WO2018062981A2 - Stockage d'energie pour climatisation solaire hybride - Google Patents

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Mohsine BOUYA
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Azzeddine LAKNIZI
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Universite Internationale De Rabat
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    • F25B2345/004—Details for charging or discharging refrigerants; Service stations therefor with several tanks to collect or charge a cycle

Definitions

  • Conventional air conditioning systems use a refrigeration cycle similar to that of the refrigerator, it is a closed circuit containing a refrigerant.
  • the circuit is composed of a compressor (1) which increases the pressure of the fluid and forces it to flow to a condenser ⁇ 2 ⁇ which makes a first heat exchange by transferring the heat of the circuit to the outside.
  • An expander (3) then reduces the pressure of the fluid to then pass through an evaporator (4) which makes the second exchange by transferring the heat of the room to be cooled to the liquid.
  • the cycle continues thus by the compressor which sucks the fluid and reinjects it under pressure into the circuit.
  • the cooling circuit is thus modified, it is always a closed circuit containing a refrigerant fiuid.
  • the circuit is composed of a compressor ⁇ ! That increases the pressure of the fluid and forces it to flow to an exchanger located at the top of the tank (6) of the solar thermal collector.
  • This exchanger allows a first transfer of the heat from the liquid carrier of the tank to the refrigerant fiuid.
  • By increasing the temperature of the latter its pressure increases and compensates for the necessary mechanical energy of the compressor ⁇ 1 ⁇ .
  • the fluid passes through an expansion vessel (7) to regulate the pressure if it is too high and avoid damaging the circuit.
  • the fluid is then fed to the condenser ⁇ 2 ⁇ which makes a second heat exchange by transferring the heat of the circuit to the outside.
  • An expansion valve (3) then reduces the pressure of the fluid to then pass through an evaporator (4) which makes the third exchange by transferring the heat of the part to be cooled to the liquid, the cycle continues and by the compressor that sucks the fluid and I reinjected under pressure into the circuit.
  • our invention we propose a hybrid electric-thermal self-air conditioning system using mechanical energy storage to avoid the use of a large number of batteries (10).
  • our system we add to the cooling circuit gas cylinders (11) equipped with pressure sensors (12) and connected to the circuit between the condenser (2) and the expander (3) by means of solenoid valves (14).
  • the system thus modified is composed of a mechanical circuit and an electrical supply circuit.
  • the mechanical circuit is an always closed circuit connecting in series: a
  • the electrical circuit is composed of photovoltaic panels (8) associated with an inverter (9) and connected to a battery (10).
  • the inverter (8) is connected to the compressor (1), to the condenser (2) and evaporator (4) fans, and to the solenoid valves (14).
  • the inverter (8) is also connected to an electrical transformer (16) supplying a control circuit (17).
  • the control circuit (17) is composed of a microcontroller (18) connected to the
  • the compressor (1) increases the fluid pressure and forces its circulation to the exchanger (13) making a first transfer of the heat from the heat transfer fluid of the tank (6) to the refrigerant. In increasing at the temperature of the latter, its pressure increases and compensates for the necessary mechanical energy of the compressor (1).
  • the fluid passes through the expansion tank (7) at high pressure to regulate the pressure if it is too high and avoid damaging the circuit. The fluid is then conveyed to the condenser ⁇ 2 ⁇ which makes a second heat exchange by transferring the heat of the circuit to the outside.
  • the solenoid valves being closed in the normal state, the fluid passes directly through the expander (3) which reduces its pressure to then pass through the evaporator (4) which makes the third exchange by transferring the heat of the piece to be cooled to the liquid.
  • the cycle continues thus by the compressor which sucks the fluid and reinjects itself under pressure in the circuit.
  • the photovoltaic panels (8) feed the system through the inverter (9) and inject the surplus energy into the battery (10).
  • the compressor (1) continues to operate and the first solenoid valve (14) is opened by the microcontroller (18) to collect fluid under pressure. As soon as the pressure of the sensor (12) exceeds a set pressure, the solenoid valve (14) is closed by the microcontroller (18) and the next one is opened.
  • the operation is repeated until all the gas bottles (11) are filled with the pressurized fluid. This is when the compressor stops.
  • the microcontroller (18) increases the pressure generated by the compressor (1) by opening the solenoid valves (14) inadvertently one after the other. Even if the compressor (1) stops completely, the opening of the solenoid valves (14) can generate cold, knowing that the fans and the control circuit remain powered by the battery (10).
  • the expansion vessel (15) at low pressure absorbs the surplus volume released during the expansion of the fluid.
  • Figure 1 shows a block diagram of the conventional cold circuit.
  • Figure 2 shows a block diagram of the hybrid solar thermal cooling circuit.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the cold circuit with storage object of our invention.

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Abstract

Un système de climatisation 100% autonome qui utilise les effets combinés de la compression électrique et un apport thermique solaire pour générer un cycle de froid. L'énergie thermique est capturée à partir du rayonnement solaire grâce à des tubes sous vide alors que l'énergie électrique est capturée grâce à des panneaux photovoltaïques. Le stockage de l'énergie est réalisé principalement sous forme mécanique grâce à des bouteilles de gaz comprimé géré par des électrovannes. Un stockage d'énergie électrique est également utilisé pour faire fonctionner le système électrique lorsqu'il n'y a pas de rayonnement solaire.

Description

Stockage d'énergie pour climatisation solaire hybride
Description
Il s'agit d'un arrangement d'appareils constituant un système de climatisation. En particulier, cet arrangement intègre des capteurs solaires photovolta'iques et électriques.
Les systèmes de climatisation conventionnelles utilisent un cycle de froid semblable à celui du réfrigérateur, il s'agit d'un circuit fermé contenant un fluide frigorigène. Le circuit est composé d'un compresseur (1) qui augmente la pression du fluide et force sa circuiation vers un condenseur {2} qui fait un premier échange thermique en transférant la chaleur du circuit vers l'extérieur. Un détendeur (3) vient ensuite réduire la pression du fluide pour passer ensuite par un évaporateur (4) qui fait le deuxième échange en transférant la chaleur de la pièce à refroidir vers le liquide. Le cycle continue ainsi par le compresseur qui aspire le fluide et le réinjecte sous pression dans le circuit.
Ces circuits de climatisation sont généralement alimentés depuis le réseau électrique. Leur consommation électrique est généralement très élevée, en particulier le compresseur (1) qui constitue la principale source de consommation. Toutefois, leur alimentation peut être effectuée depuis des panneaux solaires photovolta'iques (8) associés à un onduleur (9) même si le coût d'une telle installation reste généralement très élevé à cause des besoins énergétiques. Ces besoins augmentent davantage quand le stockage d'énergie devient nécessaire pour alimenter le système en absence de rayonnement solaire. En effet, ce sont des batteries (10) électriques qui sont utilisées généralement pour stocker le surplus d'énergie électrique générée par les panneaux solaires photovolta'iques (8). Le nombre de batteries (10) à utiliser pour un petit bâtiment peut devenir très important, sachant que les batteries ont plusieurs inconvénients de coût, de durée de vie et de pollution
environnementale.
Afin de réduire la consommation électrique, il est possible d'utiliser un chauffage du liquide de refroidissement avant son entrée dans le compresseur (1) grâce à un échange thermique avec le réservoir (6) d'un capteur solaire thermique (5). Le circuit de refroidissement est ainsi modifié, il s'agit toujours d'un circuit fermé contenant un fiuide frigorigène. Le circuit est composé d'un compresseur {!) qui augmente la pression du fluide et force sa circulation vers un échangeur situé en haut du réservoir (6) du capteur solaire thermique. Cet échangeur permet un premier transfert de ia chaleur depuis le liquide caioporteur du réservoir vers Se fiuide frigorigène. En augmentant ia température de ce dernier, sa pression augmente et compense l'énergie mécanique nécessaire du compresseur {1}. Le fîuide passe par une vase d'expansion (7) pour réguler ia pression si elle est trop haute et éviter d'endommager ie circuit. Le fluide est ensuite acheminé vers ie condenseur {2} qui fait un deuxième échange thermique en transférant la chaleur du circuit vers l'extérieur. Un détendeur (3) vient ensuite réduire la pression du fluide pour passer ensuite par un évaporateur (4) qui fait le troisième échange en transférant la chaleur de la pièce à refroidir vers le liquide, le cycle continue ainsi par le compresseur qui aspire le fluide et ie réinjecte sous pression dans ie circuit.
Avec cette modification, il est possible de réduire la consommation électrique. Il s'en suit une réduction de nombre de panneaux solaires photovoltaïques (8) nécessaires ainsi que du nombre de batteries (10) nécessaire pour le stockage de l'énergie électrique. Toutefois, l'installation reste souvent trop chère et peu pratique à cause du nombre de batteries et leurs inconvénients.
Nous proposons dans notre invention un système de climatisation soiaire hybride électrique- thermique utilisant un stockage d'énergie sous forme mécanique pour éviter l'utilisation d'un grand nombre de batteries (10). Dans notre système, nous ajoutons au circuit de refroidissement des bouteilles de gaz (11) équipée de capteurs de pression (12) et connectées au circuit entre le condenseur (2) et ie détendeur (3) grâce à des électrovannes (14).
Le système ainsi modifié est composé d'un circuit mécanique et d'un circuit d'aiimentation électrique. Le circuit mécanique est un circuit toujours fermé reliant en série : un
compresseur (1), un échangeur (13) situé en haut du réservoir (6) d'un capteur solaire thermique (5), une première vase d'expansion (7) à haute pression, un condenseur (2), des bouteilles de gaz (11) reliées avec le circuit par des éiectrovannes (14), un détendeur (3), un évaporateur (4), et une deuxième vase d'expansion (15) à basse pression. Le circuit électrique est quant à lui composé de panneaux photovoltaïques (8) associés à un onduleur (9) et reliés à une batterie (10). L'onduleur (8) est relié au compresseur (1), aux ventilateurs du condenseur (2) et de l' évaporateur (4), et aux électrovannes (14). L'onduleur (8) est également relié à un transformateur électrique (16) alimentant un circuit de commande (17). Le circuit de commande (17) est composé d'un microcontrôieur (18) relié au
compresseur (1), aux ventilateurs du condenseur (2) et de i'évaporateur (4), aux
électrovannes (14), aux capteurs de pression (12} et à un capteur de température à l'intérieur du bâtiment (19).
Lors du fonctionnement normal du système mécanique, ie compresseur (1) augmente la pression du fluide et force sa circulation vers l'échangeur (13) faisant un premier transfert de la chaieur depuis le liquide caloporteur du réservoir (6) vers le fluide frigorigène. En augmentant !a température de ce dernier, sa pression augmente et compense l'énergie mécanique nécessaire du compresseur (1). Le fluide passe par la vase d'expansion (7) à haute pression pour réguler la pression si elle est trop haute et éviter d'endommager le circuit. Le fluide est ensuite acheminé vers le condenseur {2} qui fait un deuxième échange thermique en transférant la chaleur du circuit vers l'extérieur. Les électrovannes étant fermée à l'état normal, le fluide passe directement par le détendeur (3) qui réduit sa pression pour passer ensuite par l'évaporateur (4) qui fait le troisième échange en transférant la chaleur de ia pièce à refroidir vers le liquide. Le cycle continue ainsi par le compresseur qui aspire le fluide et Se réinjecte sous pression dans le circuit. Les panneaux photovoltaïques (8) alimentent le système à travers l'onduleur (9) et injectent le surplus d'énergie dans la batterie (10).
Lorsque la température du capteur (19) devient inférieure à une température de consigne ou que le système est arrêté, Se compresseur (1) continue a fonctionner et la première électrovanne (14) est ouverte par le microcontrôieur (18) pour recueillir Se fluide sous pression. Dès que la pression du capteur (12) dépasse une pression de consigne, l'électrovanne (14) est fermée par le microcontrôleur (18) et la suivante est ouverte.
L'opération se répète jusqu'à ce que toutes les bouteiiies de gaz (11) soient remplies avec le fluide sous pression. C'est alors que le compresseur s'arrête.
Lorsqu'il n'y a plus de rayonnement solaire suffisant, le microcontrôleur (18) augmente la pression générée par le compresseur (1) en ouvrant les électrovannes (14) de façon intempestive l'une après l'autre. Même en cas d'arrêt total du compresseur (1), l'ouverture des électrovannes (14) permet de générer du froid, sachant que les ventilateurs et le circuit de commande restent alimentés par la batterie (10). La vase d'expansion (15) à basse pression permet d'absorber le surplus du volume dégagé lors de la détente du fluide.
La figure 1 montre un schéma synoptique du circuit de froid conventionnel.
La figure 2 montre un schéma synoptique du circuit de froid solaire thermique hybride.
La figure 3 montre un schéma synoptique du circuit de froid avec stockage, objet de notre invention.

Claims

Revendications
1. Un système de climatisation solaire hybride électrique-thermique caractérisé par un stockage d'énergie sous forme mécanique,
2. Un système de climatisation solaire hybride éiectrique-thermîque seion la revendication 1 caractérisé par un circuit de refroidissement des bouteilles de gaz (il) équipée de capteurs de pression (12) et connectées au circuit entre ie condenseur (2) et le détendeur {3} grâce à des éîectrovannes {14}.
3. Un système de cîimatisation solaire hybride éiectrique-thermîque selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il est composé d'un circuit mécanique et d'un circuit
d'alimentation électrique. Le circuit mécanique est un circuit toujours fermé reliant en série : un compresseur (1), un échangeur {13} situé en haut du réservoir {6} d'un capteur soiaire thermique {5}, une première vase d'expansion {7} à haute pression, un condenseur {2), des bouteilles de gaz {11} reliées avec le circuit par des électrovannes {14}, un détendeur {3}, un évaporateur (4), et une deuxième vase d'expansion (15) à basse pression. Le circuit électrique est quant à lui composé de panneaux photovoltaïques (8) associés à un onduleur (9) et reliés à une batterie (10). L'onduleur (8) est relié au compresseur (1), aux ventiiateurs du condenseur {2} et de l'évaporateur (4), et aux éîectrovannes (14). L'onduleur (8) est également relié à un transformateur électrique (16) alimentant un circuit de commande (17). Le circuit de commande (17) est composé d'un microcontrôleur {18} relié au
compresseur {!), aux ventilateurs du condenseur {2} et de l'évaporateur (4), aux
électrovannes (14), aux capteurs de pression {12} et à un capteur de température à l'intérieur du bâtiment (19).
4. Un procédé de climatisation solaire hybride électrique-thermique caractérisé en ce que les étapes suivantes sont impiémentés dans le microcontrôleur {18} du circuit de commande (17) : lorsque la température du capteur (19) devient inférieure à une température de consigne ou que le système est arrêté, le compresseur (1) continue à fonctionner et la première électrovanne (14) est ouverte par le microcontrôleur (18) pour recueillir le fluide sous pression. Dès que la pression du capteur (12) dépasse une pression de consigne, l'électrovanne (14) est fermée par le microcontrôleur (18) et la suivante est ouverte.
L'opération se répète jusqu'à ce que toutes les bouteilles de gaz {11} soient remplies avec le fluide sous pression. C'est alors que le compresseur s'arrête. Lorsqu'il n'y a plus de rayonnement soiaire suffisant, le microcontrôleur (18) augmente la pression générée par le compresseur {1} en ouvrant les éîectrovannes (14} de façon intempestive l'une après l'autre. Même en cas d'arrêt total du compresseur (1), l'ouverture des éîectrovannes {14} permet de générer du froid, sachant que les ventilateurs et ie circuit de commande restent alimentés par la batterie (10).
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