Optimisation d’une centrale solaire thermodynamique à concentrateur cylindro-parabolique.

(1)

République Algérienne Démocratique et Populaire

تيبعشلا تيطارقميدلا تيرئاسجلا تيرىهمجلا

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

يلعتلا ةرازو ــــــ

لاعلا م ـــ حبلا و ي ـــــ

ملعلا ث ــــــ

ي

P rojet de F in d' E tudes

Pour l'obtention du diplôme de Master En Génie Mécanique

Option Energétique

Les membres du jury : Présenté par :

Pr. M. KEMIHA Président FEGAS Ferhat

Dr. T. BOUKELIA Examinateur TOTO Nassim Dr. A. BOURAOUI Encadrant

Promotion 2020

UNIVERSITE MOHAMED SEDDIK BEN YAHIA -JIJEL

Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Mécanique

Optimisation d’une centrale solaire thermodynamique à concentrateur cylindro-

parabolique

(2)

Remerciment

Tout d’abord, nos remerciements s’adressent en premier lieu à ALLAH le tout puissant pour la volonté, la santé et la patience qu’il nous a données durant la réalisation de ce modeste mémoire pour atteindre notre objectif.

Au terme de ce travail, nous tenons à remercier, notre encadreur, Mr. A.

Bouraoui pour tous les efforts qu’il a consentis tout au long de l’élaboration de ce travail, ses précieux conseils et ses critiques constructive.

Nous tenons également à remercier les honorables membres du jury : Mr. M. KEMIHA et Mr. T. BOUKELIA, pour l’honneur qu’ils nous ont

accordé en acceptant d’évaluer notre travail.

Nous n’oublierons pas de remercier tous les enseignants du département du Génie Mécanique de l’université Mohamed Seddik Benyahia de Jijel, pour les efforts qu’ils ont fournis durant notre cursus afin de nous amener jusqu’au

bout de la formation.

Enfin, grands mercis à nos familles respectives et nos amis qui nous ont aidés.

(3)

Dédicace

A mes chers parents,

Pour tous leurs sacrifices, leur amour, leur tendresse, leur soutien et leurs prières tout au long de mes études,

A mes chères sœurs Yousra et Sarah,

Pour leurs encouragements permanents, et leur soutien moral, A mon cher frère Mokhtar,

Pour son appui et son encouragement,

A toute ma grande famille pour leur soutien tout au long de mon parcours universitaire,

A tous mes amis.

A tous ceux que j’aime et que je respecte.

Que ce travail soit l’accomplissement de vos vœux tant allégués, et le fruit de votre soutien infaillible,

Merci d’être toujours là pour moi.

Nassim.

(4)

Dédicace

A nos très chers parents avec toutes nos gratitudes pour toutes ces années de sacrifices et d’encouragement.

A nos frères et sœurs et tous nos familles.

A tous les amis.

A tous ceux que nous aimons...

Nous dédions ce travail.

Ferhat.

(5)

i

Nomenclatures

Symbole Description Unité

champ

A Surface du champ solaire [ ]

Débit thermique du fluide chaud [W/k]

Chrg Charge électrique [c]

Débit thermique du fluide froid [W/k]

Cmin Débit thermique minimal [W/k]

Cmax Débit thermique maximal [W/k]

Froid

Cp Chaleur spécifique du fluide froid [J/kg.k]

Cpvap Chaleur spécifique du vapeur [J/kg.k]

Cr Facteur de déséquilibre [-]

CMAE Coût moyen actualisé de l'électricité [c$/kWh]

Diamè Diamètre intérieur de tube absorbeur [ ]

Diamètre extérieur de l'absorbeur [ ]

Diamètre intérieur de la surface de l'enveloppe de verre [ ] Diamètre extérieur de l'enveloppe de verre [ ]

Eele Puissance électrique [kW]

g Constante gravitationnelle [ ⁄ ]

Coefficient de transfert de chaleur par convection pour gaz annulaire

⁄

Coefficient de transfert de chaleur par convection pour le fluide Caloporteur

⁄

Coefficient de transfert de chaleur par convection pour l'air ⁄

Conductivité thermique ⁄

Conductance thermique du gaz annulaire [W/m.k]

Conductance thermique de l'air [W/ .k]

Fluide

m Débit massique de fluide caloporteur [kg/s]

mvap Débit massique de la vapeur [kg/s]

(6)

ii

meau Débit massique d'eau [kg/s]

mcond Débit massique passant à travers le condenseur [kg/s]

mdes Débit massique passant à travers le Désaérateur [kg/s]

Nombre Nusselt basé sur [-]

Nombre Nusselt basé sur l'enveloppe de verre extérieure [-]

NUT Nombre d’unités de transfert [-]

Nombre de Prandtl [-]

Pression de gaz annulaire [Pa]

̇ Taux de transfert de chaleur par convection entre le fluide caloporteur et la paroi interne du tube absorbeur par unité de longueur du récepteur

[W/m]

̇ Taux de transfert de chaleur par conduction à travers la paroi du

tubeAbsorbeur par unité de longueur du récepteur [W/m]

̇ Taux d'absorption du rayonnement solaire dans le tube absorbeur

par unité de longueur du récepteur [W/m]

̇ Taux de transfert de chaleur par convection entre la surface extérieure de tube absorbeur et la surface intérieure de l'enveloppe du verre Par unité de longueur du récepteur

[W/m]

̇ Taux de transfert de chaleur par conduction entre la surface extérieure de tube absorbeur et la surface intérieure de l'enveloppe du verre par de longueur du récepteur

[W/m]

̇ Taux de transfert de chaleur par rayonnement entre la surface extérieure de tube absorbeur et la surface intérieure de l'enveloppe du verre par Unité de longueur du récepteur

[W/m]

̇ Taux d'absorption du rayonnement solaire dans le tube

absorbeurPar unité de longueur du récepteur [W/m]

̇ Taux de transfert de chaleur par convection entre la surface extérieure de l'enveloppe du verre et l'atmosphère par unité de longueur récepteur

[W/m]

(7)

iii

̇ Taux de transfert de chaleur par rayonnement entre la surface extérieure De l'enveloppe du verre et le ciel par unité de longueur du récepteur

[W/m]

Qutil Energie utile délivré par le champ solaire [kW]

Q Flux thermique [kW]

Qmax Flux thermique maximal [kW]

Chaudière

Q Flux thermique échange dans la chaudière [kW]

échauffeur

Q_Pr Flux thermique échange dans préchauffeur [kW]

sortie

Qeau_, Flux thermique de l'eau sortie [kW]

extrait

Qvap_, Flux thermique de la vapeur extrait [kW]

drainée

Qvap_, Flux thermique de la vapeur drainée [kW]

entrée

Qeau_, Flux thermique de l'eau entrée [kW]

Nombre de Rayleigh évalué à D3 [-]

Température ambiante [K]

Température moyenne du fluide caloporteur [K]

Température de surface intérieure de tube absorbeur [K]

Température extérieure de l'absorbeur [K]

Température intérieure de la surface de l'enveloppe de verre [K]

Température de la surface extérieure de l'enveloppe de verre [K]

Température moyenne [K]

Température effective du ciel [K]

wHP Puissance de turbine à haute pression [kW]

wBP Puissance de turbine à basse pression [kW]

total

w Puissance totale des turbines [kW]

condenseur pompe

w _, Puissance de la pompe de condenseur [kW]

r desaérateu pompe

w _, Puissance de la pompe de désaérateur [kW]

(8)

iv

Symboles grecs

Symbole Description Unité

α Diffusivité thermique [ /s]

Absorptance de l'absorbeur [-]

 Efficacité thermique d’échangeur de chaleur (Émissivité) [-]

Absorptance de l'enveloppe de verre [-]

β Coefficient de dilatation thermique volumétrique de l'anneau

gazeux ou aérien [1/k]

Efficacité optique efficace au niveau de l'enveloppe de verre [-]

Efficacité optique effective sur absorbeur [-]

Transmittance de l'enveloppe de verre [-]

Indices

Indices Description

Amb Ambiant

Abs Absorbeur

Cond Conduction

Convection

CS Champ solaire

CP Cycle de puissance

Des Désaérateur

Ele Electrique

Enveloppe

Inc Incident

Nom Nominal

O&M Opération et maintenance

Fluide de transfert de chaleur

Radiation

Sat Saturé

Si Irradiation solaire

Absorption solaire

Vap Vapeur

(9)

v

CSP Concentrateur solaire parabolique

CCP Capteur Cylindro-Parabolique

GDV Génération directe de vapeur

CAA Centre Aérospatial Allemand

IND Irradiation normale directe

DEEU Département d’énergie des Etats Unies

FTC Fluide de transfert de chaleur

ECC Élément de collecteur de chaleur

RLF Réflecteurs linéaires de Fresnel

ECV Évaluation du cycle de vie

LNER Laboratoire national des énergies

renouvelables

COR Cycle Organique de Rankine

PPC Prédicteur de performance de la centrale

électrique à creux parabolique

MS Multiple solaire

SAM Modèle de conseiller système

SET Stockage d'énergie thermique

TRNSYS programme Simulation de systèmes

transitoires

(10)

vi

Liste des figures

Chapitre I

Figure (I.1) : Centrale photovoltaïque ….……… 3 Figure (I.2) : Centrale solaire à tour ………... 4 Figure(I.3) : Centrale à miroir de Fresnel.…………..………... 5 Figure (I.4) : Schéma de la centrale à concentration parabolique ; (a) Principe de

concentration (b) Centrale solaire réel... 6 Figure (I.5) : Centrale cylindro-parabolique... 7

Chapitre II

Figure (II.1) : Représentation schématique de la centrale solaire Andasol 1... 12 Figure (II.2) : Concentrateurs Cylindro-Paraboliques ; (a) Structure schématique des

éléments de CCP, (b) Model réel de CCP ………...…… 13 Figure (II.3) : Tube récepteur du capteur Cylindro-Parabolique... 14 Figure (II.4) : Stockage thermique indirect avec échangeur Andosol-1... 15 Figure (II.5) : Coupe transversale du récepteur : (a) Bilan énergétique, (b) Résistance

thermique analogique au système... 19 Figure (II.6) : Carte d’irradiation solaire... 25 Figure (II.7) : Organigramme de simulation... 28

Chapitre III

Figure (III.1) : Effet de l’espacement [m] et multiple solaire sur ; (a) Energie annuelle [kWh], (b) Rendement global [%], (c) Coût moyen actualisé [c$/ kWh]

……….. 30 Figure (III.2) : Multiple solaire en fonction de la puissance thermique [MW], à

l’irradiation solaire de 700 [W/m²]... 30 Figure (III.3) : Effet de multiple solaire et l’irradiation solaire [W/m²] sur ; (a)

Energie annuelle [kWh], (b) Rendement global [%], (c) Coût moyen

actualisé[c$/ kWh]... 31

(11)

vii

Figure (III.4) : Histogramme de l’espacement et multiple solaire pour ; (a) Energie annuelle [kWh], (b) Rendement global [%], (c) Coût moyen actualisé [c$/ kWh]... 32 Figure (III.5) : Diagramme des pertes d’énergie ; (a) Centrale Andosol-1, (b) Modèle

optimale de Bechar, (c) Djanet, (d) Tamanrasset... 35 Figure (III.6) : Effet d’heure de stockage [h] et l’espacement [m] entre les collecteurs

à Ms =1.9 sur ; (a) Energie annuelle [kWh] (b) Rendement global [%], (c) Coût moyen actualisé [c$/ kWh]... 37 Figure (III.7) : Effet d’heure de stockage [h], et l’irradiation solaire à la conception

[W/m²] à l’espacement =8 [m], Ms =1.9 sur ; (a) Energie annuelle [kWh], (b) Rendement global [%], (c) Coût moyen actualisé[c$/ kWh].. 38 Figure (III.8) : Histogramme de l’espacement [m], Ms pour 7.5 h de stockage

thermique ; (a) Energie annuelle [kWh], (b) Rendement globale [%], et (c) Coût moyen actualisé [c$/ kWh]…... 39 Figure (III.9) : Diagramme avec stockage des pertes d’énergie ; (a)Centrale Andosol-

1, (b) Modèle optimale de Bechar, (c)Djanet, (d) Tamanrasset... 42

(12)

viii

Liste des tableaux

Chapitre II

Tableau (II.1) : Paramètres géométriques et optiques du collecteur………. 17

Tableau (II.2) : Paramètres géométriques, physiques et optiques du récepteur……… 17

Tableau (II.3) : Paramètres techniques et économiques ……… 18

Tableau (II.4) : Propriétés physiques du fluide caloporteur Dowtherm A……… 18

Tableau (II.5) : Données climatiques du site de Bechar………... 25

Tableau (II.6) : Données climatiques du site de Djanet……… 26

Tableau (II.7) : Données climatiques du site de Tamanrasset……….. 26

Chapitre III Tableau (III.1) : Meilleurs paramètres de la centrale sans stockage thermique………. 33

Tableau (III.2) : Comparaison entre les sites de ; Bechar, Djanet, Tamanrasset, et Andasol-1………. 33

Tableau (III.3) : Meilleurs paramètres de la centrale avec stockage thermique………. 40

Tableau (III.4) : Comparaison entre les sites de ; Bechar modèle optimal, Djanet, et Tamanrasset pour installation avec stockage………... 40

(13)

ix

Sommaire

Introduction générale………... 1

Chapitre I. GENERALITES SUR LES CENTRALES SOLAIRES I.1 Introduction………..……….………... 3

I.2 Types des centrales solaires……….……….. 3

I.2.1 Centrale Photovoltaïque... 3

I.2.2 Centrale à tour solaire……...………. 4

I.2.3 Centrale à miroir de Fresnel………...………….………...… 5

I.2.4 Centrale parabolique... 5

I.2.5 Centrale Cylindro-Parabolique……….……….. 6

I.3 Recherches bibliographiques... 7

I.4 Conclusion………..…….…..………… 11

Chapitre II. MODELISATION DE LA CENTRALE SOLAIRE CYLINDRO- PARABOLIQUE « ANDASOL-1 » II.1 Introduction………... 12

II.2 Cycle de puissance de la centrale Andasol-1……… 12

II.2.1 Conception de la centrale……….. 12

II.2.2 Principe de fonctionnement……….. 15

II.3 Etude théorique de la centrale………... 16

II.3.1 Hypothèses……… 16

II.3.2 Paramètres du collecteur………... 17

II.3.3 Paramètres du récepteur……….... 17

II.3.4 Propriétés du fluide caloporteur……… 18

II.3.5 Paramètres du cycle de puissance………. 18

II.3.6 Modélisation thermique du champ solaire (capteur Cylindro- Parabolique)………. 19

II.3.7 Modélisation thermodynamique du cycle de puissance……….……... 21

II.3.8 Performances du champ solaire………...….. 23

II.3.9 Performances du cycle de puissance……….. 23

II.4 Gisement solaire des sites choisis……….. 24

II.4.1 Site de Bechar……… 25

II.4.2 Site de Djanet………. 26

II.4.3 Site de Tamanrasset………... 26

II.5 Description du logiciel de simulation SAM (System Advisor Model)………. 26

II.6 Différents étapes de simulation………. 26

II.6.1 Etape (1) : « Choix du site métrologique »……… 26

II.6.2 Etape (2) : « L’adoption les paramètres des capteurs Cylindro-Parabolique »…. 27 II.6.3 Etape (3) : « L’adoption de l’intervalle des paramètres du champ solaire».. 27

II.6.4 Etape (4) : « L’adoption de l’intervalle d’heure de stockage »………. 27

II.6.5 Etape (5) : « Simulation et obtention des résultats »………... 27

II.6.6 Etape (6) : « Optimisation selon le coût moyen actualisé »……….. 27

II.7 Conclusion………. 28

(14)

x

Chapitre III. Discussions et Analyses des résultats

III.1 Introduction……… 29

III.2 Analyse de la centrale sans stockage thermique……….. 29

III.2.1 Effet de l’espacement……….. 29

III.2.2 Effet de concentration et multiple solaire ………... 31

III.2.3 Optimisation……….... 31

III.2.3.1 Choix du model optimal sans stockage thermique……….. 31

III.2.3.2 Analyse prévisionnelle d’installation du model optimal sur trois sites Algérien………. 33

III.3 Analyse de la centrale avec stockage thermique………. 36

III.3.1 Effet de l’espacement et l’heure de stockage thermique………... 36

III.3.2 Optimisation……… 39

III.3.2.1 Choix du model optimale avec stockage thermique………... 39

III.3.2.2 Analyse prévisionnelle d’installation du model optimal avec stockage thermique sur trois sites algérien……… 40

III.4 Conclusion……….……... 43

Conclusion générale Conclusion générale ………... 44

Références Référence …………...………... 45

(15)

INTRODUCTION

GÉNÉRALE

(16)

INTRODUCTION GÉNÉRALE

1 Introduction générale

La consommation énergétique mondial est en cours d’une augmentation excessive depuis l’époque de la révolution industrielle jusqu’à nos jours.

En effet, les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) sont exploitées d’une manière abusive, elles sont actuellement responsables de deux tiers des émissions mondiales des gaz à effet de serre (GES), et de l’apparition du phénomène de réchauffement climatique, qui risque d’avoir des effets tragique sur l’environnement, l’énergie, politique, le plan sociau-économique.

En outre, les instabilités inattendus des marchés pétroliers ayant une incidence négative sur la croissance économique mondiale, tel que ; le premier et le second choc pétrolier de 1971, et de1978. Comme aujourd’hui, nous traversons une crise inédite, due au fléau de Covide-19, avec la moitié de la population mondiale confinée, les avions cloués au sol, la demande et la consommation sont en baisse, l'économie est à terre.

Cela nous conduit à utiliser les énergies dites renouvelables qui semblent être la solution afin d’assurer la sécurité énergétique, le développement économique et sociale, et surtout la protection de l’environnement pour la population présente, et celle des générations future.

Ces énergies existent sous différentes formes dans la nature, notamment, la force du vent, les rayons du soleil, la biomasse, la géothermique, ou même l’énergie des océans exprimé par les forces des vagues et les marées …etc.

L'énergie solaire est la tendance de ces énergies, elle est transmise par le Soleil sous la forme de lumière et de chaleur. Cette énergie est virtuellement inépuisable à l'échelle des temps, elle est exploitée directement par l’individu.

Dans le cadre de la production d’électricité, il existe deux techniques : l’énergie solaire photovoltaïque (PV) et l’énergie solaire thermique. De manière assez conventionnelle, la première produise directement de l’électricité en utilisant les cellules de semi-conducteur. Tandis que, la deuxième mis en profit le rayonnement solaire et le convertie en puissance thermique.

L’objectif de ce travail est basé sur l’étude de projet d’installation d’une centrale solaire de type Cylindro-Parabolique destiné à la production d’énergie électrique ; modèle Andosol-1 situé en Espagne, sur un site Algérien, du fait, l’analyse par simulation des performances énergétique-

(17)

INTRODUCTION GÉNÉRALE

2

économique de deux configurations sans et avec stockage nous permettent d’optimiser la modélisation la plus convenable sur le marché algérien.

Ce mémoire est structuré après cette introduction en trois chapitres et une conclusion générale : - Dans le premier chapitre nous présentons des généralités sur les centrales solaires y

compris la centrale à concentration type Cylindro-Parabolique, ainsi un aperçu scientifique sur les travaux similaires dans l’axe de recherche.

- Le second chapitre est réservé à l’investigation de la centrale solaire Cylindro- Parabolique « Andasol-1 », en levant le voile sur sa conception et son principe de fonctionnement, en subvention d’une modélisation mathématique des bilans thermiques dans chaque partie de la centrale.

- L’ensemble des résultats obtenus dans le cadre de ce travail et leurs interprétations sont illustrés dans le dernier chapitre.

- Le mémoire est clôturé avec une conclusion générale compromise tous les points prélevés des chapitres.

(18)

Chapitre

1 GENERALITES SUR LES

CENTRALES SOLAIRES

(19)

Chapitre I. Généralités sur les centrales solaires

3

I.1 Introduction

L’énergie solaire est une source énergétique directement transmise par le soleil sous forme de lumière et de chaleur. Elle sert à beaucoup de chose y compris la production de l’électricité, dont il existe deux techniques ; l’énergie solaire thermique (transformation de la chaleur utile en électricité), et l’énergie photovoltaïque (production immédiat de l’électricité à partir du rayonnement solaire).

Les centrales solaires se sont des technologies modernes, développées, et prometteuses, ont des impacts dans les domaines énergétique, et écologique. C’est ce qu’on va présenter dans ce chapitre.

I.2 Types des centrales solaires

I.2.1 Centrale Photovoltaïque

La conversion de la lumière en électricité, baptisé « effet photovoltaïque », a été découverte Par Antoine Becquerel en 1839 [1]. Elle consiste à convertir directement le rayonnement sous forme de lumière en électricité. Pour son emploie, elle a besoin des modules ou panneaux photovoltaïques, composés de cellules solaires ou de photopiles, grâce à l’absorption des photons par les semi-conducteurs, ces derniers, nous fournissent des charges électriques [2] injectées dans le réseau électrique, comme peuvent nous servir dans les installations autonomes [3]. Cette technique offre de multiples avantages : la production de cette électricité est renouvelable, propre, extrêmement fiable et attractive pour les sites urbains, dus à sapetite taille, et silencieuse .Parmi ses inconvénients en note qu’elle dépend de l’ensoleillement, elle a un faible rendement de conversion et un coût très élevé [4] comme: la centrale de Kamuthi en Inde (648MW), la centrale de Californie au États-Unis (579MW), et la centrale Cestas en France (300MW) [5].

Figure (I.1) : Centrale photovoltaïque Kamuthi[6]

(20)

4 I.2.2 Centrale à tour solaire

Les centrales solaires à tour sont constituées de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudière située au sommet d’une tour. Les miroirs répartis sont appelés héliostats. Chaque héliostat est orientable et suit individuellement les rayons incidents du soleil et les réfléchit avec précision en direction du récepteur au sommet de la tour solaire. Le facteur de concentration peut dépasser 1000, ce qui permet d’atteindre des températures importantes allant de 600°C à 1000°C.

L’énergie concentrée sur le récepteur est ensuite soit directement transféré au fluide thermodynamique (génération directe de vapeur entraînant une turbine ou chauffage d’air alimentant une turbine à gaz), soit utilisée pour chauffer un fluide caloporteur intermédiaire. Ce dernier est ensuite envoyé dans une chaudière et la vapeur générée actionne des turbines. Dans tous les cas, les turbines entraînent des alternateurs pour produire de l’électricité [7].Les centrales à tour présentent plusieurs avantages. D’abord, ce sont les rayons du soleil réfléchis par les miroirs qui sont collectes au niveau du récepteur, ceci permet de minimiser les pertes de chaleur. De plus, le facteur de concentration est très important ce qui assure non seulement une grande efficacité mais aussi de plus hautes températures qui peuvent aller jusqu'à 1000°C [8].

Parmi ses inconvénients, elle nécessite un ensoleillement intense et une surface au sol importante [9]. En prend comme exemples de cette technologie ; La centrale GEMASOLAR (19,9 MW) à Séville, la centrale IVANPAH SOLAR POWER FACILITYde Bright Source Energy (392 MW) au Californie [10].

Figure (I.2) : Centrale à tour solaire [11]

(21)

5 I.2.3 Centrale à miroir de Fresnel

La technologie des réflecteurs linéaires de Fresnel (RLF) est très jeune, elle vient d’entrée dans sa phase de commercialisation [12].Son principe de fonctionnement réside en des miroirs plans (plats) dits «réflecteurs compacts linéaires", chacun de ces miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un fluide caloporteur circulant dans un tube absorbeur horizontal. Puis cette énergie est transférée à un circuit d’eau, la vapeur produite actionne un ensemble turbine-alternateur qui produit de l’électricité [13].Cette technologie présente des avantages ; elle utilise moins de miroirs, l’absence de vide à l’intérieur du tube récepteur, ce qui facilite sa conception et sa durabilité, son coût de construction est réduit en raison de son assemblage rapide. Par contre elle a quelques inconvénients ; sa performance optique est inférieure par rapport au miroir cylindro-parabolique, et son Système d’orientation est individuel pour chaque miroir [14].

La centrale Puerto Errado-1, située en Espagne, est la première centrale de RLF avoir le jour en 2009. Une deuxième centrale Puerto Errado-2 est mise en place en 2012, d'une capacité de 30 MW avec système de stockage [15].

Figure (I.3) : Centrale à miroir de Fresnel [16]

I.2.4 Centrale parabolique

Un concentrateur parabolique est constitué d'un réflecteur de forme parabolique qui reflète le rayonnement solaire sur un récepteur monté sur le point focal. Les composants du système sont présentés sur la Figure (I.4-a). La concentration parabolique permet d'atteindre les facteurs de concentration les plus élevés, de 1000 à 3000, et les températures de fonctionnement peuvent atteindre 1500°C. Cependant, la température est limitée par le moteur, de 700°C à 850°C, selon

(22)

6

les moteurs thermiques [17], En effet, le moteur Stirling est celui le plus utilisé, il fonctionne grâce à la montée en température et en pression d’un gaz contenu dans une enceinte fermée. Ce moteur convertit l’énergie solaire thermique en énergie mécanique et ensuite en électricité [18].Les systèmes à miroirs paraboliques présentent des rendements de conversion élevés, de plus de 30% ou l’eau n’est pas nécessaire au refroidissement, elles sont modulaires et pour les centrales de grande taille, le stockage thermique peut être intégré avec une grande efficacité. En outre, il n’existe aucune centrale de grande taille à destination commerciale, et par conséquent, les coûts d’investissement et de fonctionnement sont inconnues [19].L’unique projet significatif existant à ce jour, pour ce type de concentrateur, est la centrale solaire de Maricopa en Arizona développée par Tessera Solar en collaboration avec Stirling Energy Systems. Inaugurée en janvier 2010, cette centrale est composée de 60 paraboles, chacune équipée d’un moteur Stirling de 25 kW, d’une capacité de 1,5MW [15].

(a) (b)

Figure (I.4) :Schéma de la centrale à concentration parabolique ; (a) Principe de concentration [17], (b) Centrale solaire réelle [15]

I.2.5 Centrale Cylindro-Parabolique

Les centrales solaires à capteurs Cylindro-Paraboliques font partis du Solaire Thermodynamique. La technologie de réflecteurs Cylindro-Paraboliques est la plus fréquente et est actuellement utilisée par les plus puissantes centrales solaires au monde dans le Sud-ouest des Etats-Unis et dans le Sud de l’Espagne. Ce type de centrale est constitué de miroirs hémicylindriques, orientés sur l’axe nord-sud en poursuite du soleil.

Les rayons solaires sont concentrés sur un tube horizontal, où circule un fluide caloporteur qui servira à transporter la chaleur vers des échangeurs de chaleur. La température du fluide peut

(23)

7

atteint le seuil de 500°C ou plus. Cette énergie est transférée à un circuit d’eau, la vapeur alors produite actionne des turbines qui produisent de l’électricité. Certaines centrales sont désormais capables de produire de l’électricité sans coupure, nuit et jour, grâce à un système de stockage sous forme de chaleur sensible ou de chaleur latente à base d’une réaction réversible [20].Le caractère d’orientation des capteurs permet d’obtenir le meilleur rendement possible. Cependant, le fluide de transfert thermique utilisé possède une plage de températures exploitables limitée et qui comporte des risques pour l'environnement. De plus, cette technologie possède différents inconvénients, dont, le rendement du système diminue en début et en fin de journée en raison des ombres. Enfin, les miroirs présentent également une grande prise au vent et donc des contraintes mécaniques liées au vent doivent être prises en compte[21]. Exemples de ses centrales:Andasol-1 située en Espagne (150 MW), Nevada Solar One aux États-Unis (64 MW)[22].

Figure (I.5) :Centrale Cylindro-Parabolique [23]

I.3 Recherches bibliographiques

O. Badran et al. [24] ont fait une simulation et une analyse de l’installation d’une central Cylindro-Parabolique pour identifier le meilleur site adapté, ils ont trouvé que le site Amman est le plus favorable pour cette étude en le comparant avec celui de Amman, leurs objectif est de sensibilité le gouvernement Jordanien à pencher vers l’exploitation de l’énergie solaire et réduire les émissions des gaz à effet de serre.

M.J. Montes et al.[25]ont effectué une analyse économique en étudiant l’influence du multiple solaire sur les performances annuelle d’une centrale GDV de 50 MW avec stockage thermique et chaudière auxiliaire en gaz naturel. Les résultats obtenus montrent clairement que le

(24)

8

coût de l’électricité est plus élevé par l’augmentation du multiple solaire contrairement à la consommation du carburant, cela est par rapport à l’augmentation de l’énergie stockée.

M.J. Montes et al. [26] Ont fait une optimisation économique de multiple solaire pour une installation à auge parabolique uniquement solaire et sans stockage thermique. L'étude est basée sur la simulation des performances annuelles. La production annuelle d’électricité est calculée pour chacune des tailles des panneaux paraboliques considérées. Ils ont trouvé que les grandes tailles de champs solaires sans stockage thermique obtiendraient une mauvaise rentabilité.

A. Poullikkas. [27] a présenté une étude pour examiner si l’installation d’une vasque parabolique solaire thermique pour la production d'électricité dans la région méditerranéenne (Chypre) est économiquement réalisable. Pour cela il a manipulé deux paramètres (capacité et le coût d’investissement).Sur la base de ces travaux, les résultats indiquent que l’installation d’une technologie solaire thermique parabolique dans la région méditerranéenne (comme dans le cas de l’île de Chypre) peut être rentable et économiquement réalisable dans certaines conditions. Ces conditions dépendent principalement de la taille de la station, le degré de stockage, le coût initial et le coût de terre.

M. J. Montes et al. [28] ont étudié le développement des technologies FTC pour les centrales solaire thermique de base CSP. L’évolution de ces technologies est basée sur des paramètres importants comme : longueur du collecteur, diamètre du tube absorbant, température et pression de fonctionnement. D'après les résultats ils ont conclu que l'eau-vapeur ont une efficacité nominale légèrement supérieure à celle de l’huile ou du sel, avec une meilleur performance annuelle est celle de la technologie GDV (Génération directe de vapeur).

I.L. Garcia et al. [29]ont réalisé une simulation qui reproduit les performances des centrales solaires Cylindro-Paraboliques avec un système de stockage thermique. L’objectif de ce modèle est de faciliter la prévision de la production d’électricité de ces centrales aux différentes étapes de leur planification, de leur conception, de leur construction et de leur exploitation. Les résultats d’une centrale électrique de 50MWe sont présentés et comparés aux données réelles d’une centrale électrique équivalente actuellement exploitée par ACS Industriel Group en Espagne. Ces résultats sont comparés avec des données réelles d’une centrale équivalente située en Espagne avec une capacité de 50MW. Ils ont trouvé que ce modèle donne des excellents accords.

(25)

9

V. Piemonte et al. [30] ont effectué une évaluation du cycle de vie (ECV) d'une centrale à concentrateur de sel fondus CSP combinée a une biomasse .Cette évaluation a été réaliser au moyen de logiciel simaPro7, après ils ont fait une comparaison des performances environnementales de la centrale CSP avec ceux du pétrole et du gaz. Les objectifs de ECV sont d’évaluer les effets des interactions entre un produit et l’environnement, aide à comprendre directement les impacts environnementaux. Finalement ils ont trouvé que la station MS-CSP est préférable en ce qui concerne les centrales classiques (pétrole et gaz).

K. S. Reddy et al. [31] ont étudié la configuration optimale réalisée à 58 emplacements dans l’Inde. L'analyse est réalisée en utilisant différents fluides comme huiles et l’eau. L’analyse du champ de collecteur pour la production d’électricité est effectuée en fonction des différents paramètres géométriques.

S. K. Kariuki et al. [32]ont étudié la variation de certaines paramètres tel que le multiple solaire et la surface de la taille des collecteurs avec et sans stockage thermique d’une centrale Cylindro-Parabolique situé en Kynnie à l’aide du logiciel SAM pour établir l’optimisation économique de l’énergie solaire, il ont été constater que l’augmentation du multiple solaire conduit à élever la surfaces des collecteurs par conséquence le stockage reçoit plus de chaleur ce qui augmente la production de l’électricité et assure le bon fonctionnement de la central.

K. S. Reddy et al. [33] ont fait une étude énergétique et éxergétique pour une centrale parabolique avec un moteur thermique de Rankine dans deux sites (Jodhpur,Delhi). Pour cela ils ont évalué les pertes énergétiques et éxergétiques et les efficacités de la centrale parabolique.

D'après les résultats obtenue ils ont conclu que les pertes éxergétique sont les plus importantes et que la moyenne annuelle de l’efficacité énergétique peut être augmentée, de 22,02% à 22,62%respectivement pour l’emplacement de Jodhpur, et dans le cas de Delhi, il peutaller de 20,98 % à 21,50 % respectivement. L’efficacité éxergetique peut être augmentée, de 23,66% à 24,32% pour Jodhpur et de 22,56% à 23,11% pour Delhi.

O. Dumont et al. [34] ont fait la conception et la modélisation expérimentale d’une microcentrale solaire dont le but est d’optimiser et tester des stratégies sur le stockage thermique, ce travaille décrit la méthodologie du dimensionnement de cette central en appuyant sur la technologie COR (cycle organique de Rankine) qui fonction à basse température et qui permet de simplifier le design des collecteurs et réduire le coût d’investigation.

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M. Abbas et al. [35] ont effectué une simulation numérique à l’aide du logiciel SAM dont le but est de faire de la centrale solaire Cylindro-Parabolique une technologie techniquement réalisable et économiquement fiable pour la production de l’électricité dans déverse conditions climatique algérienne via l’étude des performances énergétiques et économiques pour que la production électrique attend les 100MWT.

SH. Saleem et al.[36]ont étudié l’installation d’une centrale Cylindro-Parabolique en Pakistan pour l’analyser les paramètres suivant :la vitesse du vent, la pente, l’utilisation du sol, les lignes de transport, le réseau routier et ferroviaire, ressources en eau et disponibilité de gaz naturel, etc… pour trouve le meilleur emplacement de la central dont le but est d’atteindre ses objectifs en matière d’énergie verte, et d’après la comparaison du coût de cette central avec les combustibles fossiles classiques et les centrales en énergie renouvelable existante déjà en Pakistan, ils ont constaté que la central Cylindro-Parabolique est concurrente sur le marché énergétique du pays.

R. Silva et al. [37] ont optimisé les performances thermo-économiques d’une installation solaire parabolique pour l’application industrielle en intégrant sa conception, simulation, analyse économique et optimisation basée sur plusieurs paramètres : nombre de collecteurs en série, le nombre de rangées de collecteurs, l’espacement des rangées, le volume de stockage et les économies du cycle. Finalement les résultats suggèrent que la performance économique à court terme constitue toujours un obstacle à la pénétration du marché des produits des CSP pour des applications industrielles, en raison de l’exigence strictes du secteur industriel. Néanmoins, l’évolution future des prix des combustibles fossiles joue un rôle important dans la performance économique et peut changer rapidement le panorama pour cette technologie dans l’avenir.

A. Lourdes et al. [38] ont établi un modèle dynamique du processus du chauffage par fluide caloporteur FTC à travers un champ solaire par logicielle SIMULINK dont le but est d’avoir un mode de processus très visuel et facile à suivre pour optimiser le contrôle de la température des fluides sans interférer avec le fonctionnement de la centrale solaire Cylindro- Parabolique expérimenté.

T. M. Sanan et al. [39]ont proposé une conception d’une central parabolique autonome d’une puissance 1.2KW, ils ont choisis le site solaire de l’Université Technologie PETRONAS (UTP), Malaisie comme emplacement du fonctionnement de cette central, l’étude a été faite à l’aide du logiciel SIMULINH THERMOLIB , ils ont pris en considération certaine condition telle que le rayonnement solaire et la température ambiante , de plus d’autre paramètres telle que

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le dimensionnement du collecteur , et son emplacement . Ce dernier a permet une évaluation initiale de la fiabilité technique de toute centrale solaire thermique similaire.

T. M. Sanan et al. [40] ont développé et tester un code appelé PPC (Prédicteur de performance de la centrale) dont le but est de pré-visionner le rendement et les performances des centrales solaires paraboliques dans les conditions nominal, cet étude a été faite sur le site de l’Université Technologie PETRONAS (UTP) en Malaisie.

M. Abdul Baseer et al. [41] ont réalisé et analysé la conception, la performance et l’optimisation d’une centrale Cylindro-Parabolique d’une capacité de 100MWT avec le système SET dans deux différents sites situés au Moyen-Orient (Abu Dhabi et Assouan) dont le but est d’avoir l’évolution du rendement et la capacité de la centrale. Ce travail a été effectué à l’aide du logiciel SAM. Selon les résultats des deux sites, ils ont trouvé que les résultats des deux sites sont presque similaire, ce qui prouve que la centrale CCP proposée peut contribuer à la venir énergie durable de la région du Moyen-Orient.

I.4 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté les différents types des centrales solaire existante jusqu’ à nos jour, leurs principes de fonctionnements, leurs avantages et inconvénients. Dans la deuxième partie du chapitre, nous avons effectué une recherche bibliographique dont la quelle nous avons identifié quelques recherches scientifiques faites dans notre vaste domaine d’étude.

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Chapitre 2

MODELISATION DE LA CENTRALE SOLAIRE

CYLINDRO-PARABOLIQUE

« ANDASOL-1 »

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Chapitre II. Modélisation de la centrale solaire Cylindro-Parabolique « ANDASOL-1 »

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II.1 Introduction

Dans ce chapitre nous présenterons les différents composants de la centrale Andasol-1, à travers une modélisation thermique du capteur CCP, et autre thermodynamique pour le cycle de puissance. Les étapes de simulation par logiciel SAM sont incarnées dans un organigramme.

II.2 Cycle de puissance de la centrale Andasol-1

Figure (II.1) : Représentation schématique de la centrale solaire Andasol 1[56]

II.2.1 Conception de la centrale a) Fluides caloporteurs

Le rôle primordial du fluide caloporteur est de conserver et véhiculer l’énergie convertie sous forme de chaleur [19]. Jusqu’à présent, les fluides caloporteurs sont classés selon leurs emplois dans le cycle de puissance :

L’huile synthétique est « DOWTHERM A », qui fait l’objet la pièce maitresse dans le tube absorbeur, composé de Biphényles (C12H10) et d’Oxyde de Diphényle (C12H10O). Son exploitation est entre 15 °C et 400 °C. Il est stable, résistant à haute température. Sa viscosité relativement faible renforce sa transmissibilité thermique, et minimise les difficultés de pompage [42]

L’eau est à priori un fluide de transfert idéal, offrant un excellent coefficient d’échange et possède une forte capacité thermique. En outre, elle est adoptée directement comme fluide thermodynamique dans le cycle de Rankine [19].

Les sels fondus sont des fluides réputés par leurs grandes capacités de stockage d’énergie thermique. Le Hitec est fréquemment utilisé dans la centrale comme un fluide de stockage

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thermique, il est composé de ; 53% masse de KNO3, 40 % de Nano2, et 7 % de Nano3, ses propriétés physiques sont caractérisés par ; température de fusion peut franchir la barrière de 146 °C, ainsi, il peut atteindre des températures de 500 °C sans se dégrader. [43].

b) Concentrateur Cylindro-Parabolique

Le collecteur est la pièce maitresse dans la centrale, il est composé ; d'un réflecteur parabolique (miroir), une structure métallique, un tube récepteur et un système de poursuite solaire figure (II.2) :

 Miroirs

Ils sont composés de verre pauvre en fer, dont la transmission atteint 98%. Un réflecteur de bonne qualité peut réfléchir 97% du rayonnement incident. Le facteur de concentration pour un capteur Cylindro-Parabolique est d'approximation de 80 [44]

 Tube récepteur

Le tube absorbeur baptisé « Heat Collector Element : HCE », il est constitué d’un tube en acier inoxydable comprenant un revêtement sélectif (généralement couche de cermet) de couleur foncée placé sur la face interne, il est conçu à absorber le maximum de rayonnement solaire en émettant très peu d’infrarouges pour réduire les pertes thermiques (convection et rayonnement) vers l’extérieur, ce tube est entouré par une enveloppe en verre sert à créer l’effet de serre dans l’espace annulaire figure (II.3). [13].

 Mécanisme de poursuite

Le rôle du mécanisme de poursuite est d'adapter l'inclinaison du capteur de manière à ce que la radiation solaire incidente soit toujours perpendiculaire au réflecteur [44].

(a) (b)

Figure (II.2) : Concentrateurs Cylindro-Paraboliques ; (a) Structure schématique des éléments de CCP, (b) Model réel de CCP [15]

(31)

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Figure (II.3) : Tube récepteur du capteur Cylindro-Parabolique [45]

c) Surchauffeur et réchauffeur

Le surchauffeur est particulièrement installé en multiple section afin d’optimiser la température de la vapeur saturée à l’entrée de la turbine à haute pression, le réchauffeur est conçu à récupérer la chaleur du fluide synthétique et la renvoyée à la turbine à basse pression [46].

d) Chaudière (Evaporateur)

L’eau d’alimentation préchauffée provenant de l’économiseur est vaporisée dans la chaudière [47].

e) Turbines haute et basse pression

Le cycle de puissance est équipé d’une turbine de deux étages à haute pression et cinq étages à basse pression, la vapeur sortante de la turbine à haute pression passe à travers un réchauffeur avant d'entrer dans la turbine à basse pression. Dans chaque étage de cette dernière, la vapeur subit à une extraction et s’est envoyée en parallèle au préchauffeur à condensation et au désaérateur. En outre, le travail mécanique engendré par le transfert d’énergie potentielle en énergie cinétique au moment de rotation des aubes de la turbine est converti en énergie électrique par un générateur de courant [48].

f) Condenseur

Le fluide entre dans le condenseur dans un état de vapeur surchauffée, en contact avec les parois, il se refroidit en sortant sous forme de liquide saturée (condensat) [47].

g) Préchauffeur à condensation

Est un petit condenseur qui fonctionne à une pression beaucoup plus élevée que le condenseur principal. Il vise à diminuer la puissance thermique éjectée par la turbine d’une part, et croitre la température de l'eau d'alimentation d’autre part, en économisant la rentabilité énergétique du champ solaire, et améliore l'efficacité du cycle [48].

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15 h) Désaérateur

Est un échangeur de chaleur à contact direct destiné pour l'éliminer des bulles et des microbulles présentes dans le circuit qui peuvent causer des problèmes de corrosion [49].

i) Pompe

Le cycle comporte deux usages de la pompe ; le premier fait augmenter la pression de l’eau provenant de condensateur, et le deuxième est installé juste après le désaérateur avec l’intention d’élever la pression lors de sa sortie [49].

j) Technologie de stockage

La centrale électrique d’Andasol-1 mis en service une technique de stockage implicite (STE), dont elle possède deux réservoirs du sel fondu de 36 m de diamètre et de 14 m de hauteur, à une capacité de stockage de 1010 MWh, ce qui correspond à une durée de stockage d’environ 7 heures et 30 minutes [50]. Lorsque l'ensoleillement est supérieur aux capacités des turbines, ou le réseau électrique est surcharge, la chaleur en surplus est dirigée vers un stockage thermique, sous une pression atmosphérique, le sel fondu passe du réservoir froid au réservoir chaud en échangeant de la chaleur avec le fluide caloporteur. [51]. Pour une utilisation ultérieure, le système fonctionne simplement à l’envers pour réchauffer le fluide caloporteur du champ solaire, et générer la vapeur et faire fonctionner la centrale [52]. (Voir figure (II.4))

Figure (II.4) : Stockage thermique indirect avec échangeur Andosol-1[53]

II.2.2 Principe de fonctionnement

La centrale Andasol-1 à une ouverture de champ solaire de 510120 m², composée de 624 collecteurs cylindro-paraboliques « Skal-ET »,reparties sur 156 boucles en parallèles, et chaque boucle contient quatre collecteurs connectés en série, dont les capteurs solaires sont constitués plus de 200 000 miroirs qui reflètent les rayons solaires concentrés sur 22 464 tubes récepteurs de type « Schott PTR-70 et UVAC ». Pour une capacité de 50Mw,de plus, la centrale est dotée

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d’une technologie exclusive de poursuite du soleil afin de maximiser l’énergie thermique collectée.

Le fluide caloporteur (FTC) employé dans les récepteurs est « Dowtherm A », cette huile synthétique est chauffée à 393ºC, et circule dans les tubes pour faire bouillir de l’eau à base du cycle de Rankine[54]. La vapeur surchauffée acquise à travers une série d’échangeur (économiseur, évaporateur, surchauffeur) est dirigée vers l'entrée de la turbine à haute pression branchée avec un générateur d’électricité. À sa sortie, la vapeur passe par un deuxième réchauffement dans le réchauffeur avant d'entrer dans la turbine à basse pression, et cela pour éviter l’humidité excessive dans les étages de la turbine, ce qui conduit à augmenter le travail et l’efficacité du cycle. La vapeur sortante de la turbine est condensée en eau via un condenseur, cette eau est préchauffée afin d’augmenter la température à basse pression, puis, elle est traitée par désaérateur en éliminant de l’air et d’autre dissous qui peuvent provoquer des problèmes de corrosion. Cette dernière est pompée à pression légèrement plus élevée que la pression de la chaudière et rejoint à nouveau l’économiseur[55]. Voir la figure (II.1).

La centrale d’Andasol-1 possède un système de stockage thermique qui conserve une partie d’énergie solaire journalière dans un mélange de sel fondu à 60% de nitrate de sodium et 40% de nitrate de potassium. Ce procédé est fonctionnel après le coucher du soleil ou pour un ciel couvert pendant une durée environ de 7h et 30min à pleine charge. En cas de nécessité, la centrale exploite également un combustible fossile à 12 % provenant d’un réchauffeur à gaz naturel.

L’inauguration de la centrale d’Andasol-1 a commencé en juillet 2006 et après 28 mois de construction, elle a été mise en service en novembre 2008[54].

II.3 Etude théorique de la centrale

II.3.1 Hypothèses

 Le cycle est un Système ouvert

 L’écoulement des fluides est en régime permanent et turbulent

 Les propriétés des fluides dépendent uniquement de la température.

 L’eau à la sortie du désaérateur est considérée à l’état liquide saturé

 L’eau à l’entrée de l’évaporateur est considérée à l’état vapeur saturée