L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

Translate this page in english

Systèmes Energétiques et Décarbonés (SEED)
Edition 2012


MISTIC


Micro générateurs Stirling pour la récupération d’énergie thermique basse température

Micro générateurs Stirling pour la récupération d’énergie thermique basse température
L’objectif du projet est le développement d’une nouvelle technologie pour la valorisation de l’énergie thermique perdue, à basse température, dans les procédés industriels. L’axe choisi consiste en la mise en œuvre de clusters de micromachines de Stirling. La technologie de base est un moteur de Stirling multi-phase intégrant un convertisseur piézoélectrique. Sa fabrication exploite les procédés d’usinage MEMS et d’assemblage collectif afin de réduire le coût par Watt électrique produit.

Modélisation globale et identification des orientations technologiques pour la réalisation
Les travaux menés durant les 6 premiers mois ont été consacrés à la modélisation et à l’identification des stratégies de réalisation prioritaires.
L’enjeu de la modélisation consiste à élaborer un outil de modélisation représentatif pour la conception d’une micromachine. Compte tenu des couplages forts entre les différentes physiques mises en jeu (thermodynamique, thermique, dynamique) une approche système est adoptée.
En ce qui concerne la fabrication, a ce stade du projet, il s’agit d’identifier puis de valider les étapes de réalisation critiques. Ainsi, les stratégies d’obtention des membranes hybrides (film mince, ressort planaire, fluide sur support isolant) a-t-il été au cœur des travaux : choix des matériaux et procédés.

Modélisation et confrontation modèles/essais sur un moteur de Stirling centimétrique instrumenté
Un moteur Stirling a été réalisé au laboratoire SYMME. De taille centimétrique, cette machine fonctionne selon les principes qui seront utilisés dans la micromachine : Stirling multi-phase, utilisation de membranes à la place de pistons, fonctionnement basse température.
Ainsi, les modèles développés peuvent-ils être confrontés et validés grâce aux résultats expérimentaux obtenus sur la machine de Stirling centimétrique instrumentée.

Résultats

Un outil de conception basé sur une analogie fluide/électrique a été proposé et validé par rapport aux résultats expérimentaux.
Dans le cas de membranes hybrides de dimensions millimétriques, des essais sont en cours. L’objectif est la validation des modèles de dimensionnement «fluide-structure« spécifiques ainsi que la mise au point des procédures de remplissage et d’assemblage des structures.
Le montage de deux ½ structures en immersion est validé. L’importance de l’étanchéité ainsi que le contrôle des effets de tension des membranes ont été mis en évidence dans le cas de membrane plane en kapton® sans ressort planaire.

Perspectives

Etant donné les dimensions de la micromachine envisagée, l’ajout d’une instrumentation complète n’est pas réaliste et peut même être la cause du non-fonctionnement. L’instrumentation est un des éléments déterminant pour la compréhension et l’optimisation des machines. Ainsi, une machine «millimétrique« instrumentée sera réalisée. Ces dimensions ont été prédéfinies et son architecture est pertinente vis-à-vis de la micromachine pour laquelle les résultats obtenus pourront être étendues.

Productions scientifiques et brevets

F. Formosa, A. Badel, J. Lottin, “Equivalent electrical network model approach applied to a double acting low temperature differential Stirling engine” Energy Conversion and Management, soumis le 28/05/2013

Partenaires

FEMTO-ST Institut FEMTO-ST, Département Energie, Belfort

SYMME Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique

UMI-LN2 Laboratoire Nanotechnologies et Nanosystèmes

Aide de l'ANR 927 760 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 42 mois

Résumé de soumission

Le projet vise à développer une technologie clé pour la récupération d’énergie thermique perdue dans les procédés industriels. Leur efficacité globale pourrait alors être améliorée en convertissant la chaleur perdue en électricité. La stratégie choisie ici consiste à mettre en œuvre, de manière collective, des machines de Stirling miniatures.

La base de la technologie est une machine de Stirling multi-phases à membranes piézoélectriques intelligentes. Celle-ci est obtenue par des procédés de fabrication collective : usinage MEMS, assemblage et technologie film minces.
Les performances attendues permettent la conversion en électricité d’une large partie de la chaleur perdue. La pertinence du choix du cycle de Stirling pour un générateur miniaturisé a été démontrée et les technologies sous-jacentes à sa réalisation sont disponibles au travers des équipements et capacités des partenaires du projet.

Ce programme de travail de 42 mois vise à démontrer le fonctionnement et définir le potentiel des grappes de MIcro-STIrling Combinés (MISTIC) pour la valorisation d’énergie thermique. Les travaux seront centrés sur le développement de prototypes d’essai de générateurs Stirling miniatures et incluront des études théoriques et expérimentales des comportements thermiques, de structures et fluides. Les partenaires du projet : le laboratoire SYMME de l’Université de Savoie, l’institut FEMTO-ST et le laboratoire international CNRS/UMI-LN2 ont démontré les compétences et savoirs requis pour mener à bien les travaux et atteindre les objectifs. Le projet bénéficiera également de l’expertise du département de génie mécanique de l’Université McGill en ce qui concerne particulièrement les procédés de réalisation MEMS, la modélisation et la caractérisation.

Nécessitant une approche pluridisciplinaire, les tâches comprennent notamment : 1) le développement de structures à forte résistance thermique pour les microsystèmes ; 2) Le développement et la caractérisation de membranes piézoélectriques intelligentes ; 3) L’optimisation de régénérateur pour machine de Stirling ; 4) La démonstration du fonctionnement de générateurs Stirling multi-phase ; 5) L’analyse et le choix d’applications industrielles potentielles.
Dès lors, ce projet se traduira par des avancées significatives à la fois en thermique appliquée et microsystèmes de puissance (Power MEMS) et dans les domaines de la modélisation et l’optimisation des transferts thermiques.

 

Programme ANR : Systèmes Energétiques et Décarbonés (SEED) 2012

Référence projet : ANR-12-SEED-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Fabien FORMOSA (Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique)
fabien.formosa@nulluniv-savoie.fr

 

Revenir à la page précédente

 

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.