Collecteur cylindro-parabolique :

Un collecteur cylindro-parabolique est composé d’un réflecteur parabolique, c'est-à-dire d’un miroir en argent ou en aluminium poli rectangulaire, d’une structure métallique, d’un tube récepteur à double enveloppe sous vide qui est positionné sur toute la longueur de l’axe focale et d’un système de poursuite solaire.

Il existe sous deux formes :

- La première repose sur des miroirs statiques pouvant pivoter dans le plan est-ouest suivant la course du soleil.

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- La seconde repose sur un alignement des panneaux selon l’axe est-ouest. Un décalage angulaire a lieu ce qui diminue l’efficacité du système et rend le système optimal qu’au moment des équinoxes.

Figure. II.1: Schéma de fonctionnement d'un collecteur cylindro-parabolique.

Un collecteur cylindro-parabolique (CCP) permet de transformer les radiations solaires en énergie thermique. Le rayonnement solaire est réfléchi par le miroir sur un capteur tubulaire sous vide placé dans l’axe du miroir (appelé aussi tube Dewar). Au cours de la journée, les collecteurs suivent la course du soleil grâce à un vérin électrique commandé. Le capteur tubulaire comporte un fluide caloporteur qui varie selon la température de chauffe. Ce fluide caloporteur permet de transmettre la chaleur à de l’eau par le biais d’un échangeur thermique pour produire de la vapeur surchauffée. Cette vapeur entraine une turbine à vapeur conventionnelle qui permet de produire de l’électricité par moyen d’une génératrice.

Les collecteurs cylindro-paraboliques représentent la technologie la plus mature et ils sont présents dans la plus grande partie des projets en cours. Le rendement moyen annuel de la conversion solaire-électricité peut atteindre 15% [10].

II.2.1.1.1. Réflecteur cylindro-parabolique:

Le réflecteur d’un concentrateur cylindro-parabolique étai généralement en miroir ou autre métal réfléchissant. Les miroirs sont composés de verre pauvre en fer, ce verre est recouvert d'une pellicule d'argent en sa partie inférieure et d'un enduit spécial de protection [11]. Le matériau réfléchissant le mieux indiqué est l'aluminium pur, l’acier inoxydable a été expérimenté mais il n’est pas conseillé parce que son pouvoir de réflexion est insuffisant.

Pour pouvoir choisir un réflecteur cylindro-parabolique. On aura toujours intérêt à adopter

Tuyauterie de champ solaire Miroir réflecteur

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La géométrie idéale pour obtenir une bonne concentration géométrique (figure II.2). Un réflecteur de bonne qualité peut réfléchir 97% du rayonnement incident [11]. L’équation générale du réflecteur en coordonnées cartésiennes et polaires respectivement, s’écrit :

= 4 ^(II-1) = 2 (II-2) Avec = tan 16 − 1 ^(II-3)

La structure métallique du réflecteur doit être suffisamment solide pour résister aux importantes contraintes mécaniques liées au vent. Elle doit de plus être munie d'extrémités assurant la compatibilité entre les dilatations thermiques inégales de l'acier.

Figure. II.2 : Dimensionnement du réflecteur.

II.2.1.1.2. Tube absorbeur :

L'absorbeur est le principal composant dans le concentrateur cylindro-parabolique voir la figure (II.3), il représente généralement 30% du coût de la construction [12]. Les pertes par échanges convectifs et radiatifs à l’extérieur sont très importantes, afin de les limiter, une enveloppe en verre recouvre l’absorbeur et permet en faisant le vide dans l’espace annulaire

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d’éliminer les pertes thermiques par convection entre le tube absorbeur et l’enveloppe du verre.

Les pertes de chaleur peuvent être réduites aussi en réduisant l’émissivité dans l’infrarouge du tube absorbeur (cuivre ou aluminium) à l’aide des surfaces dite sélectives. Ces surfaces sont de couleur foncée afin d’absorber le maximum de rayonnement solaire en émettant très peu d'infrarouges, de nos jours les fabricants emploient des revêtements utilisent des oxydes de chrome, de nickel ou de titane réalisé par plusieurs méthodes (projection sous vide, électrolyse, action chimique etc.…) [11].

Le diamètre extérieur minimum d’un tube absorbeur en fonction des dimensions du réflecteur est donné par l’Equation. (II.4) [13]:

( ) = ^(0.267)

sin ( )

(II-4)

Figure. II.3 : Tube absorbeur PTR70.

II.2.1.1.3. Le système de poursuite solaire :

Le rôle du mécanisme de poursuite est d'adapté l'inclinaison du concentrateur de manière à ce que la radiation solaire incidente soit toujours perpendiculaire au plan d’ouverture du concentrateur (angle d’incidence nulle).

La poursuite solaire peut être sur un seul axe ou autour de deux axes. Dans le premier cas Le mouvement peut être de trois manières [14]:

- Est-Ouest horizontal, le tube récepteur du concentrateur est parallèle à l’axe Nord-Sud. - Nord-Sud horizontal, le tube récepteur du concentrateur est parallèle à l’axe Est-Ouest. - Est-Ouest polaire, le mouvement doit être suivant l’axe de la terre avec une inclinaison

égale à la latitude du lieu.

Vide Verre extérieur Joint Verre-métal Tube absorbeur Guetteur/indicateur de vide Soufflet

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Est-Ouest polaire Est-Ouest horizontal Nord-Sud horizontal

Figure. II.4 : Les modes de poursuite solaire d'un CCP [14].

II.2.1.1.4. Le fluide caloporteur :

Également appelé fluide de transfert, il est utilisé pour transporter la chaleur collectée et concentrée par les miroirs et la transmettre par le biais d’échangeurs thermiques au fluide thermodynamique au niveau du bloc de puissance. Le choix du fluide caloporteur détermine la température maximale admissible, impose la technologie et les matériaux du récepteur et conditionne la possibilité du stockage. Dans certains cas, le fluide caloporteur est utilisé directement comme fluide thermodynamique [15].

Il existe plusieurs types de fluides caloporteurs [8] comme :

 Sels fondus : mélanges binaires ou ternaires de nitrate (ou nitrite) de sodium/potassium qui permettent un stockage intermédiaire si la température de sortie du fluide caloporteur se situe au-dessus de 350°C, généralement autour de 500ºC. Ils peuvent devenir fluides caloporteurs dans les centrales à tours.

 Huiles synthétiques : sont des mélanges d’hydrocarbures synthétiques. Leurs compositions sont choisies pour optimiser leurs propriétés d’échange thermique. Les huiles restent liquides jusqu’à des températures relativement élevées. On peut les utiliser jusque 400°C. Elles ont un bon coefficient d’échange thermique, sur toute la plage de températures. L’huile n’est pas utilisée comme fluide de travail. Il y a donc en général un échangeur entre huile et eau, qui permet ensuite de produire la vapeur et alimenter la turbine à vapeur. Le circuit hydraulique sous pression est limité au cycle thermodynamique. Tout le champ solaire n’est pas à haute pression, ce qui

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diminue l’investissement. En revanche, l’échangeur huile-eau vient en plus. Il réduit donc le rendement, en s’ajoutant au système. L’inconvénient des huiles est le risque de pollution. En cas de combustion accidentelle, néanmoins peu probable, elles dégagent des vapeurs toxiques. Elles ne permettent pas de travailler à des températures très élevées.

 Fluides organiques : à basse température d’évaporation (butane, propane,…), utilisés dans les cycles à basse température.

 Eau et vapeur d’eau : utilisées soit comme fluide thermodynamique soit comme fluide caloporteur et thermodynamique (génération directe de vapeur).

 Gaz (Hydrogène, Hélium) : entraîne un moteur thermique placé au foyer d’une coupole parabolique.

 Air : utilisé soit comme caloporteur, soit comme fluide thermodynamique dans une turbine à gaz, le récepteur remplaçant la combustion comme source chaude.

II.2.1.1.4.1. Température maximale du fluide caloporteur :

D’un point de vue thermodynamique, plus la température du fluide caloporteur à la sortie du champ solaire est élevée, plus le rendement de la conversion solaire/électricité est plus élevé. Cependant, il y’a une contrainte qui limite la température de fonctionnent d’un fluide caloporteur, c’est sa stabilité thermique [16]. A haute température, les propriétés thermo-physiques du fluide se dégradent et de ce fait il perd ses qualités comme fluide caloporteur. Il reste le faite que les pertes de chaleur par convection, conduction et rayonnement augmentent considérablement avec l’augmentation de la température.

II.2.1.1.4.2. Fluide caloporteur utilisé :

Le fluide caloporteur couramment utilisés dans les capteurs cylindro-parabolique est l’huile synthétique. La sélection d'un fluide caloporteur particulier est basée sur les propriétés des fluides suivantes : conductivité thermique, chaleur spécifique, densité, et viscosité. Un fluide caloporteur avec une plus grande conductivité thermique, une densité et une chaleur spécifique plus élevée permettra d'améliorer les capacités de transfert de chaleur du l’huile et l'efficacité des échangeurs de chaleur.

Le fluide caloporteur couramment utilisé dans les capteurs cylindro-parabolique est Therminol-VP1, le choix de ce fluide est basé sur des caractéristiques importantes pour le transfert thermique, ils assurent une plage de température de fonctionnement étendue et un transfert thermique uniforme. D'autres avantages non négligeables sont le contrôle précis de la température et des coûts de maintenance mécanique faibles. D'autre part, un système de

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transfert de chaleur se servant d'une phase vapeur a besoin de moins de fluide qu'un système en phase liquide comparable, car l'équipement se remplit de vapeur plutôt que de liquide, Therminol-VP1 est un fluide de transfert de chaleur qui se compose d’un mélange de 73,5% d'oxyde de diphényle et 26.5% de biphényle [17,18]. Il a été mis en œuvre à l’échelle commerciale avec les centrales SEGS (Solar Energy Generating Systems) aux États-Unis. Ses avantages sont son point bas de congélation (12 °C) et le potentiel faible de corrosion, mais il a aussi plusieurs inconvénients tels que le coût élevé, la faible performance du cycle de vapeur due à la gamme de température qui est limité à environ 400 °C. À cause de la pression de sa vapeur élevée (supérieure à 1 MPa à 400 ˚C), Therminol-VP1 n’est pas le meilleur fluide pour le stockage thermique car les bacs de stockage doivent être dimensionnés pour supporter la forte pression statique. Il est très inflammable, en plus, sa mise en œuvre nécessite des précautions pour éviter les dégâts environnementaux en cas de fuite [19, 20].

Les caractéristiques techniques du fluide caloporteur est résumé dans le tableau ci-dessous.

Caractéristiques du fluide caloporteur (Therminol-VP1)

température Pression de la vapeur enthalpie Chaleur spécif. Densité

°C Bar kJ/kg kJ/kg/°C Kg/m³

20 0.0 12.1 1.554 1061

100 0.005 146.5 1.774 999

200 0.246 342.5 2.048 913

Tableau II-1 : Caractéristiques du fluide caloporteur [21]

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Dans le champ solaire, des opérateurs contrôle manuellement le débit du l’huile synthétique, afin de garder la température de sortie de ce dernier la plus constante que possible. Afin d’avoir la température de sortie désirée du champ solaire, le débit est calculé par l’équation de l’énergie suivante [22].

̇ =

( _, − _, )

(II-5)

Avec :

= − (II-6)