Simulation de la performance optique du concentrateur et de la distribution du

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Figure II.7. Perte d’extrémité par rapport à 𝜃𝑖.

II.3.3. Simulation de la performance optique du concentrateur et de la distribution du rayonnement solaire sur le tube récepteur

II.3.3.1. Présentation du code de calcul

La simulation de la performance optique et de la distribution du rayonnement solaire autour du tube récepteur du concentrateur, dans notre travail, a été réalisée à l’aide de logiciel

SolTrace, développé au sein de "National Renewable Energy Laboratory (NREL)" pour analyser

et simuler les performances optiques et géométriques des systèmes solaires [21]. Le code utilise l’approche dite « Lancer des rayons » basée sur la méthode de Monte Carlo. L’utilisateur sélectionne un nombre de rayons qu’il souhaite lancer depuis le disque solaire, chaque rayon tracé interagit dans le système tout en rencontrant diverses interactions optiques. La méthode est basée sur le principe de choisir de manière aléatoire une série de rayons issus d’une surface A (disque soleil), et de déterminer la quantité de rayons de cette série qui arrive sur une surface B (le concentrateur). À chaque étape de modélisation, le code calcule l’angle de réflexion de chaque rayon en fonction de son angle d’incidence, son point d’impact en respectant une loi

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statistique de distribution d’erreurs correspondant aux imperfections de l’élément réfléchissant (réflectivité, erreurs macroscopiques ou microscopiques). Cette méthode représente le parcours réel des photons. En utilisant un grand nombre de rayons, elle permet d'avoir des résultats précis même avec des systèmes solaires complexes.

II.3.3.2. Modélisation du concentrateur cylindro-parabolique

La définition du modèle du concentrateur cylindro-parabolique de type Solargenix LS-2 avec SolTrace se décompose en quatre étapes: définition des paramètres pour le soleil, définition des éléments optiques du modèle, définition des paramètres de l’algorithme de « lancer des rayons », et définition des paramètres d’affichage des résultats. Le soleil est défini par les coordonnées du vecteur solaire dans le repère global et par un écart type définissant la distribution de sa luminance, Trois options sont disponibles à cet effet: Gaussian, PillBox, et la dernière approche est définie par l'utilisateur. Dans ce travail, nous avons choisi l’approche PillBox avec une distribution plate, qui est suffisante pour une large classe de problèmes, avec un demi-angle de 4,6 mrads (figure II.8).

Figure II.8. Approche de PillBox.

Dans la deuxième étape avec un premier temps, le nombre d’étages est défini, étape cruciale, étant donné le fonctionnement de l’algorithme du logiciel SolTrace: les rayons se «

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déplacent » d’un étage vers l’autre. Deux étages sont définis dans le cas de notre travail: le premier contient les éléments constitutifs du réflecteur (le miroir que l’on souhaite modéliser), le second contient le tube récepteur. Nous supposons que les propriétés optiques de notre système tels que: les coefficients de réflexion, absorptivité,…etc. sont uniformes sur l’intégralité de la surface réfléchissante. On considère que la poursuite solaire est très précise, dont l’ouverture du concentrateur est constamment perpendiculaire aux rayons provenant du disque solaire. Les paramètres optiques du concentrateur sont indiqués au tableau II.5.

Miroir Absorbeur Enveloppe intér. Enveloppe extér. Bouclier

Réflectivité 0,905 0,0500 0,0000 0,0000 0,0000

Transmissivité 1,0000 1,0000 1,0000 0,9600 1,0000

Erreur de pente 3,5000 1,0000 0,9500 0,9500 0,9500

Erreur de spécularité 0,1000 500,0000 0,2000 0,2000 0,2000

Tableau II.5. Propriétés optiques du concentrateur de notre étude.

Lorsque l'utilisateur indique un certain nombre de rayons qui doivent être tracés, afin de mener les calculs optiques, de différentes simulations ont été réalisées en faisant varier ce paramètre. Pour cette étude, les simulations ont été réalisées avec 2.500.000 rayons issus du disque solaire lancés en direction du concentrateur avec un flux solaire direct normal égal à 1000 W/m2. La cartographie des points d’impact des rayons solaires sur les différents éléments du système optique a été obtenue, à partir de cette dernière, on détermine le flux solaire collecté par les deux différents composants; réflecteur et récepteur (figure II.9).

Figure II.9. Intersection des rayons avec (a) le récepteur, (b) le réflecteur. Pour un PC qui a les propriétés suivantes :

 Processeur: Intel (R) Core (TM) i5-5200 U CPU@2,20 GHz  Mémoire installée (RAM) 6,00.

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La simulation de la distribution du flux solaire au niveau de l'absorbeur prend 356,8 secondes pour 2.500.000 itérations.

La figure II.10 montre la distribution du flux solaire le long de la paroi extérieure du tube absorbeur en tenant compte de la géométrie cylindro-parabolique de notre concentrateur de type LS-2. La distribution du flux de chaleur sur la partie basse de la périphérie du tube récepteur expose une distribution de pointe. Comme représenté sur la figure II.9, en plus de la figure II.10, la courbe peut être divisée en quatre parties détaillées comme suit: Dans la première partie, le flux de chaleur solaire est très faible, puisque le tube absorbeur ne reçoit que le rayonnement direct. Dans la deuxième partie, le flux solaire augmente rapidement et atteint un pic d'environ 48.765 W/m2. Il est montré que le flux de chaleur du rayonnement solaire concentré atteint la périphérie inférieure du tube absorbeur rapidement. Dans la troisième partie, le flux de chaleur solaire est rapidement réduit ainsi les rayons réfléchis sont réduits. La dernière partie est caractérisée par un faible nombre de rayons atteignant la périphérie du tube récepteur et par conséquent, la distribution du flux de chaleur solaire est très faible dans cette partie. La distribution non uniforme du flux d'énergie solaire conduit à une distribution non uniforme de température, ce qui amène des contraintes mécaniques dans le récepteur. Ensuite, le résultat (la distribution du flux d'énergie solaire) est considéré comme un des conditions aux limites du flux de chaleur dans le modèle de simulation de la performance thermique.

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Figure II.10. Distribution moyenne du flux thermique au niveau de l'absorbeur avec IND =1000 [W/m2] en (a) 2D, (b) 3D.

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II.3.3.3. Validation du modèle

Après cela, le rendement optique de 75,2 % avec une densité de flux de chaleur moyenne calculée du capteur de 15977,3 W/m2 peut être obtenu par l'équation classique:

_𝑜𝑝𝑡 =^{𝑞𝑢𝜋𝐷3𝐿}

𝐼_𝐵𝐴_𝑚 (II. 10) La référence [16] montre que les résultats expérimentaux de l'efficacité optique sont d’environ 73,7 %. Par conséquent, il y a un bon accord de 2,03 % entre la simulation et les résultats expérimentaux.