Energy Storage & Conversion : Waste Heat Recovery in Microgrids by a free piston stirling engine - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Energy Storage & Conversion : Waste Heat Recovery in Microgrids by a free piston stirling engine

Stockage d’énergie et conversion : récupération de la chaleur fatale dans les microgrids par un moteur stirling à piston libre

Abstract

In this study, a combined system of an FPSE and a PMLSM is investigated. First, a linear model (an already developed model in literature) and a nonlinear model (a new applied model in the present study) of the FPSE are developed, and the results of these models are compared. Then the most suitable model for the study, is chosen. It is shown that the linear model cannot identify the realistic behavior of the FPSE; thus, the nonlinear one should be used. After that, the nonlinear FPSE model is validated with available experimental results. After validating the FPSE model, two scenarios, including a decoupled one (an already existed one in literature) and a coupled one (a newly introduced method in the present study), are considered to study the enthalpy pumping loss on the FPSE system. Then the best scenario for the enthalpy pumping, which is the coupled one, is chosen based on the results. After that, the FPSE system is coupled with the presented PMLSM model. In order to combine the thermodynamic model of the FPSE and the electrodynamic model of the PMLSM, their dynamic equations are combined. Then, the thermo-electro-dynamic equations are solved, and the coupled system is controlled in MATLAB Simulink®. Controlling such a system makes it possible to avoid conditions leading to FPSE instability. Moreover, it is feasible to control the system in transient operating modes to get the best performance. After combining FPSE with PMLSM, two control methods are introduced, and their results are compared. These control methods are based on identifying the reference parameters. Then, an application of such a system is presented. This system is used as a waste heat recovery in a tri-generation system. The power source of this tri-generation system is a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) which is combined with a Double Effect Absorption Chiller (DEACH) for cooling production and a heat exchanger for providing the thermal needs. Finally, a study of the sensitivity to the parameters of such a system is performed. Using this analysis provides information concerning the sensitivity of such a system to different parameters.
Dans cette étude, un système combiné d'un moteur Striling à piston libre (MSPL) et d'un Moteur linéaire synchrone à aimants permanents (MLSAP) est étudié. Tout d'abord, un modèle linéaire (un modèle déjà développé dans la littérature) et un modèle non linéaire (un nouveau modèle appliqué dans la présente étude) du MSPL sont développés, et les résultats de ces modèles sont comparés. Ensuite, le meilleur modèle, qui est adapté à la présente étude, est choisi. Il est démontré que le modèle linéaire ne peut pas identifier le comportement réaliste de l'MSPL ; par conséquent, le modèle non linéaire devrait être utilisé. Ensuite, le modèle non linéaire de l'MSPL est validé avec les résultats expérimentaux disponibles. Après avoir validé le modèle MSPL, deux scénarios, dont un découplé (déjà existant dans la littérature) et un couplé (une méthode nouvellement introduite dans cette étude), sont considérés pour étudier la perte par pompage enthalpique sur le système MSPL. Ensuite, le meilleur scénario pour le pompage d'enthalpie, qui est le scénario couplé, est choisi sur la base des résultats. Après cela, le système MSPL est couplé avec le modèle MLSAP présenté. Afin de combiner le modèle thermodynamique du MSPL et le modèle électrodynamique du MLSAP, leurs équations dynamiques sont combinées. Ensuite, les équations thermo-électro-dynamiques sont résolues, et le système couplé est contrôlé dans MATLAB Simulink®. Le contrôle d'un tel système permet d'éviter les conditions conduisant à l'instabilité de l'MSPL. De plus, il est possible de contrôler le système dans des modes de fonctionnement transitoires pour obtenir les meilleures performances. Après avoir combiné MSPL avec MLSAP, deux méthodes de contrôle des performances sont introduites, et leurs résultats sont comparés. Ces méthodes de contrôle sont basées sur l'identification des paramètres de référence. Enfin, pour montrer l'application d'un tel système, il est utilisé comme une récupération de chaleur dans un système de tri-génération. La source d'énergie de ce système de tri-génération est une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) qui est combinée avec un refroidisseur à absorption à double effet (DEACH) pour la production de froid et un échangeur de chaleur pour fournir les besoins thermiques. De plus, une étude de sensibilité est réalisée sur le système combiné MSPL-MLSAP. L'utilisation de cette analyse de sensibilité fournit des informations concernant la sensibilité d'un tel système à différents paramètres.

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Electric power
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Dates and versions

tel-03553021 , version 1 (02-02-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03553021 , version 1

Cite

Mahdi Majidniya. Energy Storage & Conversion : Waste Heat Recovery in Microgrids by a free piston stirling engine. Electric power. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0206⟩. ⟨tel-03553021⟩
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