Paramétrage et conditions de fonctionnement

Le coût global d'un capteur est fortement dépendant de ses performances. Le rendement global du système est fortement dépendant de la qualité des capteurs, et donc le coût final du kWe

installé et/ou du kWhe produit devront être corrélés à la technologie de captage considérée.

Il est difficile d'affirmer à priori s'il est préférable de développer un capteur cher, mais dont les hautes performances auraient pour conséquence une petite surface de captage ; ou un capteur bon marché mais de performances modérées qui induirait une surface de captage élevée ; ou bien encore un capteur de performances intermédiaire.

Le tableau 1 présente les caractéristiques des quelques modèles de capteurs solaire retenus pour cette étude :

Fabrication modèle type Cg1 facteur optique a₁ (W/m²/K) a₂ (W/m²/K²) Schott ETC16 Tube évacué "baïonnette" et réflecteur interne ^{1 0,73 1,09 0,01}

Roth R1 ^{CPC + Tube évacué}_{"baïonnette"} <10 0,6 0,77 0,0038

Paradigma _Azzurro14^{Star CPC + Tube évacué}_{"baïonnette"} <10 0,664 0,749 0,005

Université de Stellenbosch

[54]

"CP inox"

(expérimental) CP + Tube évacué 16,7 0,548 -0,0145 0,002373 Virtuel

(d'après [54], modifié)

"CP alu"

(générique) ^{CP + Tube évacué 16,7 0,650 -0,0145 0,002373}

Luz LS-2 CP + Tube évacué 22,6 0,737 -0,0223 0,000803

Tableau 1: Paramétrage des différents capteurs considérés

Le "StarAzzurro 14", destiné à la production d'eau chaude domestique, a été conçu par Ritter Solar GmbH et compte parmi les capteurs les plus performants de cette catégorie sur le marché actuel.

Les caractéristiques d'un CP expérimental, de l'Université de Stellenbosch (Afrique du Sud) sont issues du mémoire de Master de M. Brooks [54].

Les coefficients ci-dessus présentés ont été reconstitués à partir d'une régression polynomiale de second degré des performances présentées dans le mémoire. Ce CP, composé d'un miroir en inox et d'un absorbeur en cuivre avec traitement sélectif (revêtement Solkote Hi/Sorb II), et d'une enveloppe en verre au borosilicate évacuée à l'aide d'une pompe à vide (ce qui à l'évidence a été choisi pour éviter d'avoir à réaliser une étanchéité soignée qui eût été trop coûteuse pour un système expérimental) .

Le capteur "CP alu" aurait une concentration géométrique équivalente au concentrateur "CP inox" mais une meilleure efficacité optique. Le facteur optique a été modifié par un rapport d'environ 0,83 correspondant sensiblement au remplacement du réflecteur en acier inoxydable par

de l'aluminium poli et revêtu d'un couche polymère [34] [54]. L'absorbeur aurait des performances similaires au tube expérimenté par M. Brooks.

Les absorbeurs qui pourraient être utilisés pour réaliser de tels capteurs pourraient être des tubes courants à raccords linéaires ou à "baïonnettes".

Le capteur LS-2, conçu par Luz dans les années 1980 [113], sert ici de référence en matière de grand CP (5 mètres d'ouverture) à hautes performances, destiné en principe aux centrales solaires de plusieurs dizaines de MW. Il existe toutefois des CP plus performants, tel le LS-3 de la même société Luz, ainsi que d'autres capteurs actuels (Solel, Schott, ...). Le LS-2 est inadapté de par sa taille au système que nous envisageons, mais nous pouvons considérer qu'il pose peu ou prou les limites que nous pouvons envisager en terme de performance et de faisabilité en "petite" série. Pour ce type de capteur, les prédimensionnements ont été effectués pour des températures répondant au cahier des charges, mais aussi pour des températures plus élevées (jusqu'à 550°C), ce afin d'établir une référence limite haute en terme d'optimum de rendement. Dans ce cas d'étude particulier, l'eau ne peut plus être considérée à l'état de liquide saturé, le caloporteur modélisé est donc une huile thermique.

Selon le type de capteur envisagé, la plage de températures intéressante pour la conversion thermodynamique sera différente. Le rendement limite qu'aurait un système utilisant un moteur parfait de Carnot, pour différents capteurs, est représenté sur la figure 3.7. Cela permet de choisir à priori les températures qui présenteront le meilleur compromis entre optimum de rendement et limites de fonctionnement (température maximale admissible du caloporteur).

Figure 3.7 : rendement limite de conversion thermomécanique directe pour les capteurs solaires étudiés (modèles) : un repère

Les courbes fines représentent le rendement thermique des capteurs considérés, pour une insolation incidente de E_i=800W.m−2 , en fonction de la température moyenne

T

_rec à laquelle est collectée l'énergie, et pour une température ambiante arbitraire T_amb=20° C _.

Les courbes épaisses représentent ce même rendement multiplié par le facteur de Carnot (pointillés rouge), autrement dit la limite, inaccessible, de conversion thermomécanique directe que nous pouvons espérer de ces capteurs.

conversion exergétique maximum de l'ordre de 35%, et environ 32% à 300°C. Les centrales SEGS équipées de ces capteurs atteignent un rendement moyen d'environ 12% pour une température d'environ 300°C, soit environ 30% à 40% de la limite théorique pour cette température.

Pour le système que nous envisageons, le maximum de température fixé par le cahier des charges se situe aux alentours de 300°C. A cette condition, et selon le type de capteur, nous pouvons donc estimer à priori que le rendement en conversion directe pourra être compris entre 4% et 12% selon le capteur et les différents facteurs de pertes.

En conversion indirecte, les pertes occasionnées par le stockage, les pertes hydrauliques, etc..., font encore baisser ce rendement. Ces courbes permettent toutefois de visualiser à priori la plage de température dans laquelle se situera le rendement optimal de conversion propre à chaque capteur.

Compte tenu des incertitudes sur les valeurs des paramètres pénalisant, traduisant les pertes thermiques, hydrauliques, mécaniques et électriques, plusieurs prédimensionnements ont été effectués pour chaque type de capteur. Le tableau 2 présente l'ensemble des valeurs minimales, moyennes et maximales retenues pour chacun des paramètres.

Récapitulatif des paramètres utilisés pour les prédimensionnements

paramètre symbole _défavorable^valeur _moyenne^valeur _favorable^valeur

rendement du stock

η

_st 0,75 0,80 0,85

rendement mécanique du moteur

η

_me 0,75 0,80 0,85

efficacité de la régénération du moteur ε_reg 0,65 0,75 0,85

facteur de fuites thermique du moteur C_fth 0,30 0,20 0,10

facteur de pertes hydrauliques δ_h 0,15 0,10 0,05

pincements thermiques adimensionnés

aux échangeurs du moteur χ 0,40 0,30 0,20

Rapport volumétrique du moteur

avec les capteurs simples ou à CPC R_v 1,20

Rapport volumétrique du moteur

avec les capteurs CP R_v 2,00

rendement des équipements électriques

η

_el 0,825 0,849 0,873

Il convient également de considérer des variables et conditions physiques en accord avec l'environnement visé (région subtropicales) . Les valeurs retenues pour l'étude sont résumées dans le tableau 3 :

Variables physiques et conditions

paramètre symbole valeur unité

rayonnement solaire direct I_s 800,00 W. m−2

durée journalière d'éclairement exploitable t_jour 6,00 heures

facteur d'incidence K_i variable –

exploration de la température maximale du stock pour les capteurs simples ou à CPC

T_{st max Min} 120 à 130 ° C T_{st max Max} 240 à 260 ° C

exploration de la température maximale du stock pour les capteurs CP à moyennes performances

T_{st max Min} 150 ° C

T_{st max Max} 350 ° C

exploration de la température maximale du stock pour le capteur CP LS-2 à hautes performances

T_{st max Min} 150 ° C

T_{st max Max} 550 ° C

Variations relatives minimale et maximale de la température du stock au cours de la décharge

̃

ΔT_{st min} 0,10 –

̃

ΔT_{st max} 0,50 –

Température ambiante T_amb 40 ° C

Tableau 3: valeurs des variables physiques utilisées

A partir de ces plages de conditions physiques et de valeurs des paramètres, deux séries de simulations ont été effectuées :

• La première, utilisant les trois vecteurs-paramètres défavorable, moyen et favorable, permet d'encadrer les performances et dimensions qu'auraient le système selon le type de capteur solaire choisi, en fonction de deux paramètres :

• La température maximale du stock ^Tst max

• La variation totale de température du stock au cours d'un cycle ΔT_st . Cette variation est rapportée à l'écart de température T_{st max}−T_amb , soit

̃

ΔT_st= ^ΔT_st

T_{st max}−T_amb , variation relative ayant une valeur comprise entre 0 et 1 quelque soit le capteur considéré.

• La seconde, basée sur le vecteur-paramètre central, consiste en une étude de sensibilité de la variation de chacun des paramètres autour de la valeur centrale du vecteur-paramètre. Cela, pour trois types de capteurs choisis, et pour des valeurs de T_{st max} et de Δ^̃T_st

Dans le document Contribution à la conception et à l'optimisation thermodynamique d'une microcentrale solaire thermo-électrique (Page 87-91)