Etude numérique de l'impact de géométrie de la tour dans une centrale à cheminée solaire

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R§emerciements

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Sa;nsou6Rœrtouscewcqriomcom:tri6uéœuprèsetdebim,àhréaRua¢iondèce modèstetiwœi¢enpa;riùuaernosftriaèspowfiumiiumsoutienrnora[powai

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` Dédicaces

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Sommaire

lntroduction générale

Chapitre I : Prés®ntation de la ch®minée solair® ®t roch®rcho bibliographiqu®

1.1 -lntroduction 1.2-Cheminée solaire

1.3-Composants de la cheminée solaire 1.3.1 -Collecteur

1.3.2-Turbine éolienne 1.3.3-Tour (cheminée)

1.4- Principe de fonctionnement

1.5- Phénomène majeur : Le thermosiphon 1.6- Système de stockage

1.7-Avantages et les inconvénients de la cheminée solaire 1.8- Différents projets de la cheminée solaire

1.9- Revue bibliographique

Chapitre H : Modélisation mathématique

11.1-lntroduction

11.2- Définition du problème 11.3- Hypothèses simplfficatriœs 11.4- Fomulation mathématique

11.4.1-Equation de continuité 11.4.2- Equation du mouvement 11.4.3- Equation de l'énergie 11.5-Nombres adimensionnels

11.5.1-Nombre de Rayleigh 11.5.2- Nombre de Grashof

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Sommaire

11.5.3-Nombre de prandtl 11.6-Modèles de turbulences

11.6.1-Forme standard de la turbulenœ (k-€) 11.7-Conditions aux limites

11.8-Méthode de calcul de la puissance

Chapitre 111 : Modé]isations numériques

111.1 - Introduction

III.2-Principes des codes CFD

111.3- Présentation de GAMBIT et FLUENT III.3.1 -GAMBIT

111.3.1.1 - Maillage sous GAMBIT

33 33

34 34 34 111.3.1.2-réalisation de maillage pour la géométrie de cheminée solaire ... 35 111.3.2-FLUENT

111.3.2.1-Conditions aux limites sur le code FLUENT

111.3.2.2- Etapes nécessaires pour réussir une simulation numérique d'un problème par FLUENT

III.3.2.3-Quelques paramètres de résolution numérique par FLUENT ... 39 111.3.3-Calcul nombre de Rayleigh

111.4-Optimisation de maillage

Chapitre IV : Résultats et discussions

IV.1-lntroduction IV,2-Validation

IV. 3-Résultats et discussions IV.3.1 -Cheminée convergente

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Sommaire

IV. 3.1.1 -Vecteurs de vitesse IV3.1.2-Champ de température IV.3.1.3-Contours de pression IV. 3.2-Cheminée divergente

IV. 3.2.1 -Vecteurs de vitesse IV.3.2.2-Champ de température IV.3.2.3-Contours de pression

IV.3.3-lnfluence de la forme de la cheminée sur les paramètres ... 54 IV.3.3.1-Sur Les profils des vitesses

IV.3.3.2-Sur Les profils des pressions le long de la cheminée ... 55 IV.3.3.3-Sur Les profils des températures

IV.3.4- Débit massique en fonction de rayon de sortie cheminée ... 59 IV.3.5- Puissanœ produite en fonction du rayon de sortie de la cheminée ... 60 Conclusion générale

Bibliographie

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Liste des figures

LISTE DES FIGURES

Fioure Titro

Chapitre 1

Figure 1.1 : La cheminée solaire de manzanares

Page

Figure 1.2: Vue des principaux composants d'une cheminée solaire : Ie collecteur (couverture en verre plat), la tour et les turbines éoliennes

Figure 1.3: Collecteur

Figure 1.4: Turbines verticales Figure 1.5: Turbines horizontales Figure 1.6: Cheminée

05 05 06 06 07 Figure l.7: Schéma illustrant le fonctionnement de la cheminée solaire ... 08 Figure 1.8: Schéma illustrant la circulation de l'air

Figure 1.9: Schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un Thermosiphon ... 09 Figure 1.10: Principe du stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des tubes noirs emplis d'eau

Figure 1.11 : Principe du stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des galets.

Figure 1.12: Le prototype de manzanares Figure 1.13: Le projet Australien (buronga) Figure 1.14: Le projet de ciudad real

Figure 1.15: Le projet namibien de la cheminée solaire Figure 1.16: Structure schématique de cheminée solaire Figure 1.17: Zone d'effet de variation sur le collecteur

Figure 1.18: L'effet de l'AR43 sur la puissanœ d'écoulement

Chapitre 11

Figure ll.1 : Les principales composantes d'une cheminée solaire ... 24 Figure 11.2: La tour de type divergente

Figure 11.3: La tour de type cylindrique Figure 11.4: La tour de type convergente

Figure 11.5 : Présentation des conditions aux limites

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Liste des figures

Chapitre 111

Figure 111.1 : Maillage des lignes pour tous les géométries

Figure 111.2: Géométrie et Maillage généré de la cheminée solaire ... 42

Chapitre IV

Figure IV.1: 1-Contours de température, 2-Contours des lignes de courant 3-Contours des vitesses

Figure IV.2: Vecteurs de vitesse, cas cylindrique Figure IV.3: Vecteurs de vitesse, cas convo.5°

Figur® IV.4: Vecteurs de vitesse, cas convo.75°

Figur® IV.5: Vecteurs de vitesse, cas convl °

Figure IV.6: Contours de température cas cylindrique Figure IV.7: Champ de température cas convo.5° ....

Figur® IV.8: Contours de température cas convo.75°

Figur® IV.9: Contours de température cas convl °. . Figure IV.10: Contours de pression cas cylindrique Figure IV.11 : Contours de pression cas convo.5°

Figur® IV.12: Contours de pression cas convo.75°

Figure IV.13: Contours de pression cas convl ° Figure IV.14: Vecteurs de vitesse cas cylindrique Figure IV.15: Vecteurs de vitesse, cas Divl ° Figur® IV.16: Vecteurs de vitesse, œs Div2°

Figur® IV.17: Vecteurs de vitesse, cas Div3°

Figur® IV.18: Contours de température cas cylindrique

.... 47

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I I I I I I I

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Liste des figures

Figuro IV.19: Contours de température cas Divl°

Figure IV.20: Contours de température cas Div2°

Figur® W.21: Contours de température cas Div3°

Figure IV.22: Contours de pression cas cylindrique Figuro IV.23: Contours de pression cas Divl ° Figure IV.24: Contours de pression cas Div2°

Figure IV.25: Contours de pression cas Div3°

Figuro IV.26: Profils des vftesses à la soriie de collecteur Figuro IV.27: Profils des vitesses à l'entrée de la cheminée Figure IV.28: Profil de pression le long de la tour

Figure IV.29: Profil de température à la sortie de collecteur Figuro IV.30: Profil de température ]e long de collecteur Z=0.1 Figuro IV.31 : Profil de température le long de collecteur Z=0.92 Figure IV.32: Profil de température le long de collecteur Z=1.84

.,...,... 53

Figure IV.34: Evolution de la puissance en fonction du rayon de la section de sortie de la cheminée . .

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Liste des Tableaux

Chapitre 11

Tableau 11.1 : Les rayons des sections de sortie de la cheminée Tabl®au 11.2: Constantes du modèle k -€

Chapitre 111

Tableau 111.1 : Conditions aux limites déclarées en FLUENT Tabloau 111.2: Les Propriétés physiques de fluide (air) Tabl®au 111.3: Optimisation de maillage par le débit

Chapitre IV

Tabloau IV.1 : Validation du code de calcule

Tableau IV.2: Débit massique en fonction de rayon de sortie de la cheminée ... 59

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Nomencla[1ure

Symbol.

Cp P T

V

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re, rs D He. Hs.

H 9

A7'

G K

h

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SymboI®

P

Définition : Capacité spécifique d'air : Pression

: température

: Coordonnée radial dans la cheminée solaire : Coordonnée veriicale dans la cheminée solaire : Composant de vitesse dans la direction (z) : Composant de vitesse dans la direction (r) : Rayon de cheminée (entré, sortie)

: diamètre de collecteur

: Hauteur de collecteur entré sortie : Hauteur de cheminée

: Accélération de pesanteur : différence de température : lrradiation solaire

: Energie cinétique turbulente

: Coefficient de transfère de chaleur convective : Eclairement solaire

Symboles grecs

Déflnition : Masse volumique : Viscosité dynamique : Viscosité cinématique

Unité

[J/Kg.k]

[Pa]

[K]

[m]

[m/s]

[m]

[m/s2]

[K]

W/m2]

[m2.s-2]

M/m2'k]

M/m2]

Uniti

[kg/m3 ] [kg/m.s]

[ m2/s]

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: Coefflcient de dilatation thermique : conductivité themique

: Dffiusivité themique

: Taux de dissipation de l'énergie cinétique : Rendement

Nombres adimensionnels

: Nombre de Rayleigh : Nombre de Grashoff : Nombre de Prandtl.

Indices

che col sol tur

:Cheminée.

:Collecteur.

:Sol.

:Turbine.

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M/m.k]

[m2/s]

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INTRODUCTION GENERALE

lntroduction générale

L'énergie est un secteur de première importance pour la vie quotidienne. On distingue plusieurs ressources énergétiques primaires, les énergies fossiles, les énergies nucléaires et les énergies renouvelable. Pour répondre aux nombreuses demandes de la population mondiale, qu'elle augmente de jours en jours. Cette utilisation de l`énergie a permis une amélioration du niveau de vie des populations, et l'énergies les plus utilisées reste non renouvelables à l'image du pétrole ou même du charbon. C'est une ressource précieuse qui a beaucoup de bienfaits, mais elle est menacée de disparatjon à cause de besoin et la demande indéfinie surtout les pays en voie développement. En plus que cela, le réchauffèment climatjque causé par les émissions de gaz à effet de serre (Co2) et cela a conduit à un mouvement vers l'expansion de l'utilisation de l'énergie et le développement des énergies renouvelables.

Les formes des énergies renouvelables les plus courantes sont : les énergies solaires, éoliennes, hydrauliques, géothermiques et la biomasse, les renouvelables non polluantes et gratuites.

L'énergie solaire est un fait très ancien et l'origine de la vie sur terre. Ce rayonnement solaire est utilisé pour chauffer et pour produire de l'électrioité à partir des systèmes photovoltaïques ou thermiques. La cheminée solajre est une centrale à énergie renouvelable est utilisés pour transformer l'énergie des rayons solaires à une énergie cinétique et cette dernière est transformée en ensuite en énergie électrique.

Dans ce travail, notre objectff principal est de présenter une étude de l'effet de la géomètre de la tour (cheminée) sur les différents paramètres dans une centrale à chemjnée solaire, plusieurs géomètres seront modélisées. Les résultats sontprésentés sous la forme des champs de vitesses,pression et de températures,pour avoir uneétude comparative qui nous permet de mieux comprendre notre système. Le logiciel Fluent sera utilisé pour réaliser une simulation numérique avec une grande précision.

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INTRODUCTION GENERALE

Le travail présenté dans ce mémoire se compose de quatre chapft[es

> Le premier chapitre présente l'histoire, le principe de fonctionnement de la cheminée solaire et une recherche bibliographique.

> Dans le deuxième chapftre, nous monterons le modè[e mathématique de l'écoulement d'une cheminée solaire.

> Le troisième chapitre conceme la modélisation numérique du problème, et une présentation sur l'outil de calcul (logiciel fluent).

> L'analyse et la discussion des iésultats ajnsi que l'évolution des dffiérents paramètres, tels que les contours de vitesse et de température, Ia puissance...etc. sont présentées dans le quatrième chapitre.

> Enfin, une conclusion générale.

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Chapitre I ..

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique

I.1i lntroduction

La cheminée solaire est une centrale so[aire de production de la puissance électrique, qui utjlise le rayonnement solaire pour accroître I'énergje interne de l'ajr, s'écoulant à travers le système (l'effet de serre), transfomant ainsj l'énergie solajre en énergie cinétique. L'éneigie cinétique de I'air est ainsi transfomée en électricité en utilisant des groupes turbogénérateurs adéquats (turbine). Une Centrale à Cheminée solaire est constituée de trois éléments principaux à savoir le collecteur, la tour (cheminée) et la turbine.

L'objectff principal du collecteur est de capter le rayonnement solaiie pour ohauffer d'air intérieur. Les forces de gravités dirigent l'air chaud vers la cheminée qui se située au centre du capteur (collecteur).

Une turbine est placée sur le chemin de l'écoulement d'air pour convertir l'énergie cinétique en électricité à travers une génératrice du courant. Le système peut être équipé d'un dispositff de stockage afin d'augmenter la période de fonctionnement du système, c'est-à-dire en dehors de la période journalière grâce à diverses techniques.

Le central cheminé solaire fonctionne aussi bien de manière autonome et de manière pemanente quel que soft l'ensoleillement et le régime des vents. 11 constitue un concept élaboré et performant que tout ce qui a été conçu jusqu'à présent dans le domaine de la production électrique. 11 est en particulier bien plus efficace et économique que les disposftifs utilisant des éoliennes, des œllules photovolta.i.ques ou des tours solaires. Sa technologie est simple, fiable. Ont prouvées que les centrales cheminées solaires une grande puissance sont capables de produire de l'électricité à un coût comparable à ceux des centrales conventionnelles. Ceci est une raison convaincante pour développer plus cette fome d'utilisation d'énergie solaire, d'autant plus que c'est une unfté économiquement viable. [1]

i.2-Cheminée solaire

Une cheminée solaire est une œntrale à énergie renouvelable. Cette demière repose sur l'idée d'exploiter l'énergie cinétique des mouvements de convection naturelle de I'air chauffé par le soleil, pour la production de I'énergie électrique à

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Chapitre l présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique

partir de trois composants principaux : capteur solajre (collecteur), Ia cheminée ou la tour et la turbine éolienne.

Le projet présenté pour la première fois par l'armée espagnole, le colonel Asadoro Cabanyes, en 1903. Le premier prototype de la cheminée solajre a été construite en 1981 fig.I.1, dans le site à Manzanaies en Espagne par l'ingénieur de nationalfté allemande Jôrg Schlaich, et a servi jusqu'en 1989. [2]

Figuro 1.1 : La cheminée solaire de Manzanares B]

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1.3-Composant de la cheminée solaire

La figure (1.2) Présenté les composants principaux de la cheminée solaire.

Figuro 1.2: Vue des principaux composants d'une cheminée solaire : le collecteur (couveriure en verre plat), la tour et les turbines éoliennes [4]

1.3.1 -Collecteur

Figure 1.3 : Collecteur [3]

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique En utilisant le verre pour la construction de toit de collecteur parce qu'il est le plus efficace avec en rendement de conversion d'énergie solaire en chaleur qui peut afteindre 70%. En outre, sa durée de vie peut facilement atteindre 60 ans ou plus avec un entretien et une maintenance appropriés. r2]

1.3.2-Turbine éolienne

Une turbine est un disposi« rotatif destiné à utiliser l'énergie cinétique de l'ajr en mouvement pour faire tourner les aubes de la turbine, cette dernière convertie l'énergie cinétique en mécanique pour entraîner un générateur qui produit

i'éiectricité.

Les turbines sont placées soit horizontalement dans le collecteur, soft verticalement dans la cheminée, comme montrée sur les Figures. I (4-5)

Figure 14: Turbines verticales

Figure 1.5: Turbines horizontales

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique L'emplaœment des turbines sont toujours à la base de la cheminée où la vitesse d'écoulement de l'air est plus élevée, pour transformer le maD(imum d'énergie cinétique en énergie mécanique.

1.3.3-Tour (cheminée)

La tour c'est la partie la plus importante dans la cheminée solaire, elle agit comme un tube de pression (ou une machine thermique), placée au centre de collecteur.

Entré l'Bir froid

Flgur® i.6 : Cheminée

La hauteur de la cheminée jeux un rôle très important pour la production d'énergie. L'efflcacité de la oheminée ne dépend pas de la température de l'air entrant, mais de la dffiérence de température avec I'air extérieur en haut de la cheminée (effet cheminé). Donc, l'efficacité est directement proportionnelle au ratio entre la hauteur de la cheminée et la température extérieure.

lL y a deux types principaux de cheminées sont possibles : oelles autoportêes (Construftes en dur : béton ou acier) et les cheminées haubanées (structures plus légères constituées de tubes habillés). [2]

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1.4- Principe de fonctionnement

Les centrales électriques de la cheminée solaire utilisaient l'air qui chauffée dans le collecteur par le rayonnement solaire sous l'effet de serre. La diminution de la masse volumique de l'air conduit à accélérer et amené l'air vers le milieu du collecteur où se trouve une cheminée, et puisque I.air le plus chaud est plus léger que l'air froid, il s'élève en haut de la cheminée.

Une turbine éolienne à la base de la cheminée est mise dans la trajectoire de l'écoulement de l'air pour convertir l'énergie cinétique de l'air écoulant en énergie mécanique, et le générateur entraîné par la turbine convertit l'énergie mécanique en énergie électn.que.

Figure i.7-Schéma illustrant le fonctionnement de la cheminée solaire

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1.5- Phénomène majeur : Le thermosiphon

Le phénomène de themosiphon, c'est la circulation naturelle d'un fluide (gaz ou liquide) basé sur la dilatation contraction et la poussée d'Archimède. Le système de la cheminée solaire repose sur le principe de la poussée d'Archimède qui est caractéristique d'une variation de masse volumique. [5]

En effet, l'air le plus froid étant le plus lourde que l'air chaud, ce dernier poussé et élevé dans la cheminée par l'air de température strictement inferieure.

Flgum 1.8: Schéma illustrant la circulation de l'air

Un thermosiphon se compose : d'une entrée basse de fluide (entré collecteur), d'une chambre de chauffage du fluide (la serre), d'un conduit vertical positionné en haut de cette chambre dans ce système c'est la cheminée et d'une sortie du fluide verticale par rappoft à l'axe de l'entrée (sortie cheminée).

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Flguro i.9 : Schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un Themosiphon

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Chapitre l présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique Dans les installations de chauffage et de production solaire utilisé le principe du themosiphon. Le mode de déplacement du fluide caloporteur s'effectue uniquement grâce à la convection. Le rôle de fluide caloporteur de chargé et transpor[er la chaleur entre deux ou plusjeurs sources de températures. De plus, la convection naturelle est un phénomène de la mécanique des fluides qui se produit d'un gradient de température et l'origine de mouvement c'est la poussée d'Archimède. La masse volumiqued'un fluide dépendant de la variation de température et modifiée par rapport à la masse volumique du fluide environnant. Le déplacement de l'air dans le système est appelé le mouvement convectif. Nous remarquons que toutes ces explications théoriques sont spécmques à notre fonctionnement de cheminée solaire. Ainsi, la cheminée solaire fonctionne comme le système de thermosiphon. [2]

1.6- Système de stockage

Le rayonnement solaire c'est un facteur très important pour la production d'électricité dans la cheminée solaire. L'énergie électrique n'est pas stockée pendant le jour pour l'utilisation en nuit.

Donc il faut faire un système de stockage d'énergie pour l'amélioration de rendement et la continuité de service.

On a plusieurs méthodes de stockage d'énergie pendant la nuit :

1.Avec des tubes noirs remplis d'eau sont placés sur [e sol, avec capacité calorifique de l'eau égale 4.18 kM{g et d'environ cinq fois supérieure à celle du sol (0.75 - 0.85 kJMg). Pendant le jour une partie du rayonnement solaire stocké dans les tubes d'eau sous fome de chaleur et libéré pendant la nuit, quand l'air dans le collecteur commenœ à refroidir. (Figure i.10)

2. Avec le chauffage de sable par le rayonnement solaire qui libéré pendant la nuit pour assure la production d'électricité 24h sur24h.

3. Afin d'optimiser cette production nocturne, nous pouvons placer sous la serre des galets qui ont un pouvoir de stockage de chaleur très important.

(Figure i.11 )

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Chapitre 1 présem.tionde la cheminée solaire et recherche bibliographique

Nuit

Flouro 1.10: Principe du stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des tubes noirs emplis d'eau

Figur® 1.11 : Principe du stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des galets

Où il existe le système de stockage, la production de l'énergie électrique pendant le jour est peu élevée. Dans le cas de l'eau de stockage la production diminuée avec l'augmentation du volume d'eau dans les tubes de stockage pendant le jour, mais par contre en nuit c'est l'inverse.

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographjque

1.7-Avantages et lnconvénients de la cheminée solaire

> Avantag®s

• En raison du système de stookage de chaleur, la cheminée solaire actionnera 24 h sur l'énergie solaire pure.

• La construction simple, peu d'entretien néœssaire.

• Aucune émission de gaz à effet de serre.

• Le coût d'exploitation est faible.

• La cheminée solaire ne pas besoin de l'eau de refroidissement. C'est un avantage principal dans les nombreux pays ensoleillés qui ont déjà des problèmes majeurs avec l'eau potable.

• Les matériaux principaux de la construction de la cheminée solaire, béton et verre sont disponible pariout en quantité suffisante.

> lnconvénientB

• Le cout L'investissement est élevé.

• Le rendement n'est pas stable.

• Le collecteur occupe une grande suriace.

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1.8- Différents projets de la cheminée solaire

> lA cheminée solairo espagnolo (Manzanaros)

C'est Le premier prototype qui a été construite en 1982, sous la direction de l'ingénieure allemand Jôrg Schlaich, le site de Manzanares est proposé par Le distributeur d'électricfté espagnol « Union Electrica Fenosa » et le ministère de recherche allemand (BMFT : Geman Ministry of Research and Technology) a financé le projet. La cheminée est de type cylindrique avec une hauteur de 195 m pour une puissance de 50 kw. Elle fonctionne à partir de 1982 jusqu'en 1989. Elle arrêter car le coût de kilowattheure, cinq fois plus élevé qu'une centrale themique classique. [6]

Le toft de collecteur de la cheminée solaire occupe une grande suriace. La matière première de ce dernier le verre est le plastique.

Figur® 1.12 : Le prototype de Manzanares [3]

•:. Spécffications du projet :

o Une cheminée de 194.6 m de hauteur et de rayon moyenne 5.08 m.

o Un collecteur de rayon moyen 122 m et hauteur de 1.85 m.

o La vitesse de l'airdans la cheminée égale l5 m/s (54 kmm).

o La différente de température dans le collecteur : 20 °C.

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique o Une turbine avec quatre pales.

o La puissance électrique produit égale 50 kw.

o La partie de collecteur en plastique : 40 000 m2.

o La Panie de collecteur en verre : 6 000 m2.

Le but de ce projet était de vérifier expérimentalement les résultats obtenus par les calculs théoriques et d'examiner l'influence de chaque composant sur le rendement et la puissance délivrée par une telle installation sous des conditions technologiques et météorologiques réelles.

> La chominéo solair® do Buronga « Australie »

Un autre projet de cheminée solaire réalisé en 2010 est développé par la société Enviromission, la tour aussi de type cylindrique de diamètre de 70 mètres et 990 mètres de hauteur, avec une puissance de production égale 200 mégawatts. 11 s'agit d'un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d'énergie renouvelable sûre et propre : les centrales solaires existantes ou en projet sont plutôt de l'ordre de 10 MW, soit 20 fois moins. L'énergie produite reste largement inférieure à celle d'un réacteur nucléaire moderne. F]

•S» Spécffications du projet :

o Une cheminée de 990 m de hauteur et de rayon 35 m.

o Un collecteur de 7 km de diamètre.

o La Vitesse de l'air dans la cheminée égale 15 m/s (54 kmm).

o La Température de l'air chauffé dans la cheminée égale 70 °C.

o 32 turbines.

o La Puissanœ électrique produft égale 200 mégawatt.

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Figure 1.13: Le projet Australien (Buronga) [3]

> Lo proj®t do la ch®minéo solaire Chinois :

11 s'agit d'un système de centrale électrique à cheminée solaire dans la région de Jinshawan, ville de Wuhai en Chine, la cheminée solaire a été mise en service, le 10 décembre 2010, avec une puissance de production de 200 kw, qui peut foumir 400.000 kwh /an. [8]

> Le proj®t Espagnol « Ciudad Roal »

Un autre projet de tour solaire, les travaux ont commencé en 2010 dans Ciudad Real en Espagne. Les travaux devaient être menés en collaboration avec les entreprises espagnoles Campo 3 et lmasa, et la compagnie allemande Schlaich Bergermann.

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Torie SolÉ]r.

Ciudld Fiedl

750 m.

Flgur® 1.14 : Le projet de Ciudad Real [3]

> Spécifications du projet :

o Une cheminée de750 m de haut.

o Un collecteur de 3 km de diamètre, couvrant 350 hectares, dont 250 hectares pourraient être utilisés pour la culture de légumes sous serre (tomates).

o Vitesse de l'air dans la cheminée : 43 km/h.

o La puissance de l'installation : 40 mégawatts.

o Coût du projet : 240 millions d'euros.

> L® projot namibion

Une équipe de chercheurs de l'universfté de Stallend Boch en Afrique du sud qui annoncé le projet.

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Figure 1.15 : Le projet Namibien de la cheminée solaire [9]

> Spécifications du projet :

o La tour de hauteur 1.5 km et de djamètre 280m.

o Le collecteur avec 7km de diamètre.

o La puissance électrique produite égale 400 mégawatts.

o Le coût d'investissementl milliard de dollars.

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1.9- Revue bibliographique

> Atit®tTaw]t. [10]

Les auteurs ont analysé théoriquement et numériquement l'effet des changements des fomes de la cheminée et du collecteur sur le dém massique et la production énergétique.

La géométrie considérée par les auteurs est illustrée dans la figure figure.I.16

Flgure 1.16: Structure schématique de cheminée solaire [10]

La variation de débit massique par rappori aux rapports des sections de la cheminée et du collecteur est représentée sur la figure 1.17.

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- T,tio

Figuro 1.17: Zone d'effet de variation sur le collecteur [10]

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique D'après la Fig.I.17 l'effet de la variation des rappofts des sections de collecteur est négligeable par rapport au rappoh des sections de la cheminée et aussi le débit massique est proportionnel à oe demier.

La Fig.I.18 représente la variation de la production en fonction des rapporls des sections de la cheminée. Les résultats montrant que la cheminée solaire avec un collecteur et un tour divergents donnera un meilleur rendement.

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Position en fig.16

Figuro 1.18: L'effet de l'AR43 sur la puissance d'écoulement [10]

> Alan Williams. [11]

L'auteur a développé son propre modèle théorique pour montre l'effet du rappon des sections de la cheminée sur le rendement, Ies dimensions sont calculées en fonction du diamètre de la tour à l'entrée.

Les résultats montrent que le rendement est proponionnel ou rapport des sections de la cheminée dans le cas d'une cheminée solaire divergente.

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> Ch®rgui et al. [12]

Une modélisation du transfert themique et de l'écoulement d'air dans les CCS avec l'hypothèse d'écoulement laminaire en convection naturelle a été munir par les auteurs. Ce modèle a été développé par la méthode des volumes finis qui a pemis de déteminer le champ de vftesse et de température.

> S. Larbi ®tal. [13)

Les auteurs ont présente une analyse des perfomances énergétiques d.une centrale CCS prévue pour foumir de l'énergie électrique aux villages isolés situés dans la région du sud-ouest algérien. L'analyse des perfomances de centrale cheminée solaire a montré que l'efficacfté du système du collecteur et de turbine jouent un rôle important dans le fonctionnement du système. La puissance générée dépend du rayonnement solaire de la température ambiante, de la hauteur de la cheminée et de la suriace du collecteur.

> Zhou, Yang ot al. [14]

Une analyse de l'effet de la hauteur maximale de la cheminée sur l'effet négatff de la convection naturelle, déteminant par la sufte la hauteur optimale de la cheminée pour une puissance maximale. Ce modèle théorique a été validé avec les mesures du prototype de Manzanares. Ont démontré aussi que I'influence de la pression atmosphérique sur la hauteur maximale étaft négligeable.

> Koonsrisuk ®tal. [1fl

Ont donné une description de l'application de la théorie constructal (constructal - theory) - dans la recherche d'une géométrie optimale d'une cheminée solaire. Leur objectff été d'augmenter la production d'énergie sur le même secteur (espace) occupé par l'installation. Le rapport hauteur/rayon, le débit massique d'écoulement et la puissance maximale, sous les contraintes de volume et suriace fixes, ont été déteminés. lls ont constaté que la puissanœ développée par unité de surface est proportionnelle à la longueur d'échelle de la centrale CCS. Leur analyse a été validée par un modèle mathématique détaillé.

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaire et recherche bibliographique Les pertes de pression ont été inclues dans le teme de la longueur d'échelle du système sous sa fome adimensionnelle, et ont été illustiées graphiquement. Elles indiquent que la ohute de pression à l'admission du collecteur et à la section de transffion entre le collecteur et la tour-cheminée sont négligeable.

> Gannon & Von Backsti.ëm. [16]

Ont présenté une comparaison themodynamique entng une CCS et une centrale à turbine à gaz. Ont simulé le système en question à un cycle themodynamique standard idéal d'un gaz parfait isentropique pour définir les limites de fonctionnement. En outre, ils introduisent les pertes de charges à travers les systèmes ainsi que les pertes cinétiques à la sortie de la oheminée pour simuler correctement les condftions réelles de fonctionnement de la C.C.S, avec l'adoption d'un modèle simple qui comprend une forte inclue le fort couplage entre débit d'air et élévation de la température à travers le collecteur. Les auteurs remarqués que le système fonctionne entre deux cas extrêmes de puissance nulle.

> Dai&al.[17]

Dans leur travail ont présenté une méthode itérative basée sur un modèle global de connaissance régissant l'écoulement d'air dans une cheminée solaire typique fictive fonctionnant dans trois sites de l'ouest de la chine. Pour prévoir les perfomances de la cheminée solaire, les auteurs ont préféré présenter une simple méthode se basant sur le modèle théorique des capteurs à air bien connues dans la littérature solaire. Ces modèles tiennent compte de la captation solaire, gain utile de fonctionnement et de la puissance électrique à la sortie de la turbine. Les auteurs montrent en conclusion que :

• La puissance produite est fortement influencée par l'augmentation de la radiation solaire en comparaison avec la température ambiante.

• La puissance produite augmente d'une manière non linéaire avec l'augmentation de la surface de captation et de la hauteur de la tour de la cheminée. Une augmentation devient moins sensible dans le cas des cheminées à grande échelle par rapport aux cheminées de faibles

tailles.

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Chapitre 1 présentation de la cheminée solaioe et recherche bibliographique

• Une centrale cheminée solaire constituée d'un capteur à air de 500 m de rayon et d'une tour de 200 m de hauteur de 10 m de diamètre est capable de produire de 110 à 190 kw électrique.

> Pr®toriu8 & al. [18]

Ont développé un modèle numérique pour la simulation des centrales cheminées solaires à grande échelle, qui générées une grande production d'énergie, tout en optimisant la fome et la hauteur de la couveriure du collecteur.

> D®nant®s & al. [19]

Dans leur article ont conclu que les turbines contre rotation (conter-rotating) donné un meilleur rendement par rapport aux turbines simple dans le cas où les facteurs de charge plus élevés (T conter-rotation), Ont confimé que l'avantage principal de ce type de turbine dans les systèmes cheminés solaires est son les perfomances de sortie. En considérant que la plupart du temps les centrales cheminées solaires seront fonctionnelles sous une intensité solaire de moins de sOOW/m2, les systèmes à turbine conter-rotatiog seront avantageux par rapport aux systèmes turbines simple (single-runner) de point de vue aussi bien du rendement que de la production électrique annuelle. Un autre avantage est la réduction du couple sur chaque axe comparé à la turbine single-runner.

> Mullet. [20]

A présenté une analyse sur I'évaluation du rendement global d'une centrale cheminée solaire.

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Chapitre 11 :

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Chapitre 11 Modélisation mathématique

11.1 -lntroduction

On utilise dans la plupart des temps les équations mathématiques pour formuler un phénomène physique. Une foimulation mathématique doit obligatoirement exprimer le comportement de ce phénomène dans l'espace et dans le temps. 11 faut parfois tenir en compte d'un ceilain nombre d'hypothèses simplmcatrices pour construire des modèles sufflsamment détaillés et précis.

Les équations générales des bilans de masse, de quantité de mouvement et d'énergie sont applicables quel que soit le type d'écoulement.

Dans cette étude, on va analyser trois types de géométrie de la cheminée solaire, pour avoir une meilleure efrtcacité, dans tous les cas le collecteur est de type convergent.

11.2- Définition du problème

La production d'électrioité à partir de la cheminée solaire est basée sur une technique primitive de création et de stabilisation de l'effet thermosiphon. L'air est chauffé par effèt de serre dans le collecteur, remonte sous I'effet du gradient de densfté, à travers la tour de cheminée solaire. La cheminée solaire se compose essentiellement d'un capteur solaire appelé le collecteur, une cheminée et d'un aérogénérateur (turbine), figure 11.1.

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Flgur® iL1 : Les principales composantes d'une cheminée solaire

Les géométries considériez sont présentées sur les figures suivantes :

Figuro IL2: La tour de type divergente

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Chapitre 11 Modélisation matiématique

Figuie 11.3: La tour de type cylindrique

Figuro 11.4: La tour de type eonvergente

Nous considérons que la géométrie de la cheminée solaire est composée de deux cavités cyljndriques ouvertes superposées l'une sur l'autre (la oheminée et les collecteurs), La symétrie de révolution du cylindre fait que la solution est bidimensionnelle (ne dépend que de r et z). Les dimensions choisies de la cheminée solaire sont montrées sur la figure 11.1.

Les rayons des sections de sortie de la cheminée (rs) des dffiérents types de géométries sont présentés dans le tableau ci-après :

Covl 0 CovO.70 CovO.50 Cylindrique Divl o Div20 Div30

1.683m 2.533m 3.382m 5.08m 8.477m 11.875m 15.279m

Tableau 11.1: Les rayons des sections de sortie de la cheminée

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ii.3- Hypothèses simplificatrices

Les hypothèses considérées dans la fomulation mathématique sont basées sur : 1. L'écoulement est compressible, mais pour des écoulements de fluide

compressible à nombre de Mach relativement petft (M<0,2 par exemple) on se ramène au cas d'écoulement de fluides incompressibles.

2. L'écoulement axisymétrique en régime stationnaire ( ± = o ).

3. Ont supposé que la paroi de cheminée soft adiabatique (Q = 0).

4. Le fluide est newtonien.

5. Aucun échange par rayonnement au sein du fluide.

6. Aucune sourœ de chaleur et de réaction chimique.

7. Nous supposons être dans le cadre de l'approximation de Boussinesq, qui consiste à Considérer que la masse volumique (p) du fluide ne varie que dans le terme des forces de volume (pesanteur), dont les variations avec la température, supposées linéaires engendrent la convection naturelle.

Ces variations sont alors traduites par une équation d'état qui relie la masse volumique à la température. [21]

L'équation d'état est donc p = p (P, r) = po [1 -P (T -ro)] (11.1) Où:

B : est le coefflcient de dilatation à pression constante est défini par :

p=-#Î)p

TO : est la température de référence.

pO : est la masse volumique à ro.

11.4- Formulation mathématique

Les dérivées des lois physiques de conservation de la masse, de la quantfté de mouvement et de l'énergie sont principalement les équations exprimant les phénomènes d'écoulements.

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11.4.1 -Equation de continuité

L'équation de continuité exprime la loi de la conservation de la masse pour un volume de contrôle.

div V = 0

Pu-r+%TPu+±3PV--° ^(11.2)

11.4.2- Equation du mouvom®nt

Pour établir les relations entre les caractéristiques du fluide et son mouvement et les causes qui le produisent, on utilise Le principe de conservation de la quantité de mouvement. Où on peut indiquer que le taux de variation de quantfté de mouvement contenu dans le volume de contrôle est égal à la somme de toutes les forces extérieures qui lui sont appliquées. [6]

Ont donné les équations de Navier Stokes dans les coordonnées cylindriques suivant :

se,on,adjrectjonr:ug+pË=ÜtË+vzu,+=g

se,on,adirectionz:"â:+ÜÎ:-¢v2v+=Ë-=g

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(11.4)

11.4.3- Equation de l.énergie

L'équation de conservation d'énergie est obtenue à partir du premier principe de la themodynamique. Ce principe met en relation les dffiérentes formes d'énergie.

En coordonnée cylindrique :

"#+vg-±(#+#, ^¢1.5)

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Etude numérique de l'impact de géométrie de la tour dans une centrale à cheminée solaire

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