Development and optimization of a Stirling engine for thermal energy harvesting

Développement et optimisation d’un moteur Stirling pour la valorisation d’énergie thermique

Gwyddyon Féniès (1)

1 SYMME - Laboratoire SYstèmes et Matériaux pour la MEcatronique

The thermal energy harvesting is a true opportunity for the energy efficiency. Most of industrial rejected thermal energy is considered as “low temperature”, less than 200 °C. Different technologies are available to convert it in electrical power, but nowadays none of them brings suitable solutions. We choose the multiphase free-pistons Stirling generator (MFPSG) because of its theoretical maximal performances and its technological robustness. The MFPSG development is the aim of these works. It sides in two points: - A theoretical approach with the development of a model based on a thermodynamical-electrical analogy: pressure has the role of electrical tension and volume flow rate of the electrical current. It describes the complex dynamical behavior of the engine, taking account of each component whether thermal, mechanical or electromagnetic. The thermal exchanges between the gas and the thermal sources are taken into consideration and allow us to deal with the question of the engine optimization and integration in a given environment. An energetic and exergetic losses study is especially done to exhibit the key points to optimize the engine performances. - An experimental approach with the design of a laboratory prototype and the sensors implementation. Some hard theoretically calibrated parameters are then identified thanks to experiments. The comparison between the experimental and theoretical trials shows acceptable disparities compare to the simplicity of the model.

La valorisation de l’énergie thermique perdue offre une réelle opportunité pour l’efficacité énergétique. La majorité des rejets de chaleur dans l’industrie est dite à « basse température » c’est-à-dire inférieure à 200 °C. Différentes technologies permettent de la convertir en énergie électrique mais aucune n’apporte de solution satisfaisante aujourd’hui. Notre choix s’est porté sur un générateur Stirling multiphases à pistons libres (SMPL) en raison de sa performance théorique maximale, de sa robustesse et de sa simplicité technologique. Le développement d’un SMPL fait l’objet de ce travail de thèse. Une double approche a été adoptée : - Un point de vue théorique avec la construction d’un modèle basé sur une analogie thermodynamique - électrique : la pression joue le rôle de la tension électrique et le débit volumique le courant. Ce modèle nous permet ainsi de décrire simplement la dynamique complexe du moteur en conservant la représentation de chacun de ses composants qu’ils soient thermique, mécanique ou électromagnétique. Les échanges thermiques avec les sources de chaleurs sont également pris en compte, ce qui permet d’aborder la question de l’optimisation et de l’intégration de la machine pour un environnement donné. Une étude des pertes énergétiques et exergétiques est notamment menée afin de déterminer les points clefs permettant une optimisation des performances. - Un point de vue expérimental avec l’instrumentation et l’étude d’un démonstrateur mis au point au laboratoire. Des paramètres difficilement prédictibles théoriquement sont déterminés grâce aux essais. La comparaison entre les essais expérimentaux et théoriques montre des écarts acceptables compte tenu de la simplicité pratique du modèle utilisé.

Mots clés: Loteur Stirling; récupération énergie thermique; modélisation; expérimentation; optimisation

Mots clés: Stirlin engine; thermal energy harvesting; modelisation; experimentation; optimization

Domaines: Thermique [physics.class-ph]; Energie électrique

Gwyddyon Féniès. Développement et optimisation d’un moteur Stirling pour la valorisation d’énergie thermique. Thermique [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03152047⟩