Système à concentration
3.3 Les principaux types de concentrateur solaire .1 Concentration linéaire
tan 2Y 3 / 35" Et il suit : Yy 4 Z [ y 3 / 36"
Et nous avons aussi la valeur de rapport équivalent :
Z
[y =1
uq 3 / 37"
Par l’équivalence entre l’équation (3 − 34) et (3 − 37) on constate que : m. . m 1
=uq 3 / 38"
Avec :
= mm .
L’équation (3 − 38) peut être transformée en: . OZ = =uq[ b 5780 Z = 46200[ b 3 / 39"
La température de récepteur sera toujours inférieure de la source, c'est-à-dire, dans notre cas, le soleil. La température d’un récepteur solaire ne peut donc dépasser la température de 5770 K.
3.3 Les principaux types de concentrateur solaire 3.3.1 Concentration linéaire
3.3.1.1 Concentration linéaire à récepteur mobile
Le récepteur se déplace avec le miroir. Ces systèmes sont composés de réflecteurs assez longs qui suivent le soleil grâce à un seul axe de rotation. Un tube dans lequel circule un fluide caloporteur est placé sur la ligne focale du concentrateur, c’est le récepteur (ou absorbeur).
Capteurs cylindre-paraboliques
Ce système présente de longs miroirs de profil parabolique au foyer desquels se trouve l’absorbeur, un tube sous vide (le tuyau dans lequel circule le fluide est entouré par une enveloppe cylindrique en verre pour limiter les pertes par convection et par rayonnement (effet de serre).
La figure (3.9) montre les deux types de la concentration linéaire ainsi leur tracé de rayonnement. La fabrication du capteur cylindrique na demande pas une haute technique mais le seul inconvénient la concentration reste inférieur a celui cylindre parabolique.
Latitude de lieu Sud ϕ h Est Ouest Sud h Est Ouest
Figure 3.9 −−−− Présentation de la concentration linaire pour un concentrateur cylindre parabolique (à
gauche) et cylindrique/circulaire astigmatique (à droite) [65]
L’axe de rotation des miroirs est habituellement orienté Nord-Sud (figure 3.10). Il assure ainsi le suivi du soleil au cours de la journée de l’Est à l’Ouest. Cette disposition permet un rendement quotidien assez stable et entraîne une production estivale plus importante en réduisant les pertes par effet cosinus 1.
Figure 3.10 –Montage d’un capteur cylindre-parabolique (à droite) suivant le monde,(à gauche)
suivant la direction Est-Ouest [66]
Il existe cependant des installations expérimentales orientées Est-Ouest qui suivent le soleil en hauteur. Elles atteignent leur performance maximale tous les jours de l’année à midi et permettent ainsi de tester ou de caractériser les installations thermodynamiques. Mais en contrepartie, leur production est déséquilibrée sur la journée. D’anciennes installations présentaient ces genres de capteurs sur des montures Alt azimutales qui assurent le suivi
Plan focal Ligne focal
précis du soleil selon deux axes. Le surcoût de ce dispositif est cependant plus important que le gain de performance engendré.
3.3.1.2 Concentration linéaire à récepteur fixe [67,68]
Le récepteur est ne déplace pas avec le miroir qui suivent la course du soleil en tournant autour de leur axe.
Capteurs linéaires de Fresnel
Parallèlement au capteur cylindre parabolique, qui domine actuellement le marché, une autre technique linéaire fait l’objet de développements prometteurs. Elle est basée sur un capteur à miroirs de Fresnel. Un champ horizontal de longs miroirs peu focalisant concentre le rayonnement solaire sous un absorbeur. À la différence des capteurs cylindre-paraboliques, cet absorbeur n’est pas mobile. Il est situé au-dessus des réflecteurs mobiles. Il ne se déplace pas avec les miroirs qui suivent la course du soleil en tournant autour de leur axe. Cette technologie est actuellement disponible pour des projets commerciaux. Elle a été développée de manière à éliminer les inconvénients des capteurs cylindre parabolique :
réduction des coûts de l’installation grâce à des miroirs plans bon marché et un absorbeur
qui n’est pas mis sous vide ;
augmentation de la disponibilité du champ grâce à une prise au vent plus faible ; meilleure occupation du sol (jusqu’à 70 % de couverture contre 30 à 35 % pour les
champs cylindre parabolique) ;
absence d’échangeur thermique grâce à la génération directe de vapeur (en développement
pour les cylindres-paraboliques). 3.3.2 Concentrateurs ponctuels
Qu’il s’agisse des paraboles ou des héliostats des centrales à tour et des fours solaires, ce type de concentrateurs assure le suivi solaire sur deux axes : en azimut et en élévation.
3.3.2.1 Concentration ponctuelle à récepteur mobile
Concentrateur Paraboloïdal
Comme les concentrateurs paraboloïdaux constituent la principale application étudiée dans nos travaux, nous présenterons plus en détail leur fonctionnement dans la section suivante. 3.3.2.2 Concentration ponctuelle à réflecteur fixe
On peut imaginer un concentrateur où les miroirs sont fixes et le récepteur est mobile.
Concentrateur sphérique
Les capteurs solaires sphériques étaient, au XVIIe siècle, une curiosité scientifique de salon. La crise de l’énergie leur a donné un regain d’intérêt. F. Kreith [69] envisage la construction de centrales électriques qui réalisent la conversion thermodynamique de l’énergie solaire
recueillie par des capteurs. Ces derniers seraient des calottes sphériques fixes réfléchissantes de plusieurs dizaines de métrés de diamètre dont le récepteur cylindrique, mobile autour du centre du miroir, reste pointée sur le soleil de telle sorte que son axe coïncide constamment avec l’axe focal du miroir sphérique (axe oriente dans la direction solaire).
Les rayons réfléchis enveloppent une caustique à deux nappes, tangentielle et sagittale, bien connues dans le cas du miroir sphérique [70]. Intercepter les rayons de la première nappe est intéressant à proximité du foyer paraxial, dans la petite zone de concentration géométrique maximum. C’est ce que nous ferons, sur un absorbeur dont l’entrée à la forme d’un disque (Figure 3.11) centre sur la droite sagittale. Étendre ce disque introduirait un vignetting inacceptable, la concentration géométrique diminuerait rapidement et l’angle d’incidence des rayons sur ce disque augmenterait jusqu’à atteindre des valeurs.
Figure 3.11 – schéma illustratif de principe de fonctionnement d’un concentrateur sphérique à
récepteur mobile [70]
3.3.2.3 Concentration ponctuelle à récepteur fixe
Central à tour
C’est centrale solaire ou hélio thermoélectrique transforme l’énergie lumineuse en provenance du soleil dans un premier temps en énergie thermique puis dans un deuxième temps en électricité. Vouloir produire de l’électricité à partir de la voie thermodynamique oblige à satisfaire au principe de Carnot (Figure 3.12). Il sera nécessaire d’élever au maximum la température de la source chaude pour augmenter le rendement.
Disque Miroir sphérique Récepteur mobile Le centre de miroir sphérique
Figure 3.12 – schéma illustratif de principe de fonctionnement de la centrale Thémis - Odeillo
(1983-1986) [66]