energy production system 200 is of the order of 12%. Additionally, the cold generation subsystem 100 is supplied with deep seawater without the need for added pumping energy. In addition, only sea and solar energy are used to produce electrical energy and cold. However, such a system can only operate when the sun is up and cannot produce electrical energy or generate cold during the night.
La
Le troisième échangeur thermique 240 est relié au circuit de fluide caloporteur intermédiaire 320 afin de permettre un échange de calories entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit fermé 210 et un premier fluide caloporteur circulant dans le circuit de fluide caloporteur intermédiaire 320, le fluide de travail se réchauffant tout en refroidissant le premier fluide caloporteur. Le troisième échangeur thermique 240 fonctionne en évaporateur qui transforme le fluide de travail de l’état liquide à l’état vapeur par échange thermique avec le fluide caloporteur. Cependant, dans ce deuxième exemple de réalisation, le dimensionnement du troisième échangeur thermique 240 est réalisé afin de transformer le fluide de travail en vapeur sous pression à une température de 80°C à 90°C tout en ne refroidissant le premier fluide caloporteur que d’environ 20°C à 30°C lors de l’échange thermique. Afin de réaliser un tel échange thermique, le premier fluide caloporteur doit rentrer dans le troisième échangeur thermique à une température d’environ 100°C à 120°C et sortir dudit troisième échangeur à une température d’environ 80°C à 90°C. La régulation de la température du premier fluide caloporteur se fait en ajustant le débit de la pompe de circulation 321 en fonction de la température du fluide de stockage. Le volume de circulation de fluide de travail peut varier entre 2 et 5 fois le volume de circulation du premier fluide caloporteur.The third heat exchanger 240 is connected to the intermediate heat transfer fluid circuit 320 in order to allow an exchange of calories between the working fluid circulating in said closed circuit 210 and a first heat transfer fluid circulating in the intermediate heat transfer fluid circuit 320, the heat transfer fluid work heating up while cooling the first heat transfer fluid. The third heat exchanger 240 functions as an evaporator which transforms the working fluid from the liquid state to the vapor state by heat exchange with the heat transfer fluid. However, in this second embodiment, the dimensioning of the third heat exchanger 240 is carried out in order to transform the working fluid into steam under pressure at a temperature of 80°C to 90°C while only cooling the first heat transfer fluid by 'approximately 20°C to 30°C during heat exchange. In order to carry out such a heat exchange, the first heat transfer fluid must enter the third heat exchanger at a temperature of approximately 100°C to 120°C and exit said third exchanger at a temperature of approximately 80°C to 90°C. . The temperature of the first heat transfer fluid is regulated by adjusting the flow rate of the circulation pump 321 as a function of the temperature of the storage fluid. The circulation volume of the working fluid can vary between 2 and 5 times the circulation volume of the first heat transfer fluid.
Dans ce deuxième exemple de réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène ayant un point de vaporisation aux alentours de 50°C à une pression de l’ordre de 13 bars. A titre d’exemple, le fluide de travail peut être un tetrafluoropropène. Un tetrafluoropropène qui convient est vendu sous la marque Solstice® avec la référence yf(R-1234yf) par la société Honeywell. Le principe de génération d’énergie électrique est le même que dans le premier exemple de réalisation sauf à utiliser une source chaude à une température inférieure.In this second embodiment, the working fluid is a refrigerant having a vaporization point around 50°C at a pressure of around 13 bars. For example, the working fluid may be a tetrafluoropropene. A suitable tetrafluoropropene is sold under the Solstice® brand with the reference yf (R-1234yf) by the Honeywell company. The principle of generating electrical energy is the same as in the first embodiment except using a hot source at a lower temperature.
Le chauffage du premier fluide caloporteur est réalisé par le passage du premier fluide caloporteur dans le réservoir tampon 330 qui prend de la chaleur provenant du fluide de stockage. Le fluide de stockage est réchauffé par le circuit de chauffage 340 contenant un deuxième fluide caloporteur. Le chauffage du deuxième fluide caloporteur est réalisé par l’élément chauffant 260. Le débit de circulation du deuxième fluide caloporteur définit la capacité de chauffage du fluide de stockage à l’aide du deuxième fluide caloporteur par le circuit de chauffage 340. Le débit de circulation du deuxième fluide caloporteur peut en outre être ajusté en fonction de la température dudit deuxième fluide caloporteur et du fluide de stockage. Typiquement, lorsque le soleil fournit de l’énergie, le deuxième fluide caloporteur peut atteindre une température d’environ 180°C à l’entrée du serpentin du réservoir tampon 330 de sorte à pouvoir amener la température du fluide de stockage à une température égale ou légèrement supérieure à 120°C pendant la journée. Le réservoir tampon 330 doit contenir une quantité de fluide de stockage suffisante pour pouvoir conserver une température supérieure à 100°C pendant toute la nuit afin de pouvoir réchauffer le premier fluide caloporteur et ainsi de permettre la production d’énergie électrique en continu. A cet effet, le fluide de stockage doit avoir une très forte capacité de stockage thermique.Heating of the first heat transfer fluid is carried out by passing the first heat transfer fluid into the buffer tank 330 which takes heat from the storage fluid. The storage fluid is heated by the heating circuit 340 containing a second heat transfer fluid. Heating of the second heat transfer fluid is carried out by the heating element 260. The circulation flow rate of the second heat transfer fluid defines the heating capacity of the storage fluid using the second heat transfer fluid by the heating circuit 340. The flow rate of circulation of the second heat transfer fluid can also be adjusted as a function of the temperature of said second heat transfer fluid and of the storage fluid. Typically, when the sun provides energy, the second heat transfer fluid can reach a temperature of approximately 180° C. at the entrance to the coil of the buffer tank 330 so as to be able to bring the temperature of the storage fluid to an equal temperature. or slightly above 120°C during the day. The buffer tank 330 must contain a sufficient quantity of storage fluid to be able to maintain a temperature above 100°C throughout the night in order to be able to heat the first heat transfer fluid and thus allow the continuous production of electrical energy. For this purpose, the storage fluid must have a very high thermal storage capacity.
A titre d’exemple, le fluide de stockage peut être de l’eau mise sous pression, par exemple entre 12 et 14 bars et les premier et deuxième fluides caloporteurs peuvent être un mélange d’isopropyle et de biphényle restant à basse pression. Pour pouvoir maintenir la température dans le réservoir tampon entre 100°C et 120°C, il convient de définir le volume du fluide de stockage en fonction du débit du premier fluide puis ensuite de définir le débit du deuxième fluide.For example, the storage fluid can be water pressurized, for example between 12 and 14 bars and the first and second heat transfer fluids can be a mixture of isopropyl and biphenyl remaining at low pressure. To be able to maintain the temperature in the buffer tank between 100°C and 120°C, it is necessary to define the volume of the storage fluid as a function of the flow rate of the first fluid and then to define the flow rate of the second fluid.
Le sous-système de génération d’énergie électrique 200 de ce deuxième exemple de réalisation utilisant une source chaude ayant une température plus basse que dans le premier exemple de réalisation, le rendement peut être compris entre 6% et 10%. Toutefois ce deuxième exemple permet un usage continu indépendamment du jour ou de la nuit.The electrical energy generation subsystem 200 of this second embodiment using a hot source having a lower temperature than in the first embodiment, the efficiency can be between 6% and 10%. However, this second example allows continuous use regardless of day or night.
De nombreuses variantes sont possibles. Il est notamment possible de dimensionner différemment les différents éléments des exemples de réalisation. Notamment, il est possible d’utiliser un réservoir tampon de plus faible dimension si l’on souhaite produire une quantité d’énergie électrique plus faible pendant la nuit que ce qu’il est possible de produire pendant la journée. Également, les températures de circulation des différents fluides correspondent à un mode de fonctionnement préféré et peuvent être changées en fonction de choix de réalisation correspondant à des rendements différents. Le fluide de travail, le fluide caloporteur et le fluide de stockage sont donnés à titre d’exemple et d’autres fluides peuvent être utilisés en fonction des températures de fonctionnement souhaitées par l’homme du métier. Ainsi, l’homme du métier pourra modifier le dimensionnement en fonction de ses besoins.Many variations are possible. In particular, it is possible to dimension the different elements of the exemplary embodiments differently. In particular, it is possible to use a smaller buffer tank if one wishes to produce a lower quantity of electrical energy during the night than what can be produced during the day. Also, the circulation temperatures of the different fluids correspond to a preferred mode of operation and can be changed according to implementation choices corresponding to different efficiencies. The working fluid, the heat transfer fluid and the storage fluid are given as an example and other fluids can be used depending on the operating temperatures desired by those skilled in the art. Thus, those skilled in the art will be able to modify the sizing according to their needs.
Claims (6)
- un sous-système de génération de froid (100) comprenant un circuit fermé de fluide froid (110) relié fluidiquement à un premier échangeur thermique (120), le premier échangeur thermique (120) étant relié fluidiquement à un circuit de circulation d’eau de mer (130) afin de refroidir le fluide froid avec de l’eau de mer pompée en profondeur, et
- un sous-système de génération d’énergie électrique (200) comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé (210) entre un évaporateur (240) qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur (250) transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur (230) qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur (250) afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur (240), caractérisé en ce que :
- l’évaporateur (240) est un deuxième échangeur thermique qui transfert de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir d’au moins un fluide caloporteur chauffé par de l’énergie solaire,
- le condenseur (230) est un troisième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir du circuit d’eau de mer (130) sortant du premier échangeur thermique.Cold generation and electrical energy production system which includes:
- a cold generation subsystem (100) comprising a closed circuit of cold fluid (110) fluidly connected to a first heat exchanger (120), the first heat exchanger (120) being fluidly connected to a circulation circuit of seawater (130) in order to cool the cold fluid with seawater pumped from deep, and
- an electrical energy generation subsystem (200) comprising a working fluid circulating in a closed circuit (210) between an evaporator (240) which heats said working fluid to obtain steam under pressure, a turbogenerator (250) ) transforming the steam under pressure into electrical energy, and a condenser (230) which cools the steam after passing through the turbogenerator (250) in order to liquefy the working fluid to supply it to the evaporator (240), characterized in that :
- the evaporator (240) is a second heat exchanger which transfers heat energy to the working fluid from at least one heat transfer fluid heated by solar energy,
- the condenser (230) is a third heat exchanger which cools the working fluid from the seawater circuit (130) leaving the first heat exchanger.
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- 2023-05-15 WO PCT/FR2023/050696 patent/WO2023222971A1/en unknown
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