Optimisation du stockage de chaleur par la technologie thermocline

It has received an increasing attention because integrated TES systems can largely enhance the reliability and the dispatchability. Low-cost single storage tank based on the thermocline technology becomes an alternative to commonly used two-tank system. However, the improper inlet/outlet manifolds may cause the strong mixing of hot and cold fluids and disturb the temperature stratification, resulting in reduced thermal performances of the storage tank. An original CFD-based optimization algorithm is developed to determine the optimal flow distribution and restricted thermocline propagation manner using a SMT tank at high temperature as an example. A practical method for homogenizing residence times of the thermal front in order to flatten the thermocline zone is proposed, based on the insertion of a geometrically optimized perforated. The feasibility of optimization algorithm is then validated experimentally by testing of a lab-scale cylinder SMT storage tank at low temperature, by measuring the local temperature evolutions of the fluid during both the charging and discharging operations. Results show that optimized Ringopening plate distributors can siginificantly imporve the energy and exergy efficiencies under large range of operating conditions.After that, the mechanism of dynamic mixing and the jet entrainment phenomenon are particularly addressed by measuring the flow profiles inside a rectangular SMT tank using Particle Image Velocimetry (PIV) method. The local competing relation between the convection and diffusion heat transfer mechanisms on the degradation of temperature stratification is particularly explored.Le stockage d’énergie thermique par la technologie thermocline est intéressant par son faible coût. Cependant, l'entrée / sortie inappropriés peuvent provoquer un fort mélange de fluides chauds et froids et perturber la stratification de la température, entraînant des réductions de performances. L'objectif de la thèse est d’optimiser la conception de stockage thermocline avec un haut rendement énergétique et une bonne qualité de stratification thermique par diffuseurs de fluide optimisés. Un algorithme d'optimisation original basé sur CFD est développé pour déterminer la distribution optimale de vitesse et la manière de propagation de la thermocline dans un réservoir sans garnissage (SMT). Une méthode pratique d'homogénéisation les temps de séjour du front thermique pour aplatir la zone thermocline est a été proposé, basé sur l'insertion d'un plaque perforé optimisé. Les résultats obtenus par l'algorithme d'optimisation sont ensuite validés expérimentalement avec un ballon de stockage SMT à l'échelle du laboratoire, en mesurant les évolutions locales de température du fluide lors des opérations de charge et de décharge. Les résultats montrent que notre distributeur à ouverture annulaire optimisé pourrait considérablement améliorer l'efficacités énergétique et exergétique dans une large plage de conditions d'opération. Après cela, le mécanisme de mélange dynamique et le phénomène d'entraînement du jet sont particulièrement étudiés par mesures des profils d'écoulement à l'intérieur d'un SMT rectangulaire en utilisant la méthode de vélocimétrie d'image de particules (PIV). La relation concurrente locale entre les mécanismes de transfert de chaleur par convection et de diffusion sur la dégradation de la stratification de température est particulièrement explorée

Optimization of thermal energy storage by the thermocline technology

Le stockage d’énergie thermique par la technologie thermocline est intéressant par son faible coût. Cependant, l'entrée / sortie inappropriés peuvent provoquer un fort mélange de fluides chauds et froids et perturber la stratification de la température, entraînant des réductions de performances. L'objectif de la thèse est d’optimiser la conception de stockage thermocline avec un haut rendement énergétique et une bonne qualité de stratification thermique par diffuseurs de fluide optimisés. Un algorithme d'optimisation original basé sur CFD est développé pour déterminer la distribution optimale de vitesse et la manière de propagation de la thermocline dans un réservoir sans garnissage (SMT). Une méthode pratique d'homogénéisation les temps de séjour du front thermique pour aplatir la zone thermoclineest a été proposé, basé sur l'insertion d'un plaque perforé optimisé. Les résultats obtenus par l'algorithme d'optimisation sont ensuite validés expérimentalement avec un ballon de stockage SMT à l'échelle du laboratoire, en mesurant les évolutions locales de température du fluide lors des opérations de charge et de décharge. Les résultats montrent que notre distributeur à ouverture annulaire optimisé pourrait considérablement améliorer l’efficacité énergétique et exergétique dans une large plage de conditions d'opération. Après cela, le mécanisme de mélange dynamique et le phénomène d'entraînement du jet sont particulièrement étudiés par mesures des profils d'écoulement à l'intérieur d'un SMT rectangulaire en utilisant la méthode de vélocimétrie d'image de particules (PIV). La relation concurrente locale entre les mécanismes de transfert de chaleur par convection et de diffusion sur la dégradation de la stratification de température est particulièrement explorée.It has received an increasing attention because integrated TES systems can largely enhance the reliability and the dispatchability. Low-cost single storage tank based on the thermocline technology becomes an alternative to commonly used two-tank system. However, the improper inlet/outlet manifolds may cause the strong mixing of hot and cold fluids and disturb the temperature stratification, resulting in reduced thermal performances of the storage tank. An original CFD-based optimization algorithm is developed to determine the optimal flow distribution and restricted thermocline propagation manner using a SMT tank at high temperature as an example. A practical method for homogenizing residence times of the thermal front to flatten the thermocline zone is proposed, based on the insertion of a geometrically optimized perforated The feasibility of optimization algorithm is then validated experimentally by testing of a lab-scale cylinder SMT storage tank at low temperature, by measuring the local temperature evolutions of the fluid during both the charging and discharging operations. Results show that optimized Ringopening plate distributors can siginificantly imporve the energy and exergy efficiencies under large range of operating conditions. After that, the mechanism of dynamic mixing and the jet entrainment phenomenon are particularly addressed by measuring the flow profiles inside a rectangular SMT tank using Particle Image Velocimetry (PIV) method. The local competing relation between the convection and diffusion heat transfer mechanisms on the degradation of temperature stratification is particularly explored

CFD-based optimization algorithm for thermocline evolution by control of thermal front movement in high temperature

National audienc

A Review on the Performance Indicators and Influencing Factors for the Thermocline Thermal Energy Storage Systems

Thermal energy storage (TES) system plays an essential role in the utilization and exploitation of renewable energy sources. Over the last two decades, single-tank thermocline technology has received much attention due to its high cost-effectiveness compared to the conventional two-tank storage systems. The present paper focuses on clarifying the performance indicators and the effects of different influencing factors for the thermocline TES systems. We collect the various performance indicators used in the existing literature, and classify them into three categories: (1) ones directly reflecting the quantity or quality of the stored thermal energy; (2) ones describing the thermal stratification level of the hot and cold regions; (3) ones characterizing the thermo-hydrodynamic features within the thermocline tanks. The detailed analyses on these three categories of indicators are conducted. Moreover, the relevant influencing factors, including injecting flow rate of heat transfer fluid, working temperature, flow distributor, and inlet/outlet location, are discussed systematically. The comprehensive summary, detailed analyses and comparison provided by this work will be an important reference for the future study of thermocline TES systems