FR3095012A1 - Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud. - Google Patents

Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud. Download PDF

Info

Publication number
FR3095012A1
FR3095012A1 FR1904016A FR1904016A FR3095012A1 FR 3095012 A1 FR3095012 A1 FR 3095012A1 FR 1904016 A FR1904016 A FR 1904016A FR 1904016 A FR1904016 A FR 1904016A FR 3095012 A1 FR3095012 A1 FR 3095012A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
heat transfer
transfer fluid
thermoelectric generator
temperature
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1904016A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3095012B1 (fr
Inventor
Hai Trieu Phan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR1904016A priority Critical patent/FR3095012B1/fr
Publication of FR3095012A1 publication Critical patent/FR3095012A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3095012B1 publication Critical patent/FR3095012B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud. L’invention concerne un système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique (1), comprenant une face dite face froide (2) et une face dite face chaude (3), et une conduite de gaz (4) apte à recevoir un gaz chaud circulant caractérisé en ce que le système comprend un circuit intermédiaire (5) agencé au niveau de la face chaude (3) et configuré pour récupérer de l’énergie thermique du gaz chaud pour la transmettre au générateur thermoélectrique (1) et un module de régulation de la température du premier fluide caloporteur en entrée (100) du générateur thermoélectrique (1) Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des transports terrestres ou marins notamment permettant de récupérer la chaleur fatale de gaz d’échappement. Figure pour l’abrégé : Fig.1 [Fig. 1]

Description

Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud.
L’invention concerne le domaine de la production d’énergie électrique par un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des transports terrestres ou marins notamment permettant de récupérer la chaleur fatale de gaz d’échappement.
Dans le contexte environnemental actuel, la récupération de chaleur fatale pour la production d’électricité est une problématique en plein développement en particulier pour des systèmes embarqués ou non reliés à un système de production d’électricité centralisé.
L’effet thermoélectrique est une des possibilités pour contribuer à la production d’électricité à partir de la chaleur.
Les générateurs thermoélectriques sont constitués d’un ensemble de modules thermoélectriques insérés entre deux échangeurs de chaleur. Chaque module thermoélectrique est ensuite constitué de quelques dizaines à centaines de couples de matériaux semi-conducteurs qui permettent de convertir directement une partie de la chaleur qui les traverse en énergie électrique.
Les générateurs thermoélectriques se sont tout d’abord développés pour des applications spatiales assez spécifiques du fait notamment de leur coût élevé et leur faible rendement. Plus récemment de nouveaux matériaux à faible coût, non toxiques et à faible empreinte écologique ont permis de développer de nouveaux générateurs thermoélectriques offrant des plages de fonctionnement étendues.
Plusieurs laboratoires développement des matériaux thermoélectriques de plus en plus performants et moins onéreux.
L’amélioration de l’architecture de modules thermoélectriques et l’intégration des modules dans les systèmes afin de constituer des générateurs thermoélectriques efficaces est une autre voie de développement étudiée.
On connait notamment du document FR3023582 A1, un module thermoélectrique couplé thermiquement avec un thermosiphon diphasique, ou caloduc, agencé entre un conduit dans lequel une fumée ou un gaz chaud circule et le module thermoélectrique. Cette solution permet de réduire considérablement le nombre de modules thermoélectriques grâce à une densité de flux de chaleur plus important côté chaud, réduisant ainsi le coût du générateur. Toutefois, ce système présente l’inconvénient d’avoir une performance limitée du fait de la gamme de températures de fonctionnement optimal limitée des matériaux thermoélectriques.
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution pour la production d’électricité par un générateur thermoélectrique qui possède une performance de production d’électricité optimisée.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l’examen de la description suivante et des dessins d’accompagnement. Il est entendu que d’autres avantages peuvent être incorporés.
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation la présente invention prévoit un système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique, comprenant une face dite face froide et une face dite face chaude, et une conduite de gaz apte à recevoir un gaz chaud circulant caractérisé en ce que le système comprend un circuit intermédiaire agencé au niveau de la face chaude et configuré pour récupérer de l’énergie thermique du gaz chaud pour la transmettre au générateur thermoélectrique et un module de régulation de la température du premier fluide caloporteur en entrée du générateur thermoélectrique.
Ce système selon l’invention permet du fait de la présence d’un circuit intermédiaire entre la conduite de gaz et le générateur thermoélectrique, et du module de régulation de la température, d’obtenir une production d’électricité optimale. En effet, grâce au circuit intermédiaire, la chaleur du gaz chaud est récupérée en limitant la perte de charge sur la circulation du gaz. Toutefois, la température du premier fluide caloporteur est régulée en entrée du générateur thermoélectrique de sorte à être en adéquation avec la température optimale de fonctionnement pour chaque matériau thermoélectrique choisi du générateur thermoélectrique.
De manière facultative, l’invention peut en outre présenter au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes.
Avantageusement, le premier fluide caloporteur est monophasique liquide. C’est-à-dire que dans les conditions d’utilisation du système, le premier fluide caloporteur est choisi pour ne pas changer d’état et rester dans une seule phase, en particulier à l’état liquide. Cet état monophasique permet de réguler plus efficacement la température en entrée du générateur thermoélectrique et d'améliorer les échanges thermiques au niveau du générateur thermoélectrique.
De préférence, le système comprend un circuit de refroidissement agencé au niveau de la face froide du générateur thermoélectrique. Le circuit de refroidissement assure un maintien de la température du générateur thermoélectrique optimal de sorte à éviter la surchauffe du système et assurer une production d'électricité optimisée.
Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de production d’électricité par un système tel que décrit ci-dessus comprenant les étapes suivantes :
  • Circulation d’un gaz chaud dans la conduite de gaz,
  • Circulation d’un premier fluide caloporteur monophasique liquide dans le circuit intermédiaire,
  • Mesure de la température du premier fluide caloporteur en entrée du générateur thermoélectrique,
  • Régulation du débit de circulation du premier fluide caloporteur pour atteindre une valeur de température cible du premier fluide caloporteur en entrée du générateur thermoélectrique.
Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de production d’électricité par un système tel que décrit ci-dessus comprenant les étapes suivantes :
  • Circulation d’un gaz chaud dans la conduite de gaz,
  • Circulation d’un premier fluide caloporteur monophasique liquide dans le circuit intermédiaire,
  • Mesure de la température du premier fluide caloporteur en entrée du générateur thermoélectrique,
  • Régulation du débit de circulation du premier fluide caloporteur pour atteindre une valeur de température cible du premier fluide caloporteur en entrée du générateur thermoélectrique,
  • Circulation d’un deuxième fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement,
  • Mesure de la température du deuxième fluide caloporteur en sortie du générateur thermoélectrique,
  • Régulation du débit de circulation du deuxième fluide caloporteur pour atteindre une valeur de température cible du deuxième fluide caloporteur en sortie du générateur thermoélectrique
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustrée par le dessin d’accompagnement suivant :
[Fig. 1] La figure 1 représente un schéma de principe de l’invention.
Le dessin est donné à titre d’exemple et n’est pas limitatif de l’invention. Il constitue une représentation schématique de principe destiné à faciliter la compréhension de l’invention et n’est pas nécessairement à l’échelle des applications pratiques.
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
  • le module de régulation de la température du premier fluide caloporteur comprend une pompe de circulation configurée pour contrôler le débit du premier fluide caloporteur dans le premier circuit intermédiaire ;
    le module de régulation de la température du premier fluide caloporteur comprend au moins un capteur de température agencé sur le premier circuit intermédiaire en amont de l’entrée dans le générateur thermoélectrique ;
  • le circuit intermédiaire comprend un premier fluide caloporteur monophasique liquide ; préférentiellement le fluide caloporteur monophasique liquide est choisi parmi de l’eau glycolée pouvant être pressurisée ou de l’huile pouvant être minérale, de la glycérine, diélectrique ou synthétique ;
    Avantageusement, le fluide caloporteur est monophasique à l’état liquide pour une température inférieure ou égale à 200 °C. Cela permet d’utiliser notamment le tellure de bismuth Bi2Te3comme matériau thermoélectrique du générateur thermoélectrique ;
  • le circuit intermédiaire comprend un premier échangeur de chaleur agencé sur la conduite de gaz ;
    le circuit intermédiaire comprend un deuxième échangeur de chaleur agencé sur la face chaude du générateur thermoélectrique ; Le transfert de chaleur est optimisé par la présence d’échangeurs. Les échangeurs sont configurés pour assurer un échange optimal tout en minimisant la perte de charge sur la circulation de gaz chaud et sans être limité par une circulation du fluide caloporteur dans le générateur thermoélectrique.
  • le système comprend un circuit de refroidissement du générateur thermoélectrique agencé au niveau de la face froide configuré pour assurer le refroidissement du générateur thermoélectrique par une source froide ;
    le circuit de refroidissement permet de maintenir le générateur thermoélectrique dans une gamme de température optimale de fonctionnement.
  • le circuit de refroidissement comprenant une conduite d’amenée de la source froide directement au niveau de la face froide du générateur thermoélectrique ; la source froide peut être de l’air, La circulation d’air au niveau du générateur thermoélectrique assure une dissipation de la chaleur par convection qui présente l’avantage d’une architecture simplifiée et d’un coût limité. La source froide peut être alternativement de l'eau.
  • le circuit de refroidissement comprenant un deuxième fluide caloporteur à l’état liquide, préférentiellement de l’eau, ou de l’eau glycolée ; L’eau glycolée permet de fonctionner dans un environnement froid avec des températures proches de zéro voire négatives sans risques que le fluide caloporteur ne gèle.
    le circuit de refroidissement comprend un premier échangeur de chaleur agencé entre le circuit de refroidissement et la face froide du générateur thermoélectrique ;
    le circuit de refroidissement comprend un deuxième échangeur de chaleur agencé entre le circuit de refroidissement et la source froide ; Les échangeurs sont configurés pour assurer un échange optimal.
  • le système comprend un module de régulation de la température du deuxième fluide caloporteur avantageusement en sortie du générateur thermoélectrique ; le système de régulation permet d’assurer un maintien du générateur thermoélectrique dans une gamme de température dans laquelle la performance de production d’énergie est bonne.
  • le module de régulation de la température du deuxième fluide caloporteur comprend une pompe de circulation configurée pour contrôler le débit du deuxième fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement ;
    le module de régulation de la température du deuxième fluide caloporteur comprend au moins un capteur de température agencé sur le circuit de refroidissement, avantageusement en amont de l'entrée du générateur thermoélectrique.
L’usage de l’article indéfini « un » ou « une » pour un élément ou une étape n’exclut pas, sauf mention contraire, la présence d’une pluralité de tels éléments ou étapes.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme « agencé sur », ou ses équivalents signifient « en connexion fluidique ».
Dans la présente description, l’expression « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » ne signifie pas nécessairement qu’il n’existe pas d’organe entre A et B. Les expressions « agencée sur » ou « sur » sont synonymes de « raccordé fluidiquement à ».
L’amont et l’aval en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide dans le circuit.
On entend par échange direct ou couplage direct que l’échange d’énergie thermique se fait directement sans circuit ou composant intermédiaire. L’échange direct se fait directement entre le fluide caloporteur et par exemple un flux d’air.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
La présente invention concerne un système de production d’électricité par récupération d’énergie thermique. Le système comprend un générateur thermoélectrique 1. Un générateur thermoélectrique 1 comprend une pluralité de module thermoélectrique ou thermo-élément comprenant un matériau thermoélectrique assurant la transformation de l’énergie thermique en énergie électrique. Les matériaux thermoélectriques sont choisis en fonction des applications du générateur thermoélectrique et donc des températures d’utilisation. Par exemple, on connait le tellure de Bismuth Bi2Te3, le tellure de plomb TePb, la skuttérudite CoSB3, le silicium germanium SiGe, le tellure de lanthane LaTe3. Les matériaux thermoélectriques voient leur facteur de mérite qui représente la performance, évoluer en fonction de la température. À titre d’exemple, le tellure de Bismuth Bi2Te3indique un facteur de mérite de 1 pour une température de l’ordre de 100 °C.
Le générateur thermoélectrique 1 comprend deux faces, une première face dite chaude 3, correspondant à la face au niveau de laquelle l’énergie thermique est apportée au générateur thermoélectrique 1 et une face dite froide 2 correspondant à la face au niveau de laquelle de l’énergie thermique est évacuée du générateur thermoélectrique 1.
Le système permet de récupérer de l’énergie thermique pouvant être avantageusement de la chaleur fatale issue de procédés industriels, ou d’un moteur thermique... La chaleur fatale est contenue dans un gaz chaud pouvant être un gaz d’échappement ou des fumées. Préférentiellement, on entend dans le cadre de l’invention que le gaz est chaud lorsqu’il présente une température supérieure à 50 °C préférentiellement supérieure à 100 °C. Préférentiellement, le gaz est à haute température c’est dire préférentiellement au-dessus de 300°C. Avantageusement, le gaz chaud circule dans une conduite de gaz 4.
Selon l’invention, le système comprend un circuit intermédiaire 5. Le circuit intermédiaire 5 est un circuit fluidique, avantageusement clos, destiné à recevoir un premier fluide caloporteur. Le circuit intermédiaire 5 a pour fonction de transmettre l’énergie thermique du gaz chaud au générateur thermoélectrique 1. Le circuit intermédiaire 5 est agencé entre la conduite 4 de circulation du gaz chaud et le générateur thermoélectrique 1.
Le circuit intermédiaire 5 comprend avantageusement un premier échangeur de chaleur 8 configuré pour récupérer l’énergie thermique du gaz chaud circulant dans la conduite de gaz 4 pour le transmettre au premier fluide caloporteur. Le premier échangeur de chaleur 8 est agencé sur la conduite 4 de circulation de gaz chaud. À titre d’exemple, le premier échangeur 8 comprend au moins conduit dans lequel circule le premier fluide caloporteur, avantageusement muni d’ailettes, agencé dans la conduite 4 de circulation de gaz chaud. Ainsi, le gaz chaud circule autour du premier fluide caloporteur. L’utilisation d’un circuit intermédiaire 5 facilite l’assemblage du générateur thermoélectrique puisqu’il ne nécessite plus de circulation du gaz chaud directement au contact de la face chaude 3. Le système selon l’invention permet également d’éviter les risques d’encrassements du générateur thermoélectrique 1, plus précisément des thermo-éléments en ce qu’il n’y a plus de circulation du gaz chaud directement au contact du générateur thermoélectrique 1.
Le circuit intermédiaire comprend avantageusement un deuxième échangeur de chaleur 9 configuré pour transférer l’énergie thermique du premier fluide caloporteur au générateur thermoélectrique 1. Le deuxième échangeur de chaleur 9 est agencé sur la face chaude 3 du générateur thermoélectrique 1. À titre d’exemple, le deuxième échangeur 9 est une canalisation configurée pour recevoir le premier fluide caloporteur comprenant des parois assurant une conduction thermique entre le premier fluide caloporteur circulant et le générateur thermoélectrique 1. Préférentiellement, le deuxième échangeur 9 comprend la circulation du premier fluide caloporteur directement au contact des modules thermoélectriques ou thermo-éléments. Les thermo-éléments comprennent des mini-canaux sur leur face chaude configurés pour recevoir la circulation du premier fluide caloporteur.Cette disposition présente l’avantage d’avoir un fluide caloporteur à l’état liquide en contact du générateur thermoélectrique assurant un plus fort coefficient d’échange thermique. Le nombre de thermo-éléments nécessaire pour atteindre un niveau de production d’énergie électrique est donc réduit limitant les coûts de production du générateur thermoélectrique.
Le premier fluide caloporteur est un fluide à l’état liquide qui est monophasique dans les conditions d’utilisation du système et de préférence à une température inférieure ou égale à 200 °C. Le premier fluide caloporteur est préférentiellement choisi parmi de l’eau glycolée pouvant être pressurisée ou de l’huile pouvant être minérale, de la glycérine, diélectrique ou synthétique ;
Le système selon l’invention comprend un module de régulation de la température du premier fluide caloporteur en entrée du générateur thermoélectrique 1. On entend par entrée du générateur thermoélectrique 1, l’arrivée 100 du premier fluide caloporteur dans le deuxième échangeur de chaleur 9 du circuit intermédiaire 5. Le contrôle de la température du premier fluide caloporteur en entrée 100 du générateur thermoélectrique 1 permet de contrôler l’apport d’énergie thermique au générateur thermoélectrique 1 et donc la production d’électricité par celui-ci. Pour permettre une production d’électricité optimale, la température du premier fluide caloporteur est avantageusement constante. De plus, la température du premier fluide caloporteur est avantageusement proche d’une température cible correspondant à la température pour laquelle le matériau thermoélectrique choisi pour les thermo éléments présente un facteur de mérite maximal.
Le module de régulation comprend avantageusement une pompe 6 agencée sur le circuit intermédiaire 5 configurée pour mettre en circulation le premier fluide caloporteur dans ledit circuit tout en permettant de contrôler son débit. Préférentiellement, la pompe 6 est agencée en amont du premier échangeur 8 préférentiellement entre la sortie 101 du deuxième échangeur 9 et l’entrée 102 du premier échangeur 8. En contrôlant le débit du premier fluide caloporteur dans le premier échangeur 8, on contrôle la quantité d’énergie thermique récupérée par le premier fluide caloporteur et donc la température du premier fluide caloporteur en sortie 103 du premier échangeur 8 et donc en entrée 100 du générateur thermoélectrique 1.
Selon un mode de réalisation préféré, le module de régulation comprend un capteur de température 7. Le capteur de température 7 est agencé préférentiellement en amont de l’entrée 100 du premier fluide caloporteur dans le deuxième échangeur 9. Le capteur de température 7 est configuré pour mesurer la température du premier fluide caloporteur.
Le module de régulation de la température comprend un élément de gestion permettant de contrôler le débit de la pompe 5 en fonction de la température du premier fluide caloporteur mesurée par le capteur de température 7 et une valeur cible de température, avantageusement prédéfinie, pour le premier fluide caloporteur.
Selon un mode de réalisation, le système comprend un circuit de refroidissement 10. Le circuit de refroidissement 10 assure une dissipation de la chaleur du générateur thermoélectrique 1 par une source froide au niveau de la deuxième face dite face froide 2 du générateur thermoélectrique 1.
Selon une première variante, non représentée, le circuit de refroidissement 10 comprend une canalisation d’amenée de la source froide telle que par exemple de l’air ambiant ou bien de l'eau, au contact de la face froide 2 du générateur thermoélectrique 1, préférentiellement avec au moins un moyen de mise en circulation de la source froide. L’échange thermique se fait par conduction entre la face froide 2 et la source froide à son contact. Selon une possibilité, le système comprend un module de régulation de la température de la source froide en entrée du générateur thermoélectrique 1, préférentiellement par contrôle et régulation du débit de la source froide en entrée du générateur 1.
Selon une deuxième variante, le circuit de refroidissement 10 est un circuit fluidique, avantageusement clos, destiné à recevoir un deuxième fluide caloporteur. Le circuit de refroidissement 10 est agencé entre une conduite de circulation d’une source froide et le générateur thermoélectrique 1.
Le circuit de refroidissement 10 comprend avantageusement un premier échangeur de chaleur 11 configuré pour récupérer l’énergie thermique du générateur thermoélectrique 1 pour le transmettre au deuxième fluide caloporteur. Le premier échangeur de chaleur 11 est agencé sur la face froide 2 du générateur thermoélectrique 1. À titre d’exemple, le premier échangeur de chaleur 11 est une canalisation configurée pour recevoir le deuxième fluide caloporteur comprenant des parois assurant une conduction thermique entre le deuxième fluide caloporteur circulant et le générateur thermoélectrique 1. Préférentiellement, le premier échangeur de chaleur 11 comprend la circulation du deuxième fluide caloporteur directement au contact des modules thermoélectriques ou thermo-éléments. Les thermo-éléments comprennent des mini-canaux sur leur face froide lesquels sont configurés pour recevoir la circulation du deuxième fluide caloporteur. Cette disposition présente l’avantage d’avoir un fluide caloporteur à l’état liquide en contact des thermo-éléments assurant un plus fort coefficient d’échange thermique. Le nombre de thermo-éléments nécessaire pour atteindre un niveau de production d’énergie électrique est donc réduit limitant les coûts de production du générateur thermoélectrique.
Le circuit de refroidissement 10 comprend avantageusement un deuxième échangeur de chaleur 12 configuré pour dissiper l’énergie thermique du deuxième fluide caloporteur. Le deuxième échangeur de chaleur 12 est agencé sur la conduite 13 de circulation de la source froide. À titre d’exemple, le deuxième échangeur 12 comprend au moins un conduit dans lequel circule le deuxième fluide caloporteur, avantageusement muni d’ailettes, agencé dans la conduite 13 de circulation la source froide. Ainsi, la source froide circule autour du deuxième fluide caloporteur. L’utilisation d’un circuit de refroidissement facilite l’assemblage du générateur thermoélectrique puisqu’il ne nécessite plus de circulation de la source froide directement en contact de la face froide 2 du générateur thermoélectrique 1.
Selon une possibilité, la source froide est de l’air tel que l’air ambiant, selon cette possibilité un moyen de mise en circulation de l’air dans le deuxième échangeur 12 peut-être prévu tel qu’un ventilateur. Selon une autre possibilité, la source froide est de l’eau telle que l’eau de refroidissement du moteur pour des automobiles ou bien de l’eau de mer ou de rivière, dans le cas d’applications nautiques.
Le deuxième fluide caloporteur est un fluide qui est avantageusement monophasique dans les conditions d’utilisation du système et de préférence à une température inférieure ou égale à 200 °C et préférentiellement à l’état liquide . À titre d’exemple, le deuxième fluide caloporteur est de l’eau pouvant être de l’eau glycolée pour des applications avec une source froide à très basse température de sorte à éviter que le deuxième fluide caloporteur ne gèle.
Le système comprend avantageusement un module de régulation de la température du deuxième fluide caloporteur en sortie du générateur thermoélectrique 1. On entend par sortie du générateur thermoélectrique 1, la sortie 110 du deuxième fluide caloporteur du premier échangeur de chaleur 11 du circuit de refroidissement 10. Le contrôle de la température du deuxième fluide caloporteur en sortie 110 du générateur thermoélectrique 1 permet de contrôler la dissipation d’énergie thermique du générateur thermoélectrique 1 pour maintenir une température moyenne du générateur thermoélectrique optimale pour la production d’énergie électrique. Pour permettre une production d’électricité optimale, la température du deuxième fluide caloporteur est avantageusement proche d’une température cible correspondant à la température pour laquelle le matériau thermoélectrique choisi pour les thermo éléments présente un facteur de mérite maximal.
Le module de régulation comprend avantageusement une pompe 14 agencée sur le circuit de refroidissement 10 configurée pour mettre en circulation le deuxième fluide caloporteur tout en permettant de contrôler son débit. Préférentiellement, la pompe 14 est agencée en amont du premier échangeur 11 préférentiellement entre la sortie 112 du deuxième échangeur 12 et l’entrée 113 du premier échangeur 11. En contrôlant le débit du deuxième fluide caloporteur dans le premier échangeur 11, on contrôle la quantité d’énergie thermique récupérée par le deuxième fluide caloporteur et donc la température du deuxième fluide caloporteur en sortie 110 du premier échangeur 11, c'est-à-dire la température moyenne du générateur thermoélectrique 1.
Selon un mode de réalisation préféré, le module de régulation comprend un capteur de température 15. Le capteur de température 15 est agencé préférentiellement en amont de l'entrée113 du deuxième fluide caloporteur dans le générateur thermoélectrique 1. Le capteur de température 15 est configuré pour mesurer la température du deuxième fluide caloporteur.
Le module de régulation de la température comprend un élément de gestion permettant de contrôler le débit de la pompe 14 en fonction de la température du deuxième fluide caloporteur mesurée par le capteur de température 15 et une valeur cible de température, avantageusement prédéfinie, pour le deuxième fluide caloporteur.
Le système de la figure 1 est décrit ci-après.
Le générateur thermoélectrique 1 comprend une première face dite chaude 3 et une deuxième face dite froide 2, les deux faces sont avantageusement opposées.
Au niveau de la première face dite chaude 3, le système comprend le circuit intermédiaire 5. Le circuit intermédiaire comprend le premier échangeur 8 et le deuxième échangeur 9. Le premier échangeur 8 est agencé au contact de la conduite 4 de circulation de gaz chaud. Le deuxième échangeur est agencé au contact thermique de la première face dite chaude 3. Le premier échangeur 8 est connecté fluidiquement au deuxième échangeur 9 par une connexion fluidique 200. La sortie 103 du premier échangeur thermique 8 est connectée fluidiquement par la connexion 200 à l’entrée 100 dans le deuxième échangeur thermique 9. Le deuxième échangeur thermique 9 est connecté fluidiquement au premier échangeur thermique 8 par une connexion fluidique 300. La sortie 101 du deuxième échangeur thermique 9 est connectée fluidiquement par la connexion 300 à l’entrée 102 dans le premier échangeur thermique 8. La pompe 6 est agencée sur la connexion fluidique 300, tandis que le capteur de température 7 est agencé sur la connexion fluidique 200.
Au niveau de la deuxième face dite froide 2, le système comprend le circuit de refroidissement 10. Le circuit de refroidissement 10 comprend le premier échangeur 11 et le deuxième échangeur 12. Le premier échangeur 11 est agencé au contact de la première face dite froide 2. Le deuxième échangeur 12 est agencé au contact de la conduite 13 de circulation de la source froide. Le premier échangeur 11 est connecté fluidiquement au deuxième échangeur 12 par une connexion fluidique 400. La sortie 110 du premier échangeur thermique 11 est connectée fluidiquement par la connexion 400 à l’entrée 111 dans le deuxième échangeur thermique 12. Le deuxième échangeur thermique 12 est connecté fluidiquement au premier échangeur thermique 11 par une connexion fluidique 500. La sortie 112 du deuxième échangeur thermique 12 est connectée fluidiquement par la connexion 500 à l’entrée 113 dans le premier échangeur thermique 11. La pompe 14 est agencée sur la connexion fluidique 500, tandis que le capteur de température 15 est agencé sur la connexion fluidique 400.
À titre d’exemple, la température du fluide caloporteur en entrée 100 dans le générateur thermoélectrique 1 au niveau de la face chaude 3 est régulée à 160 °C. La température du fluide caloporteur en entrée 113 dans le générateur thermoélectrique 1 au niveau de la face froide 2 est régulée à 40 °C. Ces températures de consigne permettent une température moyenne des thermo-éléments autour de 100 °C, ce qui correspond à la température optimale des thermo-éléments en Bi2Te3 permettant d’obtenir un facteur de mérite proche de 1.
Le calcul de performance d’un système selon la figure 1 est réalisé pour le cas d’exemple suivant :
Le gaz d’échappement entre dans le premier échangeur 8 (échangeur liquide-gaz) à 400 °C et sort de cet échangeur 8 à 300 °C avec un débit de 0,18 kg/s.
L’air ambiant est à 30 °C.
En ce qui concerne la régulation des températures,
  • la température d’entrée dans le générateur thermoélectrique 1 du premier fluide caloporteur face chaude 3 est régulée à 160 °C,
  • la température d’entrée dans le générateur thermoélectrique 1 du fluide caloporteur face froid 2 est régulée à 40 °C.
Les thermo-éléments sont en matériau Bi2Te3.
La puissance thermique transférée au générateur est d’environ 19 kW.
La puissance électrique produite est de 1,2 kW.
Le rendement obtenu est ainsi égal à 1.2/19 = 6.3%. En effet, les thermo-éléments fonctionnent en condition optimale avec un facteur de mérite proche de 1 ce qui permet d’obtenir un rendement optimisé.
LISTE DES REFERENCES
1 Générateur thermoélectrique
2 Face froide
3 Face chaude
4 Conduite de gaz
5 circuit intermédiaire
6 Pompe de circulation
7 Capteur de pression
8 Premier échangeur de chaleur
9 Deuxième échangeur de chaleur
10 Circuit de refroidissement
11 Premier échangeur de chaleur
12 Deuxième échangeur de chaleur
13 Conduite de circulation d’une source froide
14 Pompe de circulation
15 Capteur de température
100 Entrée du premier fluide caloporteur dans le premier échangeur de chaleur
101 Sortie du premier fluide caloporteur hors du premier échangeur de chaleur
102 Entrée du premier fluide caloporteur dans le deuxième échangeur de chaleur
103 Sortie du premier fluide caloporteur hors du deuxième échangeur de chaleur
110 Sortie du deuxième fluide caloporteur hors du premier échangeur de chaleur
111 Entrée du deuxième fluide caloporteur dans le deuxième échangeur de chaleur
112 Sortie du deuxième fluide caloporteur hors du deuxième échangeur de chaleur
113 Entrée du deuxième fluide caloporteur dans le deuxième échangeur de chaleur
200 Connexion fluidique
300 Connexion fluidique
400 Connexion fluidique
500 Connexion fluidique

Claims (11)

  1. Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique (1), comprenant une face dite face froide (2) et une face dite face chaude (3), et une conduite de gaz (4) apte à recevoir un gaz chaud circulant
    caractérisé en ce que le système comprend un circuit intermédiaire (5) agencé au niveau de la face chaude (3) et configuré pour récupérer de l’énergie thermique du gaz chaud pour la transmettre au générateur thermoélectrique (1) et un module de régulation de la température du premier fluide caloporteur en entrée (100) du générateur thermoélectrique (1).
  2. Système selon la revendication précédente dans lequel le module de régulation de la température du premier fluide caloporteur comprend une pompe de circulation (6) configurée pour contrôler le débit du premier fluide caloporteur dans le circuit intermédiaire (5) et au moins un capteur de température (7) agencé sur le circuit intermédiaire (7) en amont de l’entrée (100) dans le générateur thermoélectrique (1).
  3. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit intermédiaire (5) comprend un premier fluide caloporteur monophasique liquide.
  4. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit intermédiaire (5) comprend un premier échangeur de chaleur (8) agencé sur la conduite de gaz (4) et un deuxième échangeur de chaleur agencé (9) sur la face chaude (3) du générateur thermoélectrique (1).
  5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant un circuit de refroidissement (10) du générateur thermoélectrique (1) agencé au niveau de la face froide (2) configuré pour assurer le refroidissement du générateur thermoélectrique (1) par une source froide.
  6. Système selon la revendication précédente dans lequel le circuit de refroidissement (10) comprend une conduite d’amenée de la source froide directement au niveau de la face froide (2) du générateur thermoélectrique (1).
  7. Système selon la revendication 6 dans lequel le circuit de refroidissement comprenant un deuxième fluide caloporteur à l’état liquide, préférentiellement de l’eau ou de l’eau glycolée, et le circuit de refroidissement (10) comprend un premier échangeur de chaleur (11) agencé sur la face froide (2) du générateur thermoélectrique (1) et un deuxième échangeur de chaleur (12) agencé sur la source froide.
  8. Système selon la revendication précédente comprenant un module de régulation de la température du deuxième fluide caloporteur en sortie (110) du générateur thermoélectrique (1).
  9. Système selon la revendication précédente dans lequel le module de régulation de la température du deuxième fluide caloporteur comprend une pompe de circulation (14) configurée pour contrôler le débit du deuxième fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement (10) et au moins un capteur de température (15) agencé sur le circuit de refroidissement (10) en amont de l'entrée(113) du générateur thermoélectrique (1).
  10. Procédé de production d’électricité par un système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
    • Circulation d’un gaz chaud dans la conduite de gaz (4),
    • Circulation d’un premier fluide caloporteur monophasique liquide dans le circuit intermédiaire (5),
    • Mesure de la température du premier fluide caloporteur en entrée (100) du générateur thermoélectrique (1),
    • Régulation du débit de circulation du premier fluide caloporteur pour atteindre une valeur de température cible du premier fluide caloporteur en entrée (100) du générateur thermoélectrique (1).
  11. Procédé de production d’électricité par un système selon l’une quelconque des revendications 7 à 9 comprenant les étapes suivantes :
    • Circulation d’un gaz chaud dans la conduite de gaz (4),
    • Circulation d’un premier fluide caloporteur monophasique liquide dans le circuit intermédiaire (5),
    • Mesure de la température du premier fluide caloporteur en entrée (100) du générateur thermoélectrique (1),
    • Régulation du débit de circulation du premier fluide caloporteur pour atteindre une valeur de température cible du premier fluide caloporteur en entrée (100) du générateur thermoélectrique (1),
    • Circulation d’un deuxième fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement (10),
    • Mesure de la température du deuxième fluide caloporteur en sortie (110) du générateur thermoélectrique (1),
    • Régulation du débit de circulation du deuxième fluide caloporteur pour atteindre une valeur de température cible du deuxième fluide caloporteur en sortie (110) du générateur thermoélectrique (1).
FR1904016A 2019-04-15 2019-04-15 Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud. Active FR3095012B1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1904016A FR3095012B1 (fr) 2019-04-15 2019-04-15 Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1904016A FR3095012B1 (fr) 2019-04-15 2019-04-15 Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud.
FR1904016 2019-04-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3095012A1 true FR3095012A1 (fr) 2020-10-16
FR3095012B1 FR3095012B1 (fr) 2021-10-01

Family

ID=67956952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1904016A Active FR3095012B1 (fr) 2019-04-15 2019-04-15 Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud.

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR3095012B1 (fr)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007002891A2 (fr) * 2005-06-28 2007-01-04 Bsst Llc Generateur d'energie thermoelectrique a boucle intermediaire
KR100869322B1 (ko) * 2007-10-01 2008-11-18 임석연 배기열을 이용한 열전발전시스템
US20100024859A1 (en) * 2008-07-29 2010-02-04 Bsst, Llc. Thermoelectric power generator for variable thermal power source
FR3023582A1 (fr) 2014-07-11 2016-01-15 Commissariat Energie Atomique Systeme de recuperation de l'energie de la chaleur de gaz chaud(s) et/ou fumee(s), application a la recuperation de l'energie de fumees encrassantes, en particulier issues de moteurs thermiques.
JP2016064728A (ja) * 2014-09-24 2016-04-28 マツダ株式会社 自動車の回生制御方法及び回生制御システム
WO2018185087A1 (fr) * 2017-04-03 2018-10-11 Tegma As Dispositif de génération d'énergie électrique

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007002891A2 (fr) * 2005-06-28 2007-01-04 Bsst Llc Generateur d'energie thermoelectrique a boucle intermediaire
KR100869322B1 (ko) * 2007-10-01 2008-11-18 임석연 배기열을 이용한 열전발전시스템
US20100024859A1 (en) * 2008-07-29 2010-02-04 Bsst, Llc. Thermoelectric power generator for variable thermal power source
FR3023582A1 (fr) 2014-07-11 2016-01-15 Commissariat Energie Atomique Systeme de recuperation de l'energie de la chaleur de gaz chaud(s) et/ou fumee(s), application a la recuperation de l'energie de fumees encrassantes, en particulier issues de moteurs thermiques.
JP2016064728A (ja) * 2014-09-24 2016-04-28 マツダ株式会社 自動車の回生制御方法及び回生制御システム
WO2018185087A1 (fr) * 2017-04-03 2018-10-11 Tegma As Dispositif de génération d'énergie électrique

Also Published As

Publication number Publication date
FR3095012B1 (fr) 2021-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011161167A1 (fr) Thermogenerateur a materiaux a changement de phase
Ramade et al. Automobile exhaust thermo-electric generator design & performance analysis
FR3056290A1 (fr) Dispositif de regulation thermique
WO2020126619A1 (fr) Dispositif de gestion thermique d'un circuit de fluide caloporteur d'un véhicule hybride
CH711726A2 (fr) Dispositif et procédé de régulation de la température d'une batterie ou d'une pile à combustible d'un véhicule électrique ou hybride.
CA2797524C (fr) Pile a combustible
EP4233112A1 (fr) Système et procédé de refroidissement d'un ensemble de piles à combustible
FR3095012A1 (fr) Système de production d’électricité comprenant un générateur thermoélectrique par récupération d’énergie d’un gaz chaud.
EP1668726B1 (fr) COGENERATION D’ELECTRICITE PAR UTILISATION DE L’EFFET SEEBECK A L’INTERIEUR D’UNE PILE A COMBUSTIBLE
FR2938020A1 (fr) Echangeur de chaleur de gaz d'echappement d'un generateur thermoelectrique
WO2014187734A1 (fr) Dissipateur de chaleur et circuit de gestion thermique associe
EP2739918B1 (fr) Installation et procédé d'optimisation de fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur
FR2972570A1 (fr) Module et dispositif thermo électrique, notamment destine a générer un courant électrique dans un véhicule automobile
EP2699854A2 (fr) Dispositif échangeur pour pompe à chaleur thermoélectrique réversible
WO2016188666A1 (fr) Systeme de gestion thermique de vehicule electrique
EP2591513B1 (fr) Dispositif de génération de courant et/ou de tension à base de module thermoélectrique disposé dans un flux de fluide
WO2016005294A1 (fr) Systeme de recuperation de l'energie de la chaleur de gaz chaud(s) et/ou fumee(s), application a la recuperation de l'energie de fumees encrassantes, en particulier issues de moteurs thermiques
KR102142384B1 (ko) 열전 발전 장치 및 그 제어방법
FR3112312A1 (fr) Dispositif de gestion thermique des batteries d’un véhicule automobile électrique ou hybride
EP2993436B1 (fr) Dispositif de gestion thermique à matériau à changement de phase pour véhicule automobile
FR3089689A1 (fr) Batterie modulaire comprenant un systeme de conditionnement thermique
EP3899225B1 (fr) Dispositif de gestion thermique d'un circuit de fluide caloporteur d'un véhicule hybride
FR3129714A1 (fr) Système de stockage thermique par thermocline
FR3056829A1 (fr) Dispositif de regulation thermique de batterie
EP3250810B1 (fr) Système d'admission d'air et procédé de gestion thermique d'air d'admission

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20201016

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 6