WO2016146724A1 - Système télescopique et flottant de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique - Google Patents

Système télescopique et flottant de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique Download PDF

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heat transfer
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thermal
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Arnaud MIRATON
Gilles MATRINGE
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to the general field of thermal energy storage, in particular by their sensitive, especially for purposes of domestic storage and / or storage for a network of heat. It relates more specifically to the field of injection systems and / or withdrawal of a heat transfer fluid within a thermal energy storage device.
  • the invention thus proposes a heat transfer fluid distribution system for a thermal energy storage device, a thermal energy storage device comprising such a distribution system and a stratified heat transfer fluid storage tank, as well as an associated heat transfer fluid dispensing method in a thermal energy storage device.
  • thermal energy needs are certain, and especially for its use for heating and domestic hot water (DHW) production.
  • DHW domestic hot water
  • thermal energy requirements vary considerably during a single day. Indeed, peaks in thermal energy consumption are observed during the day. Thus, in the context of the use of thermal energy for heating purposes for example, these consumption peaks can reach up to four times the average load of a heat network, and the consumption peaks of morning and evening, accumulated together, can alone represent nearly 30% of the daily consumption of thermal energy. Likewise, over a full year, the thermal energy needs are also variable since, in particular, heating needs are practically zero during the summer, whereas they can reach very high values during the winter.
  • thermal energy In order to meet the demand for thermal energy, the supply of thermal energy is provided by production units that encounter difficulties in complying with this fluctuating demand, being in fact generally intended to be intermittent, for example in the case solar thermal panels, designed to operate with stable and regular operating conditions, such as for example wood-fired power plants.
  • thermal energy storage in particular by sensible heat, appears as a suitable solution to reconcile both the fluctuating demand for thermal energy and the thermal energy production constraints, thus absorbing by "buffer effect" the fluctuations specific to demand and production.
  • a thermal energy storage device can operate in the daily regime, loads and discharges then being carried out on a daily scale with typically a load during the day and a discharge when an energy requirement is requested, or even in inter seasonal regime, the charges and discharges then being carried out at the scale of one year with typically a charge during the summer and a discharge during the winter.
  • a thermal energy storage device can be designed according to different sizes according to its use.
  • the volume of heat transfer fluid stored can be variable.
  • domestic storage for example for a domestic hot water tank or an individual solar water heater, may require a volume of heat transfer fluid of a few hundred liters to a few cubic meters.
  • storage for a heat network may require a volume of fluid coolant much more important, and in particular from a few hundred cubic meters to several tens of thousands of cubic meters.
  • thermal storage whatever the intended purpose of thermal storage, there is a strong problem that conditions the performance of thermal storage and which consists of the preservation of thermal stratification within the tank of the thermal storage device, containing the heat transfer fluid.
  • the injection temperatures are not constant, it must also be able to inject the fluid at a given temperature within a suitable temperature layer to avoid mixing the fluid stored in the device tank storage. In the same way, in the case of withdrawal, it is necessary to be able to withdraw from any temperature layer according to the required temperature requirement.
  • the distribution and diffusion functions of heat transfer fluid can be distinguished from one another. Indeed, on the one hand the heat transfer fluid distribution function consists as such in distributing the heat transfer fluid at a certain level, or a certain height, of the reservoir storage, while on the other hand the diffusion function of heat transfer fluid aims to limit the impact of the injection / withdrawal of heat transfer fluid in the storage layer where the distribution takes place.
  • the distribution of thermal energy in the reservoir of the storage device can be carried out directly, that is to say that the reservoir storage fluid and the injected / withdrawn fluid are identical , or indirectly, through the presence of a heat exchanger fitted to the storage device.
  • the indirect solution makes it possible to avoid the problem of diffusion which can cause a delamination of the thermal reservoir by jet effect. However, it usually induces an exergy loss due to the same heat exchange between the two separate fluids.
  • thermosiphon tube laminate rod
  • holes for injecting fluid into the reservoir.
  • the fluid circulates in the lamination rod until it reaches the height of the stratum of the same temperature.
  • This principle of operation therefore allows the establishment of layers throughout the storage tank, giving rise to a large thermocline, but little stirring. This principle is also more difficult to put in place.
  • facilities can be put in place to stop the rise of fluid in the lamination rod, such as for example check valves or inclined tubes.
  • the injection can be carried out indirectly through the use of a heat exchanger.
  • Laminating rods can take different forms depending on their manufacturer.
  • the Stratos ® active stratification flask from Solvis is thus known, which comprises a plurality of laminating rods, each covering different temperature stages.
  • Also known balloons Conus ® Solus ® type and the Consolar company that also operate using a lamination cane. More precisely, a system of heat exchangers designed on the principle of the thermosiphon makes it possible to establish a thermal transfer in counter-current at very low losses within the balloon.
  • the upper heat exchanger warms the hot fluid in circulation.
  • the flask fluid cools, and flows through the flow tube to the bottom where it can be heated again.
  • the heat exchanger located in the middle part and connected to a boiler heats the upper third of the balloon. Thanks to the conductive envelope of the auxiliary heat exchanger, the heat for an additional heating space is extracted from the middle part. In bright sunlight, the heated heat transfer fluid is conducted through a copper tube in the lower part of the heat exchanger.
  • dynamic stratification accumulators as designed by the Ratiotherm company, in particular under the Oskar ® reference. Thus, different pipes are grafted to the lamination rod in the form of a spiral and breakthrough.
  • manifolds porous tubes
  • the manifolds are materials that can shrink or expand depending on the conditions, giving the possibility of releasing the fluid at the right pressure level.
  • the use of manifolds in the form of porous rigid tubes or fabric is known, the disadvantage of such materials coming mainly from their small thickness which generates strong heat transfer through their wall.
  • thermo energy storage device in particular by sensible heat, comprising a thermally stratified heat transfer fluid storage tank, in order to produce charges and / or or discharges of heat transfer fluid while preventing, or at least greatly limiting, the thermal de-stratification within the storage tank.
  • the object of the invention is to at least partially remedy the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
  • the invention thus has, according to one of its aspects, a heat transfer fluid distribution system for a thermal energy storage device, in particular by sensible heat, comprising a stratified heat transfer fluid storage tank, for injection and / or withdrawal of coolant within the thermal storage tank,
  • a telescopic form having a plurality of distribution elements nested in each other and sliding relative to each other, to allow the deployment and / or retraction of the distribution system according to a predetermined configuration for the distribution of heat transfer fluid within a thermal target layer of the thermal storage tank of temperature substantially equal to the temperature of the heat transfer fluid to be distributed, at least one of the distribution elements comprising a diffuser element coolant,
  • the solid density (or mass density) of the solid portion of the distribution system, comprising the plurality of distribution elements is substantially equal to the fluid density of the fluid portion of the fluid system.
  • distribution comprising the coolant intended to be distributed within said target thermal layer, by injection and / or withdrawal, to allow the floatation of said diffuser element at said target thermal layer.
  • the distribution system according to the invention is advantageously characterized in that the mass density of this system, comprising the fluid density and the solid density of the distribution system, varies with the temperature of the target thermal layer. .
  • the dispensing system according to the invention is thus configured to allow the floatation of said diffuser element at the level of at least different target thermal layers, in particular different temperatures.
  • the volume of coolant contained in the thermal storage tank has a temperature gradient between the two ends of the storage.
  • the heat transfer fluid volume of the thermal storage tank can be divided into a multitude of superimposed thermal layers of heat transfer fluid having different and gradual temperatures from one of the storage ends to the other of the storage ends, these superimposed layers thus forming successive thermal layers.
  • the invention it may be possible to distribute the coolant during charging and / or discharging phases of the thermal storage tank of the thermal energy storage device while preventing, or at least minimizing, the disturbance thermal stratification within the tank during these operations.
  • the dispensing system according to the invention has the advantage of being entirely self-sufficient. Indeed, this system can retract and unfold without any external assistance, and its distal end can be placed continuously in the target thermal stratum adapted temperature.
  • no instrumentation of the thermal storage tank, nor any automation system, mechanical system or external energy source is thus necessary to allow the movement of the distribution system.
  • the particular divergent shape of the distribution system that can be conferred by a gradual increase in the passage cross section of the heat transfer fluid in the direction of the flow of the heat transfer fluid may allow the dispensing system to act as a diffuser as soon as possible. inlet of the coolant in the distribution system.
  • the speed reduction of the heat transfer fluid can thus be carried out gradually over the entire length of the distribution system, and is less abrupt than for some of the diffusers of the prior art.
  • the dispensing system according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any possible technical combinations.
  • the coolant for distribution can be of any type, typically being water.
  • the distribution system according to the invention is a direct injection distribution system, the heat transfer fluid of the thermal storage tank being identical to the heat transfer fluid injected and / or withdrawn through the distribution system.
  • the dispensing system according to the invention is advantageously rigid and can also be compact, so as to prevent, or at least greatly limit, any mixing of coolant in the thermal storage tank during the displacement of the distribution system .
  • the injection of a heat transfer fluid into a target thermal layer of temperature substantially equal to the temperature of the heat transfer fluid injected, or the withdrawal of a heat transfer fluid from a temperature target thermal layer predetermined, are made possible by a floatation principle of the diffuser element, forming the fluidic communication interface between the thermal storage tank and distribution system, at the level of the target thermal stratum.
  • the solid density of the distribution system is chosen to be substantially equal to the fluid density of the distribution system, comprising the heat transfer fluid to be injected and / or to extract. In this way, the dispensing system deploys and / or retracts, depending on the density variation, until the diffuser element is located at the target thermal stratum.
  • the injection and / or withdrawal of heat transfer fluid operations depend on two parts, that is: a solid portion of the dispensing system comprising the plurality of dispensing elements; and a fluidic part, in particular a liquid part, of the distribution system comprising the heat-transfer fluid intended to be injected and / or withdrawn within the target thermal layer of the same temperature.
  • Psd represents the density of the distribution system
  • p s and pi respectively represent the solid and fluidic densities of the solid and fluidic parts presented above, and
  • V s and Vi respectively represent the volumes of the solid and fluidic parts presented above.
  • the solid density p s is substantially equal to the fluid density pi.
  • the solid volume V s of the solid part of the distribution system is sufficiently small, and therefore negligible, relative to the liquid volume Vi of the fluid part of the distribution system.
  • the density p sc i of the distribution system then tends to the fluid density pi of the fluid part of the distribution system.
  • the density p sc i of the distribution system is substantially equal to the density pi of the coolant intended to be injected into the target thermal layer and / or to be withdrawn from the target thermal layer. Consequently, since the density p sc i of the distribution system is comparable to the density pi of the coolant to be distributed, the distribution system is then able to float inside the thermal storage tank at the level of the thermal stratum. target.
  • the plurality of distribution elements may be made in one or more materials of density substantially equal to the density of the heat transfer fluid to be distributed.
  • this or these materials are designed to withstand high temperatures, in particular up to 100 ° C.
  • all or part of the distribution elements may comprise at least one flotation element, in particular an air float, configured to give the plurality of distribution elements of the distribution system a density substantially equal to the density. heat transfer fluid for distribution.
  • the presence of one or more flotation elements in one or more distribution elements may especially be desirable when the material or materials constituting the distribution elements are of high density, that is to say significantly greater than the density heat transfer fluid for distribution.
  • the buoyancy element or elements are thus defined so that the total density of the buoyancy elements is substantially equal to the density of the coolant intended to be distributed.
  • Said at least one flotation element can be integrated inside a side wall of at least one distribution element.
  • said at least one flotation element may be located externally on said at least one dispensing element, in particular outside any wall of said at least one dispensing element.
  • said at least one flotation element may extend over the entire length of said at least one distribution element, or even in part.
  • each distribution element may comprise a flotation element, the flotation elements being identical and of fixed volume.
  • the desired density of the plurality of distribution elements can then be obtained by weighting the distribution elements of a selected mass to achieve the desired density.
  • This solution can easily control the density by gradually adding weight, which may allow some inaccuracy in the realization of the distribution system. In particular, any density error can be rectifiable.
  • a flotation element inside a side wall of a distribution element can be complicated, said at least one flotation element can still be incorporated externally to any wall of said at least one distribution element, in at least one additional cavity located at at least one end of said at least one distribution element. Said at least one additional cavity can then accommodate the entire volume of said flotation element.
  • This solution may be simpler to implement but has the disadvantage non-uniform distribution of the weight within said at least one dispensing element, which can affect the movement of the dispensing system.
  • all or part of the distribution elements may comprise at least one material of variable density integrated in a flexible envelope allowing its expansion and / or shrinkage depending on the temperature of the coolant intended to be distributed so as to modify the total density of the distribution elements.
  • said at least one material of variable density is integrated between a rigid wall of low thermal conductivity and a flexible wall of high thermal conductivity, the assembly forming in particular a side wall of at least one distribution element.
  • the heat transfer be instantaneous between the heat transfer fluid and the variable density material, which requires having a flexible inner wall of high thermal conductivity, and that the heat transfer is virtually zero between the variable density material and the different thermal layers of the thermal storage tank, which requires having an outer wall rigid low thermal conductivity, in other words insulating.
  • the dispensing system may comprise a proximal distribution element provided with a means of attachment to the thermal energy storage device, a distal distribution element provided with a heat transfer fluid diffusion element, and one or more intermediate distribution elements, the distribution elements being successively nested in each other from the proximal distribution element to the distal distribution element.
  • the means for securing the proximal distribution element may for example comprise a plurality of fixing orifices, for example by screws, to the thermal energy storage device, these orifices being in particular distributed regularly around the proximal element. of distribution.
  • the heat transfer fluid passage section of the distribution elements may advantageously gradually increase from the proximal distribution element to the distal distribution element of the dispensing system.
  • this gradual increase in the heat transfer fluid passage section from the proximal distribution element to the distal distribution element can be achieved through an increasing variation of the diameters of the distribution elements.
  • This increasing variation of section, or of diameter in addition to facilitating and allowing the interlocking of the distribution elements with one another, may also make it possible to reduce the speed of the coolant before it enters a diffuser element and its diffusion in the thermal storage tank.
  • the diffuser element of the distal distribution element can be in various forms. However, preferably, the diffuser element of the distal distribution element may comprise radial heat transfer fluid diffusion means.
  • These radial heat transfer fluid diffusion means may preferentially be evenly distributed around the periphery of the distal distribution element. They may be in the form of injection orifices and / or withdrawal of heat transfer fluid.
  • the radial injection permitted by the diffuser element of the distal distribution element makes it possible to reduce the input velocity of the coolant in the thermal storage tank.
  • the diffuser element may be in the form of a disk pierced on its periphery with injection orifices and / or fluid withdrawal. coolant. If necessary, the diffuser element can be coupled to bent or T-shaped heat transfer fluid inlets.
  • distribution elements may be in the form of cylindrical tubes with different diameters.
  • the lengths of the distribution elements may be different, but are preferably identical.
  • the main forms of the distribution elements are preferentially similar.
  • the constituent material (s) of the distribution elements are preferably identical for all the distribution elements.
  • the interlocking of a first distribution element in a second distribution element can be achieved by the cooperation between a distal portion of cylindro-frustoconical shape of the first distribution element and a proximal portion of frustoconical shape of the second element of distribution. distribution, the proximal portion of frustoconical shape of the second dispensing element covering the distal portion of cylindro-frustoconical shape of the first dispensing element so as to abut against one another during the sliding out of the first and second distribution elements relative to each other.
  • the frustoconical shape of the proximal portion of the second dispensing element cooperating with the cylindro-frustoconical shape of the distal portion of the first dispensing element may make it possible to prevent dislocation of the first and second distribution elements, one by to the other, and also to preserve the overall cohesion of the distribution system.
  • the distribution elements are not secured to each other.
  • the only moment of contact between two successive distribution elements is constituted by the stop abutting contact of a proximal portion of shape. frustoconical of one of the two distribution elements and a distal portion of conical shape of the other of the two distribution elements, as described above.
  • the distribution elements may preferably be made from one or more polymeric materials, in particular chosen from: polycarbonate (PC), polyamide (PA), polyoxymethylene (POM), polyphenyl ether (PPE), polytetrafluoroethene (PTFE) ), polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), polysulfone (PSU), polyethylenimine (PEI), phenylene polysulfide (PPS) and / or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PC polycarbonate
  • PA polyamide
  • PPE polyoxymethylene
  • PPE polyphenyl ether
  • PTFE polytetrafluoroethene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PES polyethersulfone
  • PSU polysulfone
  • PEI polyethylenimine
  • PPS phenylene polysulfide
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the distribution elements may also be made from one or more metals, for example from aluminum or steel, among others.
  • the choice of polymeric materials is preferred mainly because of their low thermal conductivity, their availability, their ease of formatting and their low cost.
  • the materials used should preferentially be able to withstand a temperature withstand stress around 100 ° C.
  • thermo energy storage device characterized in that it comprises:
  • a stratified thermal storage tank comprising a heat transfer fluid for storing thermal energy
  • the thermal energy storage device is a device for storing heat energy by sensible heat.
  • the distribution system can be secured at one of its ends to an inner wall of the thermal storage tank, in particular the upper inner wall, the other of its ends including in particular said heat transfer fluid diffuser element.
  • the thermal energy storage device may comprise a guide element, passing through the interior of the dispensing elements of the dispensing system over its entire length, being in particular secured to the upper inner wall of the storage tank. thermal storage and the lower inner wall of the thermal storage tank.
  • this guide element may be in the form of a guide rod extending from one end to the other of the thermal storage tank, namely from top to bottom.
  • a guide element may advantageously allow the dispensing system to remain stable, and in particular in a very vertical position, and also to facilitate the movement of the distribution elements relative to each other.
  • the thermal energy storage device may comprise, inside the thermal storage tank, a first device for injecting and / or withdrawing heat transfer fluid attached to the upper inner wall of the tank.
  • the presence of such first and second injection devices and / or withdrawal inside the thermal storage tank can increase the accuracy of the heat transfer fluid distribution.
  • heat transfer fluids of extreme temperatures can be permanently injected and / or withdrawn from the upper and lower parts of the thermal storage tank, the intermediate temperature heat transfer fluids can then be injected and / or withdrawn by the distribution system.
  • the operation of the dispensing system and the first and second devices for injecting and / or withdrawing heat transfer fluid can be controlled by means of temperature through at least one three-way valve, able to distribute the coolant either in the system distribution, either in the first injection device and / or withdrawal, or in the second injection device and / or withdrawal depending on the temperature of the heat transfer fluid to be dispensed.
  • first and second injection devices and / or withdrawal inside the thermal storage tank can allow for operations of injection and withdrawal of heat transfer fluid simultaneously.
  • the invention also relates, in another of its aspects, to a heat transfer fluid distribution method in a thermal energy storage device, in particular by sensible heat, comprising a thermal storage tank stratified heat transfer fluid , for the injection and / or withdrawal of heat transfer fluid within the thermal storage tank, characterized in that it is implemented by means of a distribution system as defined above.
  • the dispensing method according to the invention advantageously comprises the step of injecting a heat transfer fluid into a thermal layer of the thermal storage tank of the same temperature as the heat transfer fluid through the distribution system, in particular through the heat transfer fluid diffuser element.
  • the distribution method according to the invention advantageously comprises the step of withdrawing a heat transfer fluid of predetermined temperature from a thermal layer of the thermal storage tank of same temperature as the coolant through the distribution system, in particular through the heat transfer fluid diffuser element.
  • the dispensing method according to the invention may comprise the step of determining the solid density of the solid part of the distribution system, comprising the plurality of distribution elements, so as to be substantially equal to the mass.
  • volumic fluidic part of the fluidic part of the distribution system comprising the coolant intended to be dispensed, by injection and / or withdrawal.
  • the dispensing system, the thermal energy storage device and the dispensing method according to the invention may comprise any of the features set forth in the description, taken alone or in any technically possible combination with other characteristics.
  • FIG. 1 represents, in perspective, an exemplary distribution system according to the invention in a configuration where it is fully deployed
  • FIG. 2 represents, in perspective, an example of a thermal energy storage device according to the invention comprising the distribution system of FIG. 1, the thermal energy storage device being partially shown in section to visualize the distribution system positioned inside,
  • FIGS. 3A, 3B and 3C respectively represent, in perspective, the proximal distribution element, an intermediate dispensing element and the distal distribution element of the dispensing system of FIG. 1,
  • FIGS. 4A and 4B respectively represent, in perspective, the dispensing system of FIG. 1 in a configuration where it is fully retracted and in an intermediate configuration, partially retracted and partially deployed
  • FIG. 5 represents, in section, the configuration allowing the interlocking between two distribution elements of the distribution system of FIG. 1,
  • FIG. 6 represents, in section and in perspective, an alternative embodiment of an intermediate distribution element of a distribution system according to the invention, integrating a floating element
  • FIG. 7 represents, in section and in perspective, another variant embodiment incorporating a guide element through a distribution system according to the invention
  • FIG. 8 also represents, in section, another variant embodiment of a distribution element of a distribution system according to the invention, incorporating a material of variable density,
  • FIG. 9 represents, in schematic section, an alternative embodiment of a thermal energy storage device according to the invention.
  • FIG. 10 represents, in section, an enlarged detail of the configuration allowing the interlocking between two distribution elements of a distribution system according to the invention.
  • FIG. 11 shows, in section and in perspective, an example of an intermediate distribution element of a distribution system according to the invention, incorporating a flotation element over a part of its length.
  • the dispensing system 1 has the general shape of a floatation rod 1 provided with a plurality of distribution elements 2a-2e, also referred to as cane elements 2a-2e, in the form of cylindrical tubes interlocked with one another, without interlocking them with each other. to allow a global movement in vertical translation of the cane elements
  • buoyancy rod 1 is retractable.
  • the buoyancy rod 1 according to the invention can make it possible to ensure both the function of injection of heat transfer fluid into the storage, or from the outside to inside the storage, but also the function of withdrawal or removal of heat transfer fluid from storage, or from the inside to the outside of the storage.
  • the invention aims to allow an injection of the heat transfer fluid of given temperature within a target thermal layer of the same temperature.
  • the invention aims to allow the sampling at the desired temperature while maintaining the highest temperature in the storage to limit the exergy losses and later recover this energy to a higher temperature level.
  • the invention proposes among other things to allow correct positioning of the flotation rod 1 relative to a previously targeted thermal layer of the thermal storage tank.
  • the heat transfer fluid corresponds to water
  • the storage of thermal energy corresponds to storage of thermal energy by sensible heat
  • buoyancy rod 1 according to the invention will be described, and, with reference to FIG. 2, an example of a thermal energy storage device 50 in accordance with FIG. invention comprising such a buoyancy rod 1.
  • the float rod 1 is in a telescopic form for deployment and retraction depending on the heat transfer fluid to be dispensed. It thus comprises a set of five rod elements 2a, 2b, 2c, 2d and 2e nested one inside the other and moving vertically relative to each other.
  • the thermal energy storage device 50 comprises a stratified thermal storage tank 51, comprising an upper inner wall 51a, a lower inner wall 51b, opposite to the upper inner wall 51a, and a lateral inner wall 51c, the thermal storage tank 51 containing a volume V of coolant.
  • the number of cane members 2a-2e of the buoyancy rod 1 may be variable, but preferably should be sufficient to allow the buoyancy rod 1 to deploy over the entire height of the thermal storage tank 51.
  • the lengths of the cane members 2a-2e may be different, but are preferably identical.
  • the buoyancy rod 1 more specifically comprises a proximal rod element 2a provided with a securing means 4 for fixing the proximal rod element 2a to the upper inner wall 51a of the thermal storage tank 51, for example by insertion of screws in a plurality of fastening holes 4a of the fastening means 4, regularly distributed around the periphery of a disk forming the securing means 4.
  • the buoyancy rod 1 comprises a distal cane member 2e provided with a heat transfer fluid diffuser element 3.
  • This diffuser element 3 is for example in the form of a disk pierced around its periphery with a plurality of dispensing orifices 3a, for injecting and / or withdrawing heat transfer fluid.
  • these dispensing orifices 3a constitute radial diffusion means of heat transfer fluid, regularly distributed around the perimeter of the distal cane element 2e.
  • the diffuser element 3 can It should be noted that, in FIG. 2, the arrows F symbolize the radial injection of heat transfer fluid into the thermal storage tank 51 from the element diffuser 3 of the floatation rod 1.
  • three intermediate rod elements 2b, 2c and 2d are located between the proximal cane element 2a and the distal cane element 2e of the float rod 1. These three intermediate cane elements 2b, 2c and 2d are successively nested within each other from the proximal cane member 2a to the distal cane second element.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C respectively represent, in perspective, the proximal cane element 2a, an intermediate cane element 2b, for example, from the three cane intermediate elements 2b, 2c and 2d, and Distal Cane 2nd Element of the Flotation Rod 1.
  • the five cane elements 2a-2e of the buoyancy rod 1 have different diameters.
  • the passage section Sa, Sb, Se, Sd and heat transfer fluid Se of each cane element 2a-2e increases progressively from the proximal cane element 2a to the distal cane element 2nd of the float rod 1.
  • the gradual increase in the heat transfer fluid passage section in the float rod 1 is thus obtained by means of an increasing variation of the diameters of the cane elements 2a.
  • -2e which variation, in addition to facilitating and allowing the interlocking of the cane elements 2a-2e with each other, also makes it possible to reduce previously the speed of the coolant before it enters the diffuser element 3 and its diffusion in the thermal storage tank 51.
  • the displacement of the rod elements 2a-2e relative to each other allows the deployment or retraction of the buoyancy rod 1 according to a predetermined configuration for the distribution of heat transfer fluid within a thermal layer target of the thermal storage tank 51 of temperature substantially equal to the temperature of the heat transfer fluid to be distributed.
  • the solid density p s or also called mass density of the solid part of the buoyancy rod 1, which comprises the cane elements 2a-2e, is substantially equal to the liquid density pi of the liquid part of the cane of Flotation 1, which comprises the heat transfer fluid intended to be distributed within the target thermal layer.
  • the injection of heat transfer fluid into a target thermal stratum of temperature substantially equal to the temperature of the heat transfer fluid injected, or the withdrawal of heat transfer fluid from a target thermal layer of predetermined temperature are made possible by this principle of flotation of the diffuser element 3, forming the fluidic communication interface between the thermal storage tank 51 and the flotation rod 1, at the level of the target thermal layer.
  • the solid density p s of the buoyancy rod 1 is chosen to be substantially equal to the liquid density pi of the buoyancy rod 1 In this way, the buoyancy rod 1 deploys and / or retracts, depending on the density variation, until the diffuser element 3 is located at the target thermal layer.
  • Figures 4A and 4B respectively represent, in perspective, the float rod 1 of Figure 1 in a configuration where it is fully retracted and in any intermediate configuration, partially retracted and partially deployed. It is thus possible to vary the position of the diffuser element 3 of the distal cane element 2e as a function of the targeted thermal layer in the thermal storage tank 51.
  • FIG. 5 shows, in cross-section, the configuration allowing the interlocking between two cane elements of the buoyancy rod 1 of FIG. 1, namely here the intermediate cane element 2b and the element intermediate cane 2c.
  • the interlocking of the intermediate rod element 2b in the intermediate rod element 2c is achieved by the cooperation between a distal portion of cylindrical-frustoconical shape 5b of the intermediate element of rod 2b and a proximal portion of frustoconical shape 6c of the intermediate cane element 2c.
  • the frustoconical proximal portion 6c of the intermediate cane element 2c covers the distal portion of cylindrical-frustoconical shape 5b of the intermediate rod member 2b so as to abut against one another during the sliding distance of the intermediate rod elements 2b and 2c relative to each other .
  • FIG. 3A represents the distal portion of cylindro-frustoconical shape 5a of the proximal cane element 2a
  • FIG. 3B represents the frustoconical proximal portion 6b and the distal portion of cylindro-frustoconical shape 5b. of the intermediate cane element 2b
  • FIG. 3C represents the frustoconical proximal portion 6e of the distal cane member 2e of the buoyancy rod 1.
  • the frustoconical shape of the proximal portions of the cane members 2a-2e cooperating with the cylindro-frustoconical shape of the distal portions of the cane members 2a-2e can prevent dislocation of the cane members 2a-2e together. compared to others, and also to preserve the overall cohesion of the floatation rod 1.
  • the rod elements 2a-2e are not secured to each other.
  • a weak clearance exists between two successive rod elements to prevent any friction that could affect the movement of each rod element.
  • each cane element 2a-2e can be produced preferentially from one or more polymer materials, in particular chosen from: polycarbonate (PC), polyamide (PA), polyoxymethylene (POM), polyphenyl ether (PPE) ), polytetrafluoroethene (PTFE), polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), polysulfone (PSU), polyethylenimine (PEI), phenylene polysulfide (PPS) and / or polyvinylidene fluoride (PVDF), among others.
  • PC polycarbonate
  • PA polyamide
  • POM polyoxymethylene
  • PPE polyphenyl ether
  • PTFE polytetrafluoroethene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PES polyethersulfone
  • PSU polyethylenimine
  • PEI phenylene polysulfide
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the cane members 2a-2e may be made in one or more materials of density p s substantially equal to the density pi heat transfer fluid for distribution.
  • such materials are advantageously designed to withstand high temperatures, in particular up to 100 ° C.
  • all or part of the cane members 2a-2e may also include at least one flotation element 7, in particular an air float 7, configured to give the plurality of cane elements 2a-2e of the cane flotation 1 a density p s substantially equal to the density pi of the heat transfer fluid to be distributed.
  • FIG. 6 represents, in section and in perspective, an alternative embodiment of the intermediate cane element 2b of a buoyancy rod 1 according to the invention, which incorporates such an air float 7.
  • the air float 7 is integrated inside the side wall 8 of the intermediate rod element 2b, especially over the entire length of the intermediate rod element 2b.
  • air float 7 is particularly required when the material or materials constituting the cane elements 2a-2e are of high density, that is to say significantly greater than the density of the heat transfer fluid intended to be distributed.
  • the presence of the air float 7 in the side wall 8 of the intermediate rod element 2b makes it possible to obtain a substantially uniform distribution of the air float 7 and also to improve the balance of the air. intermediate element of cane 2b.
  • FIG. 7 also shows, in section and in perspective, another embodiment incorporating a guide element 12 through a buoyancy rod 1 according to the invention.
  • the thermal energy storage device 50 may include such a guide element 12, which passes through the inside of the cane elements 2a-2e over the entire length of the float rod 1.
  • This guide element 12 is preferably fixed to the upper inner wall 51a of the thermal storage tank 51 and to the lower inner wall 51b of the thermal storage tank 51. It is in particular in the form of a guide rod 12, thus extending from one end to the other of the thermal storage tank 51, namely from top to bottom.
  • FIG. 8 represents, in cross-section, an alternative embodiment of the intermediate rod element 2b of a buoyancy rod 1 according to the invention, incorporating a material of variable density 9.
  • variable density material 9 is integrated in a flexible envelope allowing its expansion and / or retraction as a function of the temperature of the heat transfer fluid intended to be distributed so as to modify the total density of the cane elements 2a. 2nd.
  • this material of variable density 9 is integrated between a rigid outer wall of low thermal conductivity 10 and a flexible inner wall of high thermal conductivity 11, the assembly thus forming a side wall of the intermediate rod element 2b.
  • the heat transfer be instantaneous between the heat transfer fluid and the variable density material. 9, which requires having a flexible inner wall of high thermal conductivity 11, and that the heat transfer is almost zero between the variable density material 9 and the different thermal layers of the thermal storage tank 51, which requires having a rigid outer wall of conductivity weak thermal 10, in other words insulating.
  • FIG. 9 is a diagrammatic section showing an alternative embodiment of a thermal energy storage device 50 according to the invention.
  • the thermal energy storage device 50 comprises a stratified thermal storage tank 51 comprising three thermal layers, namely an upper thermal layer S1, an intermediate thermal layer S2 and a lower thermal layer S3, respectively containing heat transfer fluids at temperatures of about 100 ° C, 60 ° C and 20 ° C.
  • this thermal energy storage device 50 comprises, inside the thermal storage tank 51, a first device for injecting and / or withdrawing heat transfer fluid 13 attached to the upper inner wall 51a of the storage tank.
  • the presence of such first 13 and second 14 injection devices and / or withdrawal inside the thermal storage tank 51 increases the accuracy of the heat transfer fluid distribution.
  • the heat transfer fluids of extreme temperatures 100 ° C. and 20 ° C. can be permanently injected and / or withdrawn from the top and the bottom of the thermal storage tank 51, the heat transfer fluid of intermediate temperature 60 ° C, which can then be injected and / or withdrawn by the floatation rod 1.
  • the operation of the buoyancy rod 1 and the first 13 and second 14 devices for injecting and / or withdrawing heat transfer fluid can be controlled in temperature by means of at least one three-way valve, able to distribute the heat transfer fluid is in the float rod 1, in the first injection device and / or withdrawal 13, or in the second injection device and / or withdrawal 14 depending on the temperature of the heat transfer fluid to be dispensed . Thanks to these first 13 and second 14 injection devices and / or withdrawal, simultaneous injection and withdrawal of coolant can also be performed.
  • these two examples are differentiated by the presence or absence of air floats 7 at each cane element of the buoyancy rod 1.
  • the thermal energy storage device 50 comprises a cylindrical thermal storage tank 51 having a height of about 10 m and a diameter of about 20 m.
  • the effective storage volume is approximately 3142 m 3
  • the heat transfer fluid flow rate, injection / withdrawal is about 86.4 m 3 / h (or 24 kg / s)
  • the flow velocity of the coolant within the floatation rod 1 is about 1 m / s
  • the injection / withdrawal rate of the coolant in / from the thermal storage tank 51 is about 0.1 m / s.
  • the buoyancy rod 1 comprises six rod elements 2a-2f, the distal rod member 2f comprising the diffuser element 3.
  • the six rod elements 2a-2f all have the same length, about 1.5 m, which allows the diffuser element 3 to reach all positions between 1.5 m (float pipe 1 fully retracted) and 9 m deep (float rod 1 totally deployed), so as to scan most of the height of the thermal storage tank 51.
  • the sizing principle concerns in particular the determination of the diameters of the cane members 2a-2f, as well as the length of air float to be integrated in the buoyancy rod 1, in particular at the level of the cane members 2a-2f.
  • Example 1 presence of air floats
  • the six rod elements 2a-2f incorporate air floats 7, as described above.
  • the plurality of air floats 7 form the overall air float of the buoyancy rod 1.
  • Flow rates and heat transfer fluid flow rates condition the diameters of the six cane members 2a-2f.
  • the coolant flow velocities and inside diameters of the six cane elements 2a-2f were calculated, considering that the cane element 2a corresponds to the proximal cane element, which the cane member 2f corresponds to the distal cane member and the cane members 2b, 2c, 2d, 2e correspond to the cane intermediate members.
  • the diameter of the first proximal rod element 2a has been calculated to satisfy the constraints in flow rates and flow rates.
  • the other diameters of the other cane members 2b-2f were calculated from the diameter of the first proximal cane member 2a by adding for each cane member a distance corresponding to the sum of the thickness Ec of the cane member and the additional thickness Eb generated by the cylindro-frustoconical shape at the distal end of the cane member to allow abutment.
  • Figure 10 shows, in section, an enlarged detail of the configuration allowing interlocking between, for example, the intermediate rod member 2b and the intermediate rod member 2c.
  • FIG. 10 it is possible to visualize the thickness Ec of the intermediate cane element 2b and the thickness Eb due to the presence of the distal portion of cylindro-frustoconical shape 5b of the intermediate cane element 2b.
  • the thickness Eb is equal to the thickness
  • Ec equal to about 20 mm.
  • the air float 7 is integrated entirely into the side wall of a cane element with a fixed thickness, and the length L of the air float 7 is used to adjust the volume thereof.
  • FIG. 11 thus represents, in section and in perspective, the intermediate rod element 2b, incorporating an air float 7 of length L over part of its total length H.
  • the total side wall thickness e to t of the intermediate cane member 2b is about 20 mm, and the thickness ef of the air float 7 is about 10 mm. mm.
  • the material selected for producing the cane members 2a-2f is polyvinylidene fluoride (PVDF) with a softening temperature of about 132 ° C and a density of about 1780 kg / m 3 .
  • the length of the air float 7 to be integrated can be determined by an equilibrium calculation between the weight of the cane element 2b and the buoyancy force, thus obtaining the following relation:
  • PPVDF represents the density of polyvinylidene fluoride
  • the diffuser element 3 can in turn be in the form of a disk with a diameter of about 800 mm, and be pierced with 8 holes of about 200 mm in diameter, spaced apart by about 300 mm allowing a injection / withdrawal of water at a speed of about 0.1 m / s.
  • the six rod elements 2a-2f are devoid of air floats 7, as described above.
  • the densities of the rod members 2a-2f must be precisely determined to allow the desired flotation of the diffuser element 3 at a target thermal layer.
  • the table below gives the densities of the cane elements 2a-2f, and the total gives the density of the buoyancy rod 1, when it is composed: - a solid portion comprising 2a-2f cane elements of one flotation cane made from a material having a density close to that of water, especially Rilsan ® from Arkema density equal to 1030 kg / m 3 ; in addition, the wall thickness e to t of the rod elements 2a-2f is considered to be equal to about 2 mm;
  • a liquid part comprising the water contained in the buoyancy rod 1; it is considered in particular that the water is injected at 60 ° C and has a density of about 983.2 kg / m 3 .
  • the difference in density corresponds to a temperature difference of 1.5 ° C, which remains a small error.
  • buoyancy rod 1 when the buoyancy rod 1 is folded, then it contains less heat transfer fluid, that is to say less liquid. The influence of the solid part on the density of the whole thus becomes more important.
  • the flow portion of the buoyancy rod 1 is reduced to the proximal rod element 2a.
  • the solid volume is that of the buoyancy rod 1 in its entirety and therefore corresponds to the sum of the solid volumes of each cane element 2a-2f.
  • the density of the buoyancy rod 1 depends on the amount of water to be dispensed contained therein, and therefore its deployment state.
  • the table below shows the differences between the density of the liquid to be dispensed and the density of the buoyancy rod 1 when it is completely unfolded and completely retracted.
  • the parameters used are five different solid densities p s and four different liquid densities pi.
  • the density differences between the liquid and the buoyancy rod 1 are negligible in the unfolded position while they are larger in the retracted position. These differences are more negative for the low solid densities and positive for the high solid densities. This feature can thus offer a wide possibility of optimization of operation of the floatation rod 1.
  • the choice of the density of the solid part of the buoyancy rod 1 is strategic to adjust the operation of the buoyancy rod 1 regardless of its deployment state.
  • the optimization of this adjustment can in particular be done by experimentation.
  • the invention is not limited to the embodiments which have just been described. Various modifications may be made by the skilled person.

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Abstract

L'objet principal de l'invention est un système de distribution (1) de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique comportant un réservoir de stockage thermique stratifié, caractérisé en ce qu'il se présente sous une forme télescopique, comportant une pluralité d'éléments de distribution (2a-2e) emboîtés les uns dans les autres, pour permettre le déploiement et/ou la rétractation du système de distribution (1) pour la distribution de fluide caloporteur au sein d'une strate thermique cible du réservoir de température sensiblement égale à la température du fluide caloporteur distribué, au moins l'un des éléments de distribution (2a-2e) comportant un élément diffuseur (3), et en ce que la masse volumique solide de la partie solide du système de distribution (1) est sensiblement égale à la masse volumique fluidique de la partie fluidique du système de distribution (1) pour permettre la flottaison dudit élément diffuseur (3) au niveau de ladite strate thermique cible.

Description

SYSTÈME TÉLESCOPIQUE ET FLOTTANT DE DISTRIBUTION DE FLUIDE CALOPORTEUR POUR UN DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ÉNERGIE THERMIQUE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général du stockage d'énergie thermique, notamment par cha leur sensible, en particulier à des fins de stockage domestique et/ou de stockage pour un résea u de chaleur. Elle concerne plus spécifiquement le domaine des systèmes d'injection et/ou de soutirage d'un fluide caloporteur au sein d'un dispositif de stockage d'énergie thermique.
L'invention propose ainsi un système de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique, un dispositif de stockage d'énergie thermique comportant un tel système de distribution et un réservoir de stockage thermique stratifié de fluide caloporteur, ainsi qu'un procédé associé de distribution de fluide caloporteur dans un dispositif de stockage d'énergie thermique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Actuellement, les besoins en énergie thermique sont certains, et notamment pour son utilisation à des fins de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire (ECS).
Toutefois, de tels besoins en énergie thermique varient considérablement au cours d'une même journée. En effet, des pics de consommation en énergie thermique sont observés au cours de la journée. Ainsi, da ns le cadre de l'utilisation de l'énergie thermique pour des besoins en chauffage par exemple, ces pics de consommation peuvent atteindre jusqu'à quatre fois la charge moyenne d'un réseau de chaleur, et les pics de consommation du matin et du soir, cumulés ensemble, peuvent représenter à eux seuls près de 30 % de la consommation journalière en énergie thermique. De la même façon, sur une année complète, les besoins en énergie thermique sont également variables puisque notamment les besoins en chauffage sont pratiquement nuls penda nt l'été alors qu'ils peuvent atteindre des valeurs très élevées pendant l'hiver. Pour pouvoir répondre à la demande en énergie thermique, l'alimentation en énergie thermique est assurée par des unités de production qui rencontrent des difficultés à se conformer à cette demande fluctuante, étant en effet généralement soit prévues pour être intermittentes, par exemple dans le cas de panneaux solaires thermiques, soit conçues pour fonctionner avec des régimes de fonctionnement stables et réguliers, telles que par exemple les centrales à bois.
Par conséquent, l'utilisation du stockage d'énergie thermique, en particulier par chaleur sensible, apparaît comme une solution adaptée pour permettre de concilier à la fois la demande fluctuante en énergie thermique et les contraintes de production d'énergie thermique, en absorbant ainsi par « effet tampon » les fluctuations propres à la demande et à la production.
Dans le stockage thermique par chaleur sensible, l'énergie est stockée sous la forme d'une élévation de température du matériau de stockage. La quantité d'énergie stockée est alors directement proportionnelle au volume, à l'élévation de température et à la capacité thermique du matériau de stockage. Ce type de stockage n'est limité que par la différence de température disponible et celle supportée par le matériau ou son conteneur, par les déperditions thermiques du stockage et par l'éventuel changement d'état que peut être amené à subir le matériau servant au stockage.
Un dispositif de stockage d'énergie thermique peut fonctionner en régime journalier, les charges et décharges se réalisant alors à l'échelle d'une journée avec typiquement une charge durant la journée et une décharge lorsqu'un besoin énergétique est demandé, voire également en régime inter saisonnier, les charges et décharges se réalisant alors à l'échelle d'une année avec typiquement une charge durant l'été et une décharge durant l'hiver.
En outre, un dispositif de stockage d'énergie thermique peut être conçu selon différentes tailles en fonction de son usage. En particulier, le volume de fluide caloporteur stocké peut être variable. Par exemple, le stockage domestique, par exemple pour un ballon d'ECS domestique ou un chauffe-eau solaire individuel, peut nécessiter un volume de fluide caloporteur de quelques centaines de litres à quelques mètres cubes. En revanche, le stockage pour un réseau de chaleur peut lui nécessiter un volume de fluide caloporteur bien plus important, et en particulier de quelques centaines de mètres cubes à plusieurs dizaines de milliers de mètres cubes.
Toutefois, quelle que soit la finalité envisagée du stockage thermique, il existe une problématique forte qui conditionne les performances du stockage thermique et qui consiste en la préservation de la stratification thermique au sein du réservoir du dispositif de stockage thermique, contenant le fluide caloporteur.
En effet, pour obtenir un stockage thermique de qualité, il est nécessaire d'obtenir un fort gradient de température entre les deux extrémités du stockage, notamment entre le haut et le bas du dispositif de stockage thermique considéré en position verticale.
Aussi, afin de préserver la qualité de stockage et donc ce gradient thermique, il faut pouvoir distribuer, à savoir injecter et/ou soutirer, le fluide caloporteur sans pour autant induire de mouvements convectifs responsables alors de la déstratification thermique. De plus, les températures d'injection n'étant pas constantes, il faut également pouvoir être capable d'injecter le fluide à une température donnée au sein d'une strate de température adéquate pour éviter un mélange du fluide stocké dans le réservoir du dispositif de stockage. De la même façon, en cas de soutirage, il faut pouvoir soutirer à partir de n'importe quelle strate de température en fonction du besoin en température demandé.
Dans le processus de charge ou de décharge d'un réservoir thermique d'un dispositif de stockage thermique, les fonctions de distribution et de diffusion de fluide caloporteur peuvent être distinguées l'une de l'autre. En effet, d'une part la fonction de distribution de fluide caloporteur consiste en tant que telle à distribuer le fluide caloporteur à un certain niveau, ou une certaine hauteur, du stockage du réservoir, tandis que d'autre part la fonction de diffusion de fluide caloporteur vise à limiter l'impact de l'injection/soutirage de fluide caloporteur dans la strate de stockage où a lieu la distribution.
Par ailleurs, il est à noter que la distribution d'énergie thermique dans le réservoir du dispositif de stockage peut être réalisée de façon directe, c'est-à-dire que le fluide de stockage du réservoir et le fluide injecté/soutiré sont identiques, ou encore de façon indirecte, par le biais de la présence d'un échangeur de chaleur équipant le dispositif de stockage. La solution indirecte permet d'éviter la problématique de diffusion qui peut engendrer une déstratification du réservoir thermique par effet de jet. Toutefois, elle induit généralement une perte exergétique due à l'échange même de chaleur entre les deux fluides distincts.
Ainsi, considérant les fonctions de distribution et de diffusion décrites précédemment pour un réservoir thermique d'un dispositif de stockage thermique, des solutions sont déjà connues dans l'art antérieur.
En ce qui concerne tout d'abord la distribution de fluide caloporteur, plusieurs types de distributeurs sont connus.
Il existe ainsi notamment le principe de l'injection fixe, consistant à injecter le fluide chaud en partie haute du réservoir de stockage par le biais d'une canalisation fixe et à soutirer le fluide froid en partie basse du réservoir. Un tel système d'injection est simple de mise en œuvre et de conception, et s'avère intéressant lorsque les températures d'entrée sont constantes et que le débit est faible. Toutefois, il engendre une stratification de mauvaise qualité dans le cas de conditions d'entrée et de sortie du fluide complexes, telles que la présence d'une température variable ou un débit élevé.
Par ailleurs, on connaît également le principe de l'injection multi-niveaux par vanne trois voies. Ce type d'injection est le plus répandu, et consiste en l'introduction du fluide caloporteur selon trois niveaux de température différents. La ou les vannes trois voies fonctionnent en tout ou rien, et sont régulées par la température de sortie du fluide. La mise en place d'une pluralité de vannes trois voies permet d'augmenter le nombre de strates d'injection dans le réservoir thermique. Cette technologie multi- niveaux permet d'obtenir au moins deux strates différentes de température dans le réservoir thermique, et elle est également robuste et fiable. Toutefois, son coût s'avère non négligeable et le fonctionnement en tout ou rien des vannes trois voies limite la régulation.
Il existe également le principe d'injection dit de la « canne de stratification » qui permet la distribution d'énergie par convection naturelle. Plus précisément, le fluide remonte à l'intérieur d'un tube thermosiphon (canne de stratification) percé de trous pour l'injection de fluide dans le réservoir. Par différence de masse volumique, le fluide circule dans la canne de stratification jusqu'à atteindre la hauteur de la strate de même température. Ce principe de fonctionnement permet donc l'établissement de strates tout au long du réservoir de stockage, donnant lieu à une large thermocline, mais à peu de brassage. Ce principe est également plus difficile à mettre en place. Par ailleurs, des installations peuvent être mises en place pour stopper la remontée de fluide dans la canne de stratification, telles que par exemple des clapets anti-retour ou des tubes inclinés. L'injection peut être réalisée de façon indirecte par le biais de l'utilisation d'un échangeur de chaleur.
Les cannes de stratification peuvent prendre différentes formes selon leur fabricant. On connaît ainsi le ballon à stratification active Stratos® de la société Solvis, qui comprend une pluralité de cannes de stratification, chacune couvrant des étages de température différents. On connaît également les ballons du type Conus® et Solus® de la société Consolar qui fonctionnent également à l'aide d'une canne de stratification. Plus précisément, un système d'échangeurs thermiques conçu sur le principe du thermosiphon permet d'établir un transfert thermique en contre-courant à très faibles pertes au sein du ballon. Ainsi, l'échangeur thermique supérieur réchauffe le fluide chaud en circulation. Le fluide du ballon se refroidit, et s'écoule par le tube d'écoulement vers la partie inférieure où il peut être chauffé à nouveau. En cas de faible rayonnement solaire, l'échangeur thermique situé dans la partie médiane et raccordé à une chaudière chauffe le tiers supérieur du ballon. Grâce à l'enveloppe conductrice de l'échangeur de chaleur d'appoint, la chaleur destinée à un appoint de chauffage ambiant est extraite de la partie médiane. Par grand soleil, le fluide caloporteur réchauffé est conduit par un tube de cuivre dans la partie inférieure de l'échangeur de chaleur. Par ailleurs, il existe également des accumulateurs à stratification des températures dynamiques tels que conçus par la société Ratiotherm, en particulier sous la référence Oskar®. Ainsi, différentes canalisations viennent se greffer à la canne de stratification sous forme de spirale et percée.
En outre, d'autres technologies sont actuellement en voie de développement, comme celles relatives à l'utilisation des manifolds (tubes poreux), prometteuses pour favoriser l'élaboration d'une stratification mais utilisant des matériaux plutôt adaptés à du stockage à faible échelle. Ainsi, les manifolds sont des matériaux pouvant se contracter ou se dilater selon les conditions, donnant ainsi la possibilité de libérer le fluide au bon niveau de pression. On connaît ainsi l'utilisation de manifolds sous la forme de tubes rigides poreux ou encore en tissu, l'inconvénient de tels matériaux venant surtout de leur faible épaisseur qui engendre de forts transferts thermiques à travers leur paroi.
De plus, il existe également des ballons solaires équipés de taules de stratification, qui sont destinées à séparer physiquement la partie chaude de la partie froide du ballon par la présence d'obstacles.
En ce qui concerne par ailleurs la fonction de diffusion de fluide caloporteur, et dans le cas de distributeurs à injection directe (donc sans échangeur de chaleur), il peut être intéressant de rajouter des diffuseurs ou brise-jets ayant pour fonction d'atténuer le phénomène de jet qui peut engendrer une dégradation de la stratification. Ainsi, diverses études ont été menées autour de cette problématique révélant que, d'une part pour les diffuseurs, il est possible de diminuer l'énergie cinétique et de permettre une bonne répartition du fluide caloporteur bien que ceux-ci ne permettent pas à eux seuls de régler le problème de la mise en place de la stratification et de son maintien, tandis que, d'autre part pour les brise-jets, il est possible de diminuer l'énergie cinétique bien que ceux-ci peuvent entraîner le brassage du fluide caloporteur injecté.
En outre, diverses autres solutions de conception de distributeurs, utilisant notamment le principe des cannes de stratification, et de diffuseurs de fluide dans un réservoir de stockage ont également été décrites dans la littérature brevet. A titres d'exemples, on peut ainsi citer la demande de brevet européen EP 2 065 666 Al qui décrit la présence d'un serpentin confiné médian au stockage avec deux canes de distribution reliées à l'espace confiné, la demande de brevet coréen KR 2005-0064018 A qui décrit la réalisation d'un diffuseur avec une partie mobile permettant de modifier la section de passage du diffuseur, ou encore la demande internationale WO 2013/083911 Al qui décrit un concept de brise-jet disposé à l'entrée d'eau dans un réservoir de stockage d'eau chaude. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Il existe un besoin pour proposer une solution alternative améliorée de système de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique, notamment par chaleur sensible, comportant un réservoir de stockage de fluide caloporteur thermiquement stratifié, afin de réaliser des charges et/ou décharges de fluide caloporteur tout en empêchant, ou du moins en limitant fortement, la déstratification thermique au sein du réservoir de stockage.
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un système de distribution de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique, notamment par chaleur sensible, comportant un réservoir de stockage thermique stratifié de fluide caloporteur, pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein du réservoir de stockage thermique,
caractérisé en ce qu'il se présente sous une forme télescopique, comportant une pluralité d'éléments de distribution emboîtés les uns dans les autres et coulissant les uns par rapport aux autres, pour permettre le déploiement et/ou la rétractation du système de distribution selon une configuration prédéterminée pour la distribution de fluide caloporteur au sein d'une strate thermique cible du réservoir de stockage thermique de température sensiblement égale à la température du fluide caloporteur destiné à être distribué, au moins l'un des éléments de distribution comportant un élément diffuseur de fluide caloporteur,
et en ce que la masse volumique solide (ou encore appelée densité volumique de masse) de la partie solide du système de distribution, comprenant la pluralité d'éléments de distribution, est sensiblement égale à la masse volumique fluidique de la partie fluidique du système de distribution, comprenant le fluide caloporteur destiné à être distribué au sein de ladite strate thermique cible, par injection et/ou soutirage, pour permettre la flottaison dudit élément diffuseur au niveau de ladite strate thermique cible. Autrement dit, le système de distribution selon l'invention se caractérise avantageusement en ce que la densité volumique de masse de ce système, comprenant la masse volumique fluidique et la masse volumique solide du système de distribution, varie avec la température de la strate thermique cible.
De façon avantageuse encore, le système de distribution selon l'invention est ainsi configuré pour permettre la flottaison dudit élément diffuseur au niveau d'au moins strates thermiques cibles différentes, en particulier de températures différentes.
Par « réservoir de stockage thermique stratifié », on entend que le volume de fluide caloporteur contenu dans le réservoir de stockage thermique présente un gradient de température entre les deux extrémités du stockage. Autrement dit, le volume de fluide caloporteur du réservoir de stockage thermique peut être divisé en une multitude de couches thermiques superposées de fluide caloporteur présentant des températures différentes et graduelles depuis l'une des extrémités de stockage vers l'autre des extrémités de stockage, ces couches superposées formant ainsi des strates thermiques successives.
Grâce à l'invention, il peut être possible de distribuer le fluide caloporteur durant des phases de charge et/ou de décharge du réservoir de stockage thermique du dispositif de stockage d'énergie thermique tout en empêchant, ou du moins en minimisant, la perturbation de la stratification thermique au sein du réservoir pendant ces opérations.
De plus, le système de distribution selon l'invention présente l'avantage d'être entièrement autosuffisant. En effet, ce système peut se rétracter et se déployer sans aucune assistance extérieure, et son extrémité distale peut se placer continuellement dans la strate thermique cible de température adaptée. De façon avantageuse, aucune instrumentation du réservoir de stockage thermique, ni aucun système d'automatisation, de système mécanique ou de source d'énergie extérieure n'est ainsi nécessaire pour permettre le mouvement du système de distribution. En effet, seule la flottabilité du système de distribution, notamment de l'élément diffuseur, pilote le déplacement du système de distribution. De cette façon, il peut également être possible de réduire considérablement tout besoin en maintenance, voire de s'en affranchir, ce qui représente un gain certain en termes de coût compte-tenu du fait que la maintenance et l'arrêt des installations entraînent classiquement des frais importants pour l'industriel.
Par ailleurs, la forme particulière divergente du système de distribution pouvant être conférée par une augmentation progressive de la section de passage du fluide caloporteur dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur peut permettre au système de distribution de jouer un rôle de diffuseur dès l'entrée du fluide caloporteur dans le système de distribution. En effet, la réduction de vitesse du fluide caloporteur peut ainsi s'effectuer progressivement sur toute la longueur du système de distribution, et s'avère moins brutale que pour certains des diffuseurs de l'art antérieur.
Le système de distribution selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Le fluide caloporteur destiné à être distribué peut être de tout type, étant typiquement de l'eau.
De façon avantageuse, le système de distribution selon l'invention est un système de distribution à injection directe, le fluide caloporteur du réservoir de stockage thermique étant identique au fluide caloporteur injecté et/ou soutiré par le biais du système de distribution.
De plus, le système de distribution selon l'invention est avantageusement rigide et peut également être compacte, de sorte à pouvoir empêcher, ou du moins fortement limiter, tout brassage de fluide caloporteur dans le réservoir de stockage thermique lors du déplacement du système de distribution.
Comme indiqué précédemment, l'injection d'un fluide caloporteur dans une strate thermique cible de température sensiblement égale à la température du fluide caloporteur injecté, ou encore le soutirage d'un fluide caloporteur depuis une strate thermique cible de température prédéterminée, sont rendus possibles par un principe de flottaison de l'élément diffuseur, formant l'interface de communication fluidique entre le réservoir de stockage thermique et le système de distribution, au niveau de la strate thermique cible.
Pour permettre une flottaison de l'élément diffuseur au niveau de la strate thermique cible, la masse volumique solide du système de distribution est choisie pour être sensiblement égale à la masse volumique fluidique du système de distribution, comprenant le fluide caloporteur à injecter et/ou à soutirer. De cette façon, le système de distribution se déploie et/ou se rétracte, en fonction de la variation de masse volumique, jusqu'à permettre à l'élément diffuseur d'être situé au niveau de la strate thermique cible.
Afin de mieux expliquer comment la valeur de masse volumique du système de distribution impacte sur le déploiement et/ou la rétractation de celui-ci, il faut comprendre que les opérations d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur dépendent de deux parties, à savoir : une partie solide du système de distribution comprenant la pluralité d'éléments de distribution ; et une partie fluidique, notamment liquide, du système de distribution comprenant le fluide caloporteur destiné à être injecté et/ou soutiré au sein de la strate thermique cible de même température.
Ainsi, l'expression (a) de la masse volumique du système de distribution, pondérée par les volumes considérés, est la suivante :
(a) : psd = (ps x Vs + pi x Vi)]/(VS + Vi),
où :
Psd représente la masse volumique du système de distribution,
ps et pi représentent respectivement les masses volumiques solide et fluidique des parties solide et fluidique présentées ci-dessus, et
Vs et Vi représentent respectivement les volumes des parties solide et fluidique présentées ci-dessus.
Comme indiqué précédemment et conformément à l'invention, la masse volumique solide ps est sensiblement égale à la masse volumique fluidique pi.
De plus, de façon avantageuse, le volume solide Vs de la partie solide du système de distribution est suffisamment faible, et donc négligeable, par rapport au volume liquide Vi de la partie fluidique du système de distribution. Dans ces conditions, si l'on reprend l'expression (a) mentionnée précédemment, la masse volumique psci du système de distribution tend alors vers la masse volumique fluidique pi de la partie fluidique du système de distribution. Autrement dit encore, la masse volumique psci du système de distribution est sensiblement égale à la masse volumique pi du fluide caloporteur destiné à être injecté dans la strate thermique cible et/ou à être soutiré depuis la strate thermique cible. Par conséquent, la masse volumique psci du système de distribution étant assimilable à la masse volumique pi du fluide caloporteur à distribuer, le système de distribution est alors apte à flotter à l'intérieur du réservoir de stockage thermique au niveau de la strate thermique cible.
Afin de pouvoir obtenir une valeur de la masse volumique solide de la partie solide du système de distribution sensiblement égale à la valeur de la masse volumique fluidique de la partie fluidique du système de distribution, diverses solutions peuvent être prévues.
En particulier, la pluralité d'éléments de distribution peut être réalisée dans un ou plusieurs matériaux de masse volumique sensiblement égale à la masse volumique du fluide caloporteur destiné à être distribué.
Préférentiellement, ce ou ces matériaux sont prévus pour supporter des températures élevées, allant notamment jusqu'à 100°C.
Par ailleurs, tout ou partie des éléments de distribution peut comporter au moins un élément de flottaison, notamment un flotteur d'air, configuré pour conférer à la pluralité d'éléments de distribution du système de distribution une masse volumique sensiblement égale à la masse volumique du fluide caloporteur destiné à être distribué.
La présence d'un ou plusieurs éléments de flottaison dans un ou plusieurs éléments de distribution peut notamment être souhaitable lorsque le ou les matériaux constitutifs des éléments de distribution sont de masse volumique élevée, c'est-à-dire nettement supérieure à la masse volumique du fluide caloporteur destiné à être distribué.
De façon avantageuse, le ou les éléments de flottaison sont ainsi définis de telle sorte que la masse volumique totale des éléments de flottaison soit sensiblement égale à la masse volumique du fluide caloporteur destiné à être distribué. Ledit au moins un élément de flottaison peut être intégré à l'intérieur d'une paroi latérale d'au moins un élément de distribution.
De cette façon, il peut être possible d'obtenir une répartition sensiblement uniforme de l'élément de flottaison et également d'améliorer l'équilibrage de l'élément de distribution.
Bien entendu, d'autres configurations de positionnement dudit au moins un élément de flottaison sont possibles. Par exemple, ledit au moins un élément de flottaison peut être situé extérieurement sur ledit au moins un élément de distribution, en particulier en dehors de toute paroi dudit au moins un élément de distribution. De plus, ledit au moins un élément de flottaison peut s'étendre sur toute la longueur dudit au moins un élément de distribution, ou bien encore en partie.
Afin de simplifier la fabrication des éléments de distribution, il peut en particulier être envisagé de prévoir les configurations suivantes pour l'intégration d'un élément de flottaison à un élément de distribution.
Ainsi, chaque élément de distribution peut comporter un élément de flottaison, les éléments de flottaison étant identiques et de volume fixe. La masse volumique souhaitée de la pluralité d'éléments de distribution peut alors être obtenue par lestage des éléments de distribution d'une masse choisie pour atteindre la masse volumique souhaitée. Cette solution peut permettre de contrôler aisément la masse volumique en ajoutant progressivement du poids, ce qui peut autoriser une certaine imprécision dans la réalisation du système de distribution. En particulier, toute erreur de masse volumique peut être rectifiable.
Par ailleurs, l'intégration d'un élément de flottaison à l'intérieur d'une paroi latérale d'un élément de distribution pouvant être compliquée, ledit au moins un élément de flottaison peut encore être incorporé extérieurement à toute paroi dudit au moins un élément de distribution, dans au moins une cavité supplémentaire située à au moins une extrémité dudit au moins un élément de distribution. Ladite au moins une cavité supplémentaire peut alors accueillir l'intégralité du volume dudit élément de flottaison. Cette solution peut être plus simple à mettre en œuvre mais présente l'inconvénient d'une répartition non uniforme du poids au sein dudit au moins un élément distributeur, ce qui peut nuire au mouvement du système de distribution.
Par ailleurs, pour obtenir une valeur de la masse volumique solide de la partie solide du système de distribution sensiblement égale à la valeur de la masse volumique fluidique de la partie fluidique du système de distribution, il est également possible d'envisager l'intégration d'un matériau de masse volumique variable au niveau d'un élément de distribution, dont les fluctuations seraient proches de celles du fluide caloporteur destiné à être distribué. En particulier, tout ou partie des éléments de distribution peut comporter au moins un matériau de masse volumique variable intégré dans une enveloppe souple permettant sa dilatation et/ou sa rétractation en fonction de la température du fluide caloporteur destiné à être distribué de sorte à modifier la masse volumique totale des éléments de distribution.
De façon préférentielle, ledit au moins un matériau de masse volumique variable est intégré entre une paroi rigide de faible conductivité thermique et une paroi souple de forte conductivité thermique, l'ensemble formant notamment une paroi latérale d'au moins un élément de distribution. En effet, pour que le système de distribution de même masse volumique que le fluide caloporteur distribué puisse flotter continuellement au niveau de la strate thermique cible, il est souhaitable que le transfert thermique soit instantané entre le fluide caloporteur et le matériau de masse volumique variable, ce qui nécessite d'avoir une paroi intérieure souple de conductivité thermique élevée, et que le transfert thermique soit quasiment nul entre le matériau de masse volumique variable et les différentes strates thermiques du réservoir de stockage thermique, ce qui nécessite d'avoir une paroi extérieure rigide de conductivité thermique faible, autrement dit isolante.
Par ailleurs, le système de distribution peut comporter un élément proxima l de distribution pourvu d'un moyen de solidarisation au dispositif de stockage d'énergie thermique, un élément distal de distribution pourvu d'un élément diffuseur de fluide caloporteur, et un ou plusieurs éléments intermédiaires de distribution, les éléments de distribution étant successivement emboîtés les uns dans les autres depuis l'élément proximal de distribution jusqu'à l'élément distal de distribution. Le moyen de solidarisation de l'élément proximal de distribution peut par exemple comporter une pluralité d'orifices de fixation, par exemple par vis, au dispositif de stockage d'énergie thermique, ces orifices étant notamment régulièrement répartis tout autour de l'élément proximal de distribution.
De plus, la section de passage de fluide caloporteur des éléments de distribution peut avantageusement augmenter progressivement depuis l'élément proximal de distribution jusqu'à l'élément distal de distribution du système de distribution.
En particulier, cette augmentation progressive de la section de passage de fluide caloporteur depuis l'élément proximal de distribution vers l'élément distal de distribution peut être obtenue par le biais d'une variation croissante des diamètres des éléments de distribution. Cette variation croissante de section, ou de diamètre, en plus de faciliter et de permettre l'emboîtement des éléments de distribution entre eux, peut aussi permettre de réduire préalablement la vitesse du fluide caloporteur avant son entrée dans un élément diffuseur et sa diffusion dans le réservoir de stockage thermique.
Ainsi, la réduction de vitesse du fluide caloporteur est plus progressive et moins brutale que pour un simple diffuseur tel que connu de l'art antérieur.
L'élément diffuseur de l'élément distal de distribution peut se présenter sous diverses formes. Toutefois, de façon préférentielle, l'élément diffuseur de l'élément distal de distribution peut comporter des moyens de diffusion radiaux de fluide caloporteur.
Ces moyens de diffusion radiaux de fluide caloporteur peuvent préférentiellement être répartis régulièrement sur le pourtour de l'élément distal de distribution. Ils peuvent se présenter sous la forme d'orifices d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur.
De façon avantageuse, l'injection radiale permise par l'élément diffuseur de l'élément distal de distribution permet de réduire la vitesse d'entrée du fluide caloporteur dans le réservoir de stockage thermique.
A titre d'exemple, l'élément diffuseur peut se présenter sous la forme d'un disque percé sur son pourtour d'orifices d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur. Le cas échéant, l'élément diffuseur peut être couplé à des entrées de fluide caloporteur coudées ou en forme de T.
En outre, les éléments de distribution peuvent se présenter sous la forme de tubes cylindriques avec des diamètres différents.
Les longueurs des éléments de distribution peuvent être différentes, mais sont de préférence identiques. De plus, les formes principales des éléments de distribution sont préférentiellement semblables. De même, le ou les matériaux constitutifs des éléments de distribution sont de préférence identiques pour tous les éléments de distribution.
Par ailleurs, l'emboîtement d'un premier élément de distribution dans un deuxième élément de distribution peut être réalisé par la coopération entre une portion distale de forme cylindro-tronconique du premier élément de distribution et une portion proximale de forme tronconique du deuxième élément de distribution, la portion proximale de forme tronconique du deuxième élément de distribution recouvrant la portion distale de forme cylindro-tronconique du premier élément de distribution de sorte à venir en butée l'une contre l'autre lors de l'éloignement par coulissement des premier et deuxième éléments de distribution l'un par rapport à l'autre.
De façon avantageuse, la forme tronconique de la portion proximale du deuxième élément de distribution coopérant avec la forme cylindro-tronconique de la portion distale du premier élément de distribution peut permettre d'empêcher une dislocation des premier et deuxième éléments de distribution l'un par rapport à l'autre, et également de préserver la cohésion globale du système de distribution.
Par ailleurs, de façon avantageuse, les éléments de distribution ne sont pas solidarisés les uns aux autres.
En particulier, il peut exister un faible jeu entre deux éléments de distribution successifs. La présence d'un tel jeu peut en effet permettre d'empêcher tout frottement qui pourrait nuire au déplacement de chaque élément de distribution. Aussi, de façon avantageuse, le seul instant de contact entre deux éléments de distribution successifs est constitué par le contact butée contre butée d'une portion proximale de forme tronconique de l'un des deux éléments de distribution et d'une portion distale de forme conique de l'autre des deux éléments de distribution, telles que décrites précédemment.
En outre, il est à noter que quand bien même la présence d'un tel jeu entre deux éléments de distribution successifs pourrait entraîner une fuite de fluide caloporteur au niveau des jonctions entre éléments de distribution, une telle fuite serait faible et donc admise et tolérée.
Les éléments de distribution peuvent préférentiellement être réalisés à partir d'un ou plusieurs matériaux polymères, notamment choisis parmi : du polycarbonate (PC), du polyamide (PA), du polyoxyméthylène (POM), du polyphényléther (PPE), du polytétrafluoroéthène (PTFE), du polyétheréthercétone (PEEK), du polyéthersulfone (PES), du polysulfone (PSU), du polyéthylènimine (PEI), du polysulfure de phénylène (PPS) et/ou du polyfluorure de vinylidène (PVDF).
En variante, les éléments de distribution peuvent également être réalisés à partir d'un ou plusieurs métaux, par exemple à partir d'aluminium ou d'acier, entre autres.
Néanmoins, le choix des matériaux polymères est privilégié du fait principalement de leur faible conductivité thermique, de leur disponibilité, de leur facilité de mise en forme et de leur faible coût. De plus, les matériaux utilisés doivent préférentiellement pouvoir supporter une contrainte de tenue en température aux environs de 100°C.
En outre, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif de stockage d'énergie thermique, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un réservoir de stockage thermique stratifié comportant un fluide caloporteur pour le stockage d'énergie thermique, et
- un système de distribution de fluide caloporteur tel que défini précédemment, s'étendant à l'intérieur du réservoir de stockage thermique pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur.
De façon préférée, le dispositif de stockage d'énergie thermique selon l'invention est un dispositif de stockage d'énergie thermique par chaleur sensible. De plus, le système de distribution peut être solidarisé à l'une de ses extrémités à une paroi interne du réservoir de stockage thermique, notamment la paroi interne supérieure, l'autre de ses extrémités comportant notamment ledit élément diffuseur de fluide caloporteur.
En outre, le dispositif de stockage d'énergie thermique selon l'invention peut comporter un élément de guidage, traversant l'intérieur des éléments de distribution du système de distribution sur toute sa longueur, étant notamment solidarisé à la paroi interne supérieure du réservoir de stockage thermique et à la paroi interne inférieure du réservoir de stockage thermique.
En particulier, cet élément de guidage peut se présenter sous la forme d'une tige de guidage s'étendant d'une extrémité à l'autre du réservoir de stockage thermique, à savoir de haut en bas. Un tel élément de guidage peut avantageusement permettre au système de distribution de rester stable, et notamment dans en position bien verticale, et également de faciliter le mouvement des éléments de distribution les uns par rapport aux autres.
Par ailleurs, le dispositif de stockage d'énergie thermique selon l'invention peut comporter, à l'intérieur du réservoir de stockage thermique, un premier dispositif d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur fixé à la paroi interne supérieure du réservoir de stockage thermique et un deuxième dispositif d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur fixé à la paroi interne inférieure du réservoir de stockage thermique pour respectivement permettre l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein de la strate thermique supérieure du réservoir de stockage thermique, adjacente à la paroi interne supérieure, et au sein de la strate thermique inférieure du réservoir de stockage thermique, adjacente à la paroi interne inférieure, le système de distribution permettant alors l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein de la ou des strates thermiques intermédiaires du réservoir de stockage thermique.
De façon avantageuse, la présence de tels premier et deuxième dispositifs d'injection et/ou de soutirage à l'intérieur du réservoir de stockage thermique peut permettre d'augmenter la précision de la distribution de fluide caloporteur. Ainsi, au sein du réservoir de stockage thermique, les fluides caloporteurs de températures extrêmes peuvent être en permanence injectés et/ou soutirés par les parties supérieure et inférieure du réservoir de stockage thermique, les fluides caloporteurs de températures intermédiaires pouvant alors être injectés et/ou soutirés par le système de distribution.
De cette façon, il peut être possible de réduire la plage de déplacement du système de distribution et ainsi de réduire davantage une erreur éventuelle de positionnement.
Le fonctionnement du système de distribution et des premier et deuxième dispositifs d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur peut être piloté en température par le biais d'au moins une vanne trois voies, apte à distribuer le fluide caloporteur soit dans le système de distribution, soit dans le premier dispositif d'injection et/ou de soutirage, soit dans le deuxième dispositif d'injection et/ou de soutirage en fonction de la température du fluide caloporteur à distribuer.
De plus, la présence de tels premier et deuxième dispositifs d'injection et/ou de soutirage à l'intérieur du réservoir de stockage thermique peut permettre d'effectuer des opérations d'injection et de soutirage de fluide caloporteur de façon simultanée.
Par ailleurs, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de distribution de fluide caloporteur dans un dispositif de stockage d'énergie thermique, notamment par chaleur sensible, comportant un réservoir de stockage thermique stratifié de fluide caloporteur, pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein du réservoir de stockage thermique, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un système de distribution tel que défini précédemment.
Le procédé de distribution selon l'invention comporte avantageusement l'étape consistant à injecter un fluide caloporteur dans une strate thermique du réservoir de stockage thermique de même température que le fluide caloporteur par le biais du système de distribution, notamment par le biais de l'élément diffuseur de fluide caloporteur.
De plus, le procédé de distribution selon l'invention comporte avantageusement l'étape consistant à soutirer un fluide caloporteur de température prédéterminée depuis une strate thermique du réservoir de stockage thermique de même température que le fluide caloporteur par le biais du système de distribution, notamment par le biais de l'élément diffuseur de fluide caloporteur.
Par ailleurs, le procédé de distribution selon l'invention peut comporter l'étape consistant à déterminer la masse volumique solide de la partie solide du système de distribution, comprenant la pluralité d'éléments de distribution, de façon à être sensiblement égale à la masse volumique fluidique de la partie fluidique du système de distribution, comprenant le fluide caloporteur destiné à être distribué, par injection et/ou soutirage.
Le système de distribution, le dispositif de stockage d'énergie thermique et le procédé de distribution selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente, en perspective, un exemple de système de distribution conforme à l'invention dans une configuration où il est entièrement déployé,
- la figure 2 représente, en perspective, un exemple de dispositif de stockage d'énergie thermique conforme à l'invention comportant le système de distribution de la figure 1, le dispositif de stockage d'énergie thermique étant partiellement représenté en coupe pour visualiser le système de distribution positionné à l'intérieur,
- les figures 3A, 3B et 3C représentent respectivement, en perspective, l'élément proximal de distribution, un élément intermédiaire de distribution et l'élément distal de distribution du système de distribution de la figure 1,
- les figures 4A et 4B représentent respectivement, en perspective, le système de distribution de la figure 1 dans une configuration où il est entièrement rétracté et dans une configuration intermédiaire, partiellement rétracté et partiellement déployé, - la figure 5 représente, en coupe, la configuration permettant l'emboîtement entre deux éléments de distribution du système de distribution de la figure 1,
- la figure 6 représente, en coupe et en perspective, une variante de réalisation d'un élément intermédiaire de distribution d'un système de distribution conforme à l'invention, intégrant un élément de flottaison,
- la figure 7 représente, en coupe et en perspective, une autre variante de réalisation intégrant un élément de guidage au travers d'un système de distribution conforme à l'invention,
- la figure 8 représente encore, en coupe, une autre variante de réalisation d'un élément de distribution d'un système de distribution conforme à l'invention, intégrant un matériau de masse volumique variable,
- la figure 9 représente, en coupe schématique, une variante de réalisation d'un dispositif de stockage d'énergie thermique conforme à l'invention,
- la figure 10 représente, en coupe, un détail agrandi de la configuration permettant l'emboîtement entre deux éléments de distribution d'un système de distribution conforme à l'invention, et
- la figure 11 représente, en coupe et en perspective, un exemple d'élément intermédiaire de distribution d'un système de distribution conforme à l'invention, intégrant un élément de flottaison sur une partie de sa longueur.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS II est à noter que dans tous les exemples de réalisation décrits ci-après en référence aux figures 1 à 11, le système de distribution 1 selon l'invention présente une forme générale de canne de flottaison 1 pourvue d'une pluralité d'éléments de distribution 2a-2e, encore appelés éléments de canne 2a-2e, se présentant sous la forme de tubes cylindriques imbriqués les uns dans les autres, sans solidarisation entre eux de façon à permettre un mouvement global en translation verticale des éléments de canne
2a-2e les uns par rapport aux autres. Ainsi, la canne de flottaison 1 est rétractable.
Par ailleurs, il est également à noter que, de façon avantageuse, la canne de flottaison 1 conforme à l'invention peut permettre d'assurer à la fois la fonction d'injection de fluide caloporteur dans le stockage, soit de l'extérieur vers l'intérieur du stockage, mais également la fonction de soutirage ou prélèvement de fluide caloporteur depuis le stockage, soit de l'intérieur vers l'extérieur du stockage.
En termes d'injection de fluide caloporteur dans le stockage, l'invention vise à permettre une injection du fluide caloporteur de température donnée au sein d'une strate thermique cible de même température. En outre, en termes de soutirage de fluide caloporteur depuis le stockage, l'invention vise à permettre le prélèvement à la température souhaitée tout en conservant la température la plus élevée dans le stockage afin de limiter les pertes exergétiques et de valoriser ultérieurement cette énergie à un niveau de température supérieure. Aussi, l'invention se propose entre autres de permettre un positionnement correct de la canne de flottaison 1 par rapport à une strate thermique préalablement ciblée du réservoir de stockage thermique.
Par ailleurs, dans tous les exemples décrits ci-après, on considère que le fluide caloporteur correspond à de l'eau, et que le stockage d'énergie thermique correspond à du stockage d'énergie thermique par chaleur sensible.
On va tout d'abord décrire, en référence à la figure 1, un exemple de canne de flottaison 1 conforme à l'invention et, en référence à la figure 2, un exemple de dispositif de stockage d'énergie thermique 50 conforme à l'invention comportant une telle canne de flottaison 1.
Comme on peut le voir sur la figure 1, la canne de flottaison 1 se présente sous une forme télescopique permettant son déploiement et sa rétractation en fonction du fluide caloporteur à distribuer. Elle comporte ainsi un ensemble de cinq éléments de canne 2a, 2b, 2c, 2d et 2e imbriqués les uns dans les autres et se translatant verticalement les uns par rapport aux autres.
Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 2, le dispositif de stockage d'énergie thermique 50 comporte un réservoir de stockage thermique 51 stratifié, comprenant une paroi interne supérieure 51a, une paroi interne inférieure 51b, opposée à la paroi interne supérieure 51a, et une paroi interne latérale 51c, le réservoir de stockage thermique 51 contenant un volume V de fluide caloporteur.
Le nombre d'éléments de canne 2a-2e de la canne de flottaison 1 peut être variable, mais doit préférentiellement être suffisant pour permettre à la canne de flottaison 1 de se déployer sur toute la hauteur du réservoir de stockage thermique 51. En outre, les longueurs des éléments de canne 2a-2e peuvent être différentes, mais sont de préférence identiques.
La canne de flottaison 1 comporte plus précisément un élément proximal de canne 2a pourvu d'un moyen de solidarisation 4 permettant la fixation de l'élément proximal de canne 2a à la paroi interne supérieure 51a du réservoir de stockage thermique 51, par exemple par insertion de vis dans une pluralité d'orifices de fixation 4a du moyen de solidarisation 4, régulièrement répartis sur le pourtour d'un disque formant le moyen de solidarisation 4.
De plus, la canne de flottaison 1 comporte un élément distal de canne 2e pourvu d'un élément diffuseur 3 de fluide caloporteur. Cet élément diffuseur 3 se présente par exemple sous la forme d'un disque percé sur son pourtour d'une pluralité d'orifices de distribution 3a, pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur. Ainsi, ces orifices de distribution 3a constituent des moyens de diffusion radiaux de fluide caloporteur, répartis régulièrement sur le pourtour de l'élément distal de canne 2e. De cette façon, lorsque l'élément diffuseur 3 permet une injection radiale de fluide caloporteur, il peut être possible de réduire la vitesse d'entrée du fluide caloporteur dans le réservoir de stockage thermique 51. Le cas échéant, l'élément diffuseur 3 peut être couplé à des entrées de fluide caloporteur coudées ou en forme de T. Il est de plus à noter que, sur la figure 2, les flèches F symbolisent l'injection radiale de fluide caloporteur dans le réservoir de stockage thermique 51 depuis l'élément diffuseur 3 de la canne de flottaison 1.
Par ailleurs, trois éléments intermédiaires de canne 2b, 2c et 2d sont situés entre l'élément proximal de canne 2a et l'élément distal de canne 2e de la canne de flottaison 1. Ces trois éléments intermédiaires de canne 2b, 2c et 2d sont successivement emboîtés les uns dans les autres depuis l'élément proximal de canne 2a jusqu'à l'élément distal de canne 2e.
Les figures 3A, 3B et 3C représentent respectivement, en perspective, l'élément proximal de canne 2a, un élément intermédiaire de canne 2b, à titre d'exemple, parmi les trois éléments intermédiaires de canne 2b, 2c et 2d, et l'élément distal de canne 2e de la canne de flottaison 1.
En outre, les cinq éléments de canne 2a-2e de la canne de flottaison 1 présentent des diamètres différents. En particulier, comme on peut le voir sur la figure 1, la section de passage Sa, Sb, Se, Sd et Se de fluide caloporteur de chaque élément de canne 2a-2e augmente progressivement depuis l'élément proximal de canne 2a jusqu'à l'élément distal de canne 2e de la canne de flottaison 1. L'augmentation progressive de la section de passage de fluide caloporteur dans la canne de flottaison 1 est donc obtenue par le biais d'une variation croissante des diamètres des éléments de canne 2a-2e, laquelle variation, en plus de faciliter et de permettre l'emboîtement des éléments de canne 2a-2e entre eux, permet aussi de réduire préalablement la vitesse du fluide caloporteur avant son entrée dans l'élément diffuseur 3 et sa diffusion dans le réservoir de stockage thermique 51.
Conformément à l'invention, le déplacement des éléments de canne 2a-2e les uns par rapport aux autres permet le déploiement ou la rétractation de la canne de flottaison 1 selon une configuration prédéterminée pour la distribution de fluide caloporteur au sein d'une strate thermique cible du réservoir de stockage thermique 51 de température sensiblement égale à la température du fluide caloporteur destiné à être distribué.
Afin de permettre à l'élément diffuseur 3 d'être situé convenablement en flottaison dans la strate thermique cible où le fluide caloporteur est à la même température que celle du fluide caloporteur à distribuer, c'est-à-dire à injecter et/ou à soutirer, la masse volumique solide ps, ou encore appelée densité volumique de masse, de la partie solide de la canne de flottaison 1, qui comprend les éléments de canne 2a-2e, est sensiblement égale à la masse volumique liquide pi de la partie liquide de la canne de flottaison 1, qui comprend le fluide caloporteur destiné à être distribué au sein de la strate thermique cible.
En effet, l'injection de fluide caloporteur dans une strate thermique cible de température sensiblement égale à la température du fluide caloporteur injecté, ou encore le soutirage de fluide caloporteur depuis une strate thermique cible de température prédéterminée, sont rendus possibles par ce principe de flottaison de l'élément diffuseur 3, formant l'interface de communication fluidique entre le réservoir de stockage thermique 51 et la canne de flottaison 1, au niveau de la strate thermique cible. Ainsi, pour permettre une flottaison de l'élément diffuseur 3 au niveau de la strate thermique cible, la masse volumique solide ps de la canne de flottaison 1 est choisie pour être sensiblement égale à la masse volumique liquide pi de la canne de flottaison 1. De cette façon, la canne de flottaison 1 se déploie et/ou se rétracte, en fonction de la variation de masse volumique, jusqu'à permettre à l'élément diffuseur 3 d'être situé au niveau de la strate thermique cible.
Les figures 4A et 4B représentent par ailleurs respectivement, en perspective, la canne de flottaison 1 de la figure 1 dans une configuration où elle est entièrement rétractée et dans une configuration intermédiaire quelconque, partiellement rétractée et partiellement déployée. Il est ainsi possible de faire varier la position de l'élément diffuseur 3 de l'élément distale de canne 2e en fonction de la strate thermique ciblée dans le réservoir de stockage thermique 51.
En outre, on a représenté sur la figure 5, en coupe, la configuration permettant l'emboîtement entre deux éléments de canne de la canne de flottaison 1 de la figure 1, à savoir ici l'élément intermédiaire de canne 2b et l'élément intermédiaire de canne 2c.
Comme on peut le voir sur cette figure 5, l'emboîtement de l'élément intermédiaire de canne 2b dans l'élément intermédiaire de canne 2c est réalisé par la coopération entre une portion distale de forme cylindro-tronconique 5b de l'élément intermédiaire de canne 2b et une portion proximale de forme tronconique 6c de l'élément intermédiaire de canne 2c. En particulier, la portion proximale de forme tronconique 6c de l'élément intermédiaire de canne 2c recouvre la portion distale de forme cylindro-tronconique 5b de l'élément intermédiaire de canne 2b de sorte à venir en butée l'une contre l'autre lors de l'éloignement par coulissement des éléments intermédiaires de canne 2b et 2c l'un par rapport à l'autre.
Il est à noter également que la figure 3A représente la portion distale de forme cylindro-tronconique 5a de l'élément proximale de canne 2a, que la figure 3B représente la portion proximale de forme tronconique 6b et la portion distale de forme cylindro-tronconique 5b de l'élément intermédiaire de canne 2b, et que la figure 3C représente la portion proximale de forme tronconique 6e de l'élément distal de canne 2e de la canne de flottaison 1.
De façon avantageuse, la forme tronconique des portions proximales des éléments de canne 2a-2e coopérant avec la forme cylindro-tronconique des portions distales des éléments de canne 2a-2e peut permettre d'empêcher une dislocation des éléments de canne 2a-2e les uns par rapport aux autres, et également de préserver la cohésion globale de la canne de flottaison 1.
De plus, comme on peut le voir sur la figure 5, les éléments de canne 2a-2e ne sont pas solidarisés les uns aux autres. En particulier, un faible jeu existe entre deux éléments de canne successifs pour empêcher tout frottement qui pourrait nuire au déplacement de chaque élément de canne.
Par ailleurs, chaque élément de canne 2a-2e peut être réalisé préférentiellement à partir d'un ou plusieurs matériaux polymères, notamment choisis parmi : du polycarbonate (PC), du polyamide (PA), du polyoxyméthylène (POM), du polyphényléther (PPE), du polytétrafluoroéthène (PTFE), du polyétheréthercétone (PEEK), du polyéthersulfone (PES), du polysulfone (PSU), du polyéthylènimine (PEI), du polysulfure de phénylène (PPS) et/ou du polyfluorure de vinylidène (PVDF), entre autres.
En outre, comme indiqué précédemment et de façon conforme à l'invention, afin de pouvoir obtenir une valeur de la masse volumique solide ps de la partie solide de la canne de flottaison 1 sensiblement égale à la valeur de la masse volumique liquide pi de la partie liquide de la canne de flottaison 1, diverses solutions peuvent être prévues.
Tout d'abord, les éléments de canne 2a-2e peuvent être réalisés dans un ou plusieurs matériaux de masse volumique ps sensiblement égale à la masse volumique pi du fluide caloporteur destiné à être distribué. De plus, de tels matériaux sont avantageusement prévus pour supporter des températures élevées, allant notamment jusqu'à 100°C.
Par ailleurs, tout ou partie des éléments de canne 2a-2e peut également comporter au moins un élément de flottaison 7, notamment un flotteur d'air 7, configuré pour conférer à la pluralité d'éléments de canne 2a-2e de la canne de flottaison 1 une masse volumique ps sensiblement égale à la masse volumique pi du fluide caloporteur destiné à être distribué.
Ainsi, la figure 6 représente, en coupe et en perspective, une variante de réalisation de l'élément intermédiaire de canne 2b d'une canne de flottaison 1 conforme à l'invention, qui intègre un tel flotteur d'air 7.
Plus précisément, le flotteur d'air 7 est intégré à l'intérieur de la paroi latérale 8 de l'élément intermédiaire de canne 2b, notamment sur toute la longueur de l'élément intermédiaire de canne 2b.
La présence d'un tel flotteur d'air 7 est notamment requise lorsque le ou les matériaux constitutifs des éléments de canne 2a-2e sont de masse volumique élevée, c'est-à-dire nettement supérieure à la masse volumique du fluide caloporteur destiné à être distribué. De plus, la présence du flotteur d'air 7 au sein de la paroi latérale 8 de l'élément intermédiaire de canne 2b permet d'obtenir une répartition sensiblement uniforme du flotteur d'air 7 et également d'améliorer l'équilibrage de l'élément intermédiaire de canne 2b.
On a en outre représenté sur la figure 7, en coupe et en perspective, une autre variante de réalisation intégrant un élément de guidage 12 au travers d'une canne de flottaison 1 conforme à l'invention.
En effet, afin de permettre à la canne de flottaison 1 de rester stable en position verticale à l'intérieur du réservoir de stockage thermique 51, et également pour faciliter le mouvement des éléments de canne 2a-2e les uns par rapport aux autres, le dispositif de stockage d'énergie thermique 50 peut comporter un tel élément de guidage 12, qui traverse l'intérieur des éléments de canne 2a-2e sur toute la longueur de la canne de flottaison 1. Cet élément de guidage 12 est préférentiellement fixé à la paroi interne supérieure 51a du réservoir de stockage thermique 51 et à la paroi interne inférieure 51b du réservoir de stockage thermique 51. Il se présente en particulier sous la forme d'une tige de guidage 12, s'étendant ainsi d'une extrémité à l'autre du réservoir de stockage thermique 51, à savoir de haut en bas.
Il est par ailleurs à noter que les déplacements verticaux des éléments de canne 2a-2e sont très lents car ils sont fonction de la vitesse d'accroissement de la strate thermique qui est très faible. Aussi, les perturbations de la stratification du réservoir de stockage thermique 51 sont peu affectées par le déplacement de la canne de flottaison 1.
Par ailleurs, pour obtenir une valeur de la masse volumique solide ps de la partie solide de la canne de flottaison 1 sensiblement égale à la valeur de la masse volumique liquide pi de la partie liquide de la canne de flottaison 1, il est également possible d'envisager l'intégration d'un matériau de masse volumique variable au niveau des éléments de canne 2a-2e, dont les fluctuations seraient proches de celles du fluide caloporteur destiné à être distribué.
Ainsi, la figure 8 représente, en coupe, une variante de réalisation de l'élément intermédiaire de canne 2b d'une canne de flottaison 1 conforme à l'invention, intégrant un matériau de masse volumique variable 9.
Plus précisément, le matériau de masse volumique variable 9 est intégré dans une enveloppe souple permettant sa dilatation et/ou sa rétractation en fonction de la température du fluide caloporteur destiné à être distribué de sorte à modifier la masse volumique totale des éléments de canne 2a-2e.
En particulier, ce matériau de masse volumique variable 9 est intégré entre une paroi externe rigide de faible conductivité thermique 10 et une paroi interne souple de forte conductivité thermique 11, l'ensemble formant ainsi une paroi latérale de l'élément intermédiaire de canne 2b.
En effet, pour que la canne de flottaison 1 de même masse volumique que le fluide caloporteur distribué puisse flotter continuellement au niveau de la strate thermique cible, il est souhaitable que le transfert thermique soit instantané entre le fluide caloporteur et le matériau de masse volumique variable 9, ce qui nécessite d'avoir une paroi intérieure souple de conductivité thermique élevée 11, et que le transfert thermique soit quasiment nul entre le matériau de masse volumique variable 9 et les différentes strates thermiques du réservoir de stockage thermique 51, ce qui nécessite d'avoir une paroi extérieure rigide de conductivité thermique faible 10, autrement dit isolante.
On a en outre représenté sur la figure 9, en coupe schématique, une variante de réalisation d'un dispositif de stockage d'énergie thermique 50 conforme à l'invention.
Sur cette figure 9, le dispositif de stockage d'énergie thermique 50 comporte un réservoir de stockage thermique 51 stratifié comprenant trois strates thermiques, à savoir une strate thermique supérieure SI, une strate thermique intermédiaire S2 et une strate thermique inférieure S3, contenant respectivement des fluides caloporteurs à des températures d'environ 100°C, 60°C et 20 °C.
Comme représenté, ce dispositif de stockage d'énergie thermique 50 comporte, à l'intérieur du réservoir de stockage thermique 51, un premier dispositif d'injection et/ou de soutirage 13 de fluide caloporteur fixé à la paroi interne supérieure 51a du réservoir de stockage thermique 51 et un deuxième dispositif d'injection et/ou de soutirage 14 de fluide caloporteur fixé à la paroi interne inférieure 51b du réservoir de stockage thermique 51 pour respectivement permettre l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein de la strate thermique supérieure SI du réservoir de stockage thermique 51, adjacente à la paroi interne supérieure 51a, et au sein de la strate thermique inférieure S3 du réservoir de stockage thermique 51, adjacente à la paroi interne inférieure 51b, la canne de flottaison 1 permettant alors l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein de la strate thermique intermédiaire S2 du réservoir de stockage thermique 51.
Ainsi, de façon avantageuse, la présence de tels premier 13 et deuxième 14 dispositifs d'injection et/ou de soutirage à l'intérieur du réservoir de stockage thermique 51 permet d'augmenter la précision de la distribution de fluide caloporteur.
En effet, au sein du réservoir de stockage thermique 51, les fluides caloporteurs de températures extrêmes 100 °C et 20 °C peuvent être en permanence injectés et/ou soutirés par le haut et le bas du réservoir de stockage thermique 51, le fluide caloporteur de température intermédiaire 60 °C, pouvant alors être injecté et/ou soutiré par la canne de flottaison 1.
De cette façon, il peut être possible de réduire la plage de déplacement de la canne de flottaison 1 et ainsi de réduire davantage une erreur éventuelle de positionnement.
Il est par ailleurs à noter qu'au lieu d'une seule strate thermique intermédiaire S2, il pourrait y avoir une pluralité de strates thermiques intermédiaires au niveau desquelles se déplace la canne de flottaison 1, présentant des températures de fluide caloporteur comprises entre environ 30 et 80 °C.
De plus, le fonctionnement de la canne de flottaison 1 et des premier 13 et deuxième 14 dispositifs d'injection et/ou de soutirage de fluide caloporteur peut être piloté en température par le biais d'au moins une vanne trois voies, apte à distribuer le fluide caloporteur soit dans la canne de flottaison 1, soit dans le premier dispositif d'injection et/ou de soutirage 13, soit dans le deuxième dispositif d'injection et/ou de soutirage 14 en fonction de la température du fluide caloporteur à distribuer. Grâce à ces premier 13 et deuxième 14 dispositifs d'injection et/ou de soutirage, des opérations simultanées d'injection et de soutirage de fluide caloporteur peuvent également être réalisées.
On va maintenant décrire ci-après deux exemples de dimensionnement d'une canne de flottaison 1 et d'un dispositif de stockage d'énergie thermique 50 conformes à l'invention.
En particulier, ces deux exemples se différencient par la présence ou non de flotteurs d'air 7 au niveau de chaque élément de canne de la canne de flottaison 1.
Toutefois, pour chaque exemple, on considère que le dispositif de stockage d'énergie thermique 50 comporte un réservoir cylindrique de stockage thermique 51 présentant une hauteur d'environ 10 m et un diamètre d'environ 20 m. De plus, le volume effectif de stockage est d'environ 3142 m3, le débit de distribution de fluide caloporteur, par injection/soutirage, est d'environ 86,4 m3/h (ou encore 24 kg/s), la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur au sein de la canne de flottaison 1 est d'environ 1 m/s et la vitesse d'injection/soutirage du fluide caloporteur dans/depuis le réservoir de stockage thermique 51 est d'environ 0,1 m/s.
On considère en outre, pour chaque exemple, que la canne de flottaison 1 comporte six éléments de canne 2a-2f, l'élément distal de canne 2f comprenant l'élément diffuseur 3. Les six éléments de canne 2a-2f présentent tous la même longueur, d'environ 1,5 m, ce qui permet à l'élément diffuseur 3 d'atteindre toutes les positions situées entre 1,5 m (canne de flottaison 1 totalement rétractée) et 9 m de profondeur (canne de flottaison 1 totalement déployée), de sorte à balayer l'essentiel de la hauteur du réservoir de stockage thermique 51.
Le principe de dimensionnement concerne notamment la détermination des diamètres des éléments de canne 2a-2f, ainsi que la longueur de flotteur d'air à intégrer dans la canne de flottaison 1, notamment au niveau des éléments de canne 2a-2f.
Exemple 1 : présence de flotteurs d'air
Dans ce premier exemple, on considère que les six éléments de canne 2a-2f intègrent des flotteurs d'air 7, tels que décrits précédemment. La pluralité des flotteurs d'air 7 forme le flotteur d'air global de la canne de flottaison 1.
Les débits et vitesses d'écoulement de fluide caloporteur conditionnent les diamètres des six éléments de canne 2a-2f.
Dans le tableau ci-dessous, les vitesses d'écoulement de fluide caloporteur et les diamètres intérieurs des six éléments de canne 2a-2f ont été calculés, en considérant que l'élément de canne 2a correspond à l'élément proximale de canne, que l'élément de canne 2f correspond à l'élément distal de canne et que les éléments de canne 2b, 2c, 2d, 2e correspondent aux éléments intermédiaires de canne.
élément élément élément élément élément élément
2a 2b 2c 2d 2e 2f
Diamètre intérieur de 176 256 336 416 496 576 l'élément (mm)
Vitesse d'écoulement du 1 0,47 0,27 0,18 0,13 0,09 fluide caloporteur (m/s) Plus précisément, le diamètre du premier élément proximal de canne 2a a été calculé pour satisfaire les contraintes en débits et vitesses d'écoulement. Les autres diamètres des autres éléments de canne 2b-2f ont été calculés à partir du diamètre du premier élément proximal de canne 2a en ajoutant pour chaque élément de canne une distance correspondante à la somme de l'épaisseur Ec de l'élément de canne et de l'épaisseur Eb supplémentaire engendrée par la forme cylindro-tronconique à l'extrémité distale de l'élément de canne pour permettre l'arrivée en butée.
La figure 10 représente, en coupe, un détail agrandi de la configuration permettant l'emboîtement entre, par exemple, l'élément intermédiaire de canne 2b et l'élément intermédiaire de canne 2c. Sur cette figure 10, on peut visualiser l'épaisseur Ec de l'élément intermédiaire de canne 2b et l'épaisseur Eb due à la présence de la portion distale de forme cylindro-tronconique 5b de l'élément intermédiaire de canne 2b.
Ainsi, chaque diamètre d'élément de canne peut être déterminé par la relation suivante : D, = D,-i + 2 x (Eb + Ec).
Dans l'exemple considéré, on estime que l'épaisseur Eb est égale à l'épaisseur
Ec, égale à environ 20 mm.
Par ailleurs, afin de régler la masse volumique de chaque élément de canne 2a-2f à la masse volumique du fluide caloporteur, soit la masse volumique de l'eau à une température donnée, plusieurs possibilités sont envisageables.
De façon préférentielle, on intègre le flotteur d'air 7 entièrement dans la paroi latérale d'un élément de canne avec une épaisseur fixe, et on joue sur la longueur L du flotteur d'air 7 pour régler le volume de celui-ci.
La figure 11 représente ainsi, en coupe et en perspective, l'élément intermédiaire de canne 2b, intégrant un flotteur d'air 7 de longueur L sur une partie de sa longueur totale H.
On considère, dans cet exemple, que l'épaisseur de paroi latérale totale etot de l'élément intermédiaire de canne 2b est d'environ 20 mm, et que l'épaisseur ef du flotteur d'air 7 est d'environ 10 mm. Par ailleurs, le matériau sélectionné pour la réalisation des éléments de canne 2a-2f est le polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec une température de ramollissement d'environ 132 °C et une masse volumique d'environ 1780 kg/m3.
On peut déterminer la longueur du flotteur d'air 7 à intégrer par un calcul d'équilibre entre le poids de l'élément de canne 2b et la poussée d'Archimède, obtenant ainsi la relation suivante :
L = [H X etot (PPVDF - Peau X°c)] / (θί X Peau X°c),
où :
- PPVDF représente la masse volumique du polyfluorure de vinylidène, et
- Peau x°c représente la masse volumique de l'eau à X °C, X étant un nombre.
De cette façon, on obtient alors le tableau ci-dessous donnant la longueur L du flotteur d'air 7 intégré dans un élément de canne de longueur totale H, lorsque l'on considère des températures de fluide caloporteur (de l'eau) à 40 °C, 60 °C et 80 °C.
Figure imgf000034_0001
Par ailleurs, l'élément diffuseur 3 peut quant à lui être sous la forme d'un disque de diamètre égal à environ 800 mm, et être percé de 8 trous d'environ 200 mm de diamètre, espacés d'environ 300 mm permettant une injection/soutirage d'eau à une vitesse d'environ 0,1 m/s.
Exemple 2 : absence de flotteurs d'air
Dans ce deuxième exemple, on considère que les six éléments de canne 2a-2f sont dépourvus de flotteurs d'air 7, tels que décrits précédemment.
Dans ce cas, les masses volumiques des éléments de canne 2a-2f doivent être déterminées de façon précise pour permettre la flottaison voulue de l'élément diffuseur 3 au niveau d'une strate thermique cible.
Le tableau ci-dessous donne les masses volumiques des éléments de canne 2a-2f, et le total donne la masse volumique de la canne de flottaison 1, lorsque celle-ci est composée : - d'une partie solide comprenant les éléments de canne 2a-2f de la canne de flottaison 1 réalisés dans un matériau ayant une masse volumique proche de celle de l'eau, notamment le Rilsan® de la société Arkema de masse volumique égale à 1030 kg/m3 ; de plus, l'épaisseur etot de paroi des éléments de canne 2a-2f est considérée égale à environ 2 mm ;
- d'une partie liquide comprenant l'eau contenue dans la canne de flottaison 1 ; on considère en particulier que l'eau est injectée à 60 °C et présente une masse volumique d'environ 983,2 kg/m3.
Autrement dit, les paramètres de calcul sont tels que : ps = 1030 kg/m3, pi = 983,2 kg/m3 et également H = 1,5 m.
Figure imgf000035_0001
Les résultats montrent que, dans ces conditions, la masse volumique de la canne de flottaison 1, égale à 984,1 kg/m3, est très proche de la masse volumique de l'eau injectée, égale à 983,2 kg/m3.
En réalité, l'écarté de masse volumique, égal à 0,9 kg/m3, correspond à un écart de température de 1,5 °C, ce qui reste donc une erreur faible.
Cependant, ce calcul précédent est réalisé en considérant une canne de flottaison 1 complètement dépliée pour une configuration où la strate thermique cible, de température égale à 60 °C et de masse volumique égale à 983,2 kg/m3, est située en fond de réservoir de stockage thermique 51. Or, la canne de flottaison 1 doit pouvoir distribuer l'eau dans la strate thermique cible quelle que soit sa position dans le réservoir de stockage thermique 51.
Toutefois, lorsque la canne de flottaison 1 est repliée, alors elle contient moins de fluide caloporteur, c'est-à-dire moins de liquide. L'influence de la partie solide sur la masse volumique de l'ensemble devient donc plus importante.
Par exemple, dans le cas extrême où la canne de flottaison 1 est totalement repliée, alors la partie débitante de la canne de flottaison 1 est réduite à l'élément proximal de canne 2a. Par contre, le volume solide est celui de la canne de flottaison 1 dans sa totalité et correspond donc à la somme des volumes solides de chaque élément de canne 2a-2f. Partant de cet exemple, le tableau ci-dessous permet d'obtenir la masse volumique de la canne de flottaison 1.
Figure imgf000036_0001
Aussi, il est important de noter que la masse volumique de la canne de flottaison 1 dépend de la quantité d'eau à distribuer contenue dans celle-ci, et par conséquent de son état de déploiement.
Le tableau ci-dessous met en évidence les différences entre la masse volumique du liquide à distribuer et la masse volumique de la canne de flottaison 1 lorsque celle-ci est complètement dépliée et complètement rétractée. On utilise par ailleurs comme paramètres cinq masses volumiques solides ps différentes et quatre masses volumiques liquides pi différentes.
Canne de flottaison dépliée Canne de flottaison rétractée
Masse volumique Masse volumique Masse volumique Différence Masse volumique Différence solide ps (kg/m3) liquide pi (kg/ m3) canne dépliée pSd (psd - Pi) canne rétractée pSd (psd - Pi)
(kg/m3) (kg/m3) (kg/m3) (kg/m3)
1030 983,2 984,1 0,9 1000,5 17,3
1030 977,9 978,9 1 997,1 19,2
1030 972 973,1 1,1 993,4 21,4
1030 965 966,2 1,2 989 24
983,2 983,2 983,2 0 983,2 0
983,2 977,9 978 0,1 979,9 2
983,2 972 972,2 0,2 976,1 4,1
983,2 965 965,3 0,3 971,7 6,7
977,9 983,1 983,1 -0,1 981,2 -2
977,9 977,9 977,9 0 977,9 0
977,9 972,1 972,1 0,1 974,2 2,2
977,9 965,2 965,2 0,2 969,8 4,8
972 983 983 -0,2 979,1 -4,1
972 977,8 977,8 -0,1 975,7 -2,2
972 972 972 0 972 0
972 965,1 965,1 0,1 967,6 2,6
965 982,9 982,9 -0,3 976,5 -6,7
965 977,7 977,7 -0,2 973,1 -4,8
965 971,9 971,9 -0,1 969,4 -2,6
965 965 965 0 965 0
Ainsi, les écarts de masse volumique entre le liquide et la canne de flottaison 1 sont négligeables en position dépliée alors qu'ils sont plus importants en position rétractée. Ces écarts sont de plus négatifs pour les faibles masses volumiques solides et positifs pour les fortes masses volumiques solides. Cette particularité peut ainsi offrir une large possibilité d'optimisation de fonctionnement de la canne de flottaison 1.
Ainsi, le choix de la masse volumique de la partie solide de la canne de flottaison 1 est stratégique pour ajuster le fonctionnement de la canne de flottaison 1 quel que soit son état de déploiement. L'optimisation de cet ajustage peut notamment se faire par expérimentation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de distribution (1) de fluide caloporteur pour un dispositif de stockage d'énergie thermique (50) comportant un réservoir de stockage thermique (51) stratifié de fluide caloporteur, pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein du réservoir de stockage thermique (51),
caractérisé en ce qu'il se présente sous une forme télescopique, comportant une pluralité d'éléments de distribution (2a-2e) emboîtés les uns dans les autres et coulissant les uns par rapport aux autres, pour permettre le déploiement et/ou la rétractation du système de distribution (1) selon une configuration prédéterminée pour la distribution de fluide caloporteur au sein d'une strate thermique cible du réservoir de stockage thermique (51) de température sensiblement égale à la température du fluide caloporteur destiné à être distribué, au moins l'un (2e) des éléments de distribution (2a-2e) comportant un élément diffuseur (3) de fluide caloporteur,
et en ce que la masse volumique solide (ps) de la partie solide du système de distribution (1), comprenant la pluralité d'éléments de distribution (2a-2e), est sensiblement égale à la masse volumique fluidique (pi) de la partie fluidique du système de distribution (1), comprenant le fluide caloporteur destiné à être distribué au sein de ladite strate thermique cible, par injection et/ou soutirage, pour permettre la flottaison dudit élément diffuseur (3) au niveau de ladite strate thermique cible.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité d'éléments de distribution (2a-2e) est réalisée dans un ou plusieurs matériaux de masse volumique (ps) sensiblement égale à la masse volumique (pi) du fluide caloporteur destiné à être distribué.
3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que tout ou partie des éléments de distribution (2a-2e) comporte au moins un élément de flottaison (7), notamment un flotteur d'air (7), configuré pour conférer à la pluralité d'éléments de distribution (2a-2e) du système de distribution (1) une masse volumique (ps) sensiblement égale à la masse volumique (pi) du fluide caloporteur destiné à être distribué.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de flottaison (7) est intégré à l'intérieur d'une paroi latérale (8) d'au moins un élément de distribution (2a-2e).
5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie des éléments de distribution (2a-2e) comporte au moins un matériau de masse volumique variable (9) intégré dans une enveloppe souple permettant sa dilatation et/ou sa rétractation en fonction de la température du fluide caloporteur destiné à être distribué de sorte à modifier la masse volumique totale des éléments de distribution (2a-2e).
6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un élément proximal de distribution (2a) pourvu d'un moyen de solidarisation (4) au dispositif de stockage d'énergie thermique (50), un élément distal de distribution (2e) pourvu d'un élément diffuseur (3) de fluide caloporteur, et un ou plusieurs éléments intermédiaires de distribution (2b, 2c, 2d), les éléments de distribution (2a-2e) étant successivement emboîtés les uns dans les autres depuis l'élément proximal de distribution (2a) jusqu'à l'élément distal de distribution (2e).
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section de passage (Sa-Se) de fluide caloporteur des éléments de distribution (2a-2e) augmente progressivement depuis l'élément proximal de distribution (2a) jusqu'à l'élément distal de distribution (2e) du système de distribution (1).
8. Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'élément diffuseur (3) de l'élément distal de distribution (2e) comporte des moyens de diffusion radiaux (3a) de fluide caloporteur.
9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de distribution (2a-2e) se présentent sous la forme de tubes cylindriques avec des diamètres différents.
10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'emboîtement d'un premier élément de distribution (2b) dans un deuxième élément de distribution (2c) est réalisé par la coopération entre une portion distale de forme cylindro-tronconique (5b) du premier élément de distribution (2b) et une portion proximale de forme tronconique (6c) du deuxième élément de distribution (2c), la portion proximale de forme tronconique (6c) du deuxième élément de distribution (2c) recouvrant la portion distale de forme cylindro-tronconique (5b) du premier élément de distribution (2b) de sorte à venir en butée l'une contre l'autre lors de l'éloignement par coulissement des premier (2b) et deuxième (2c) éléments de distribution l'un par rapport à l'autre.
11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de distribution (2a-2e) ne sont pas solidarisés les uns aux autres.
12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de distribution (2a-2e) sont réalisés à partir d'un ou plusieurs matériaux polymères, notamment choisis parmi : du polycarbonate (PC), du polyamide (PA), du polyoxyméthylène (POM), du polyphényléther (PPE), du polytétrafluoroéthène (PTFE), du polyétheréthercétone (PEEK), du polyéthersulfone (PES), du polysulfone (PSU), du polyéthylènimine (PEI), du polysulfure de phénylène (PPS) et/ou du polyfluorure de vinylidène (PVDF).
13. Dispositif de stockage d'énergie thermique (50), caractérisé en ce qu'il comporte : - un réservoir de stockage thermique (51) stratifié comportant un fluide caloporteur pour le stockage d'énergie thermique, et
- un système de distribution (1) de fluide caloporteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, s'étendant à l'intérieur du réservoir de stockage thermique (51) pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est un dispositif de stockage d'énergie thermique par chaleur sensible.
15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le système de distribution (1) est solidarisé à l'une de ses extrémités à une paroi interne (51a) du réservoir de stockage thermique (51), notamment la paroi interne supérieure (51a), l'autre de ses extrémités comportant notamment ledit élément diffuseur (3) de fluide caloporteur.
16. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de guidage (12), traversant l'intérieur des éléments de distribution (2a-2e) du système de distribution (1) sur toute sa longueur, étant notamment solidarisé à la paroi interne supérieure (51a) du réservoir de stockage thermique (51) et à la paroi interne inférieure (51b) du réservoir de stockage thermique (51).
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, à l'intérieur du réservoir de stockage thermique (51), un premier dispositif d'injection et/ou de soutirage (13) de fluide caloporteur fixé à la paroi interne supérieure (51a) du réservoir de stockage thermique (51) et un deuxième dispositif d'injection et/ou de soutirage (14) de fluide caloporteur fixé à la paroi interne inférieure (51b) du réservoir de stockage thermique (51) pour respectivement permettre l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein de la strate thermique supérieure (SI) du réservoir de stockage thermique (51), adjacente à la paroi interne supérieure (51a), et au sein de la strate thermique inférieure (S3) du réservoir de stockage thermique (51), adjacente à la paroi interne inférieure (51b), le système de distribution (1) permettant alors l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein de la ou des strates thermiques intermédiaires (S2) du réservoir de stockage thermique (51).
18. Procédé de distribution de fluide caloporteur dans un dispositif de stockage d'énergie thermique (50), comportant un réservoir de stockage thermique (51) stratifié de fluide caloporteur, pour l'injection et/ou le soutirage de fluide caloporteur au sein du réservoir de stockage thermique (51), caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un système de distribution (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à injecter un fluide caloporteur dans une strate thermique du réservoir de stockage thermique de même température que le fluide caloporteur par le biais du système de distribution (1), notamment par le biais de l'élément diffuseur (3) de fluide caloporteur.
20. Procédé selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à soutirer un fluide caloporteur de température prédéterminée depuis une strate thermique du réservoir de stockage thermique de même température que le fluide caloporteur par le biais du système de distribution (1), notamment par le biais de l'élément diffuseur (3) de fluide caloporteur.
21. Procédé selon l'une des revendications 18 à 20, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à déterminer la masse volumique solide (ps) de la partie solide du système de distribution (1), comprenant la pluralité d'éléments de distribution (2a-2e), de façon à être sensiblement égale à la masse volumique fluidique (pi) de la partie fluidique du système de distribution (1), comprenant le fluide caloporteur destiné à être distribué, par injection et/ou soutirage.
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