Dimensionnement d’un champ solaire

Dimensionnement d’un champ solaire

 LFR à génération directe de vapeur L’architecture en recirculation est utilisée pour cette partie des travaux, car c’est ce mode de fonctionnement qui a été choisi pour le prototype AlsolenSup. En effet, le développement des modèles au début du travail de thèse s’est fait dans une optique d’application des travaux au prototype, utilisant la génération directe de vapeur et un champ solaire de type Fresnel. La modélisation s’est ensuite finalement orientée vers une installation plus proche de la taille de petites centrales existantes, en visant une puissance thermique de sortie d’environ 10 MWth. Le dimensionnement a été réalisé en utilisant à la fois un modèle très simple de la génération de vapeur avec une feuille Excel et la macro XSteam [1], et un modèle dynamique Dymola plus complexe. Des itérations entre ces deux modèles ont permis de converger vers les caractéristiques de fonctionnement décrites dans les sections suivantes.

Puissance thermique et débits

 Le design du champ utilise certaines contraintes que nous avons fixées, servant ainsi de base au dimensionnement : Grandeur Valeur visée Irradiation incidente – point de dimensionnement 1000 W/m² Facteur de concentration géométrique 40 Puissance thermique – sortie surchauffeur 10 MW Température – sortie surchauffeur 450°C Pression – sortie de surchauffeur 85 bars Titre thermodynamique – sortie vaporiseur 0.7 Modélisation et régulation d’un champ solaire en recirculation utilisant des réflecteurs linéaires de Fresnel 128 Température – eau alimentaire 100°C Tableau 5-1 : Contraintes-objectifs de base pour le dimensionnement La température de sortie est choisie à 450°C, cette valeur représentant un bon compromis entre la haute température recherchée par les études récentes du domaine (500°C) [2], et les valeurs moins élevées des prototypes et centrales en fonctionnement actuellement (voir chapitre 2). Le titre visé en sortie de vaporiseur est choisi à 70%, pour les raisons évoqués au chapitre 2. A partir des contraintes résumées par le Tableau 5-1, on peut grâce à un raisonnement en stationnaire simple remonter aux paramètres principaux décrivant le champ solaire, en utilisant au besoin les équations de la section 2.2.1 du chapitre 2 :  A partir de la température et de la puissance thermique voulue en sortie de surchauffe, on en déduit le débit de vapeur nécessaire ;  En supposant un séparateur de phase parfait, et en utilisant la valeur du titre recherché, on en déduit le débit total dans le vaporiseur et le débit de recirculation, ainsi que le débit d’eau alimentaire ;  Le niveau moyen de pression dans le vaporiseur et le titre de sortie donnent la valeur de l’enthalpie du fluide de sortie et de la phase liquide recirculée ;  Les débits et enthalpies d’entrées et sorties du vaporiseur et du surchauffeur permettent de calculer les puissances thermiques échangées ; Le tableau ci-dessous résume les grandeurs résultant de ce raisonnement : Grandeur Valeur obtenue – modèle Excel simplifié Débit de vapeur – surchauffeur 3.06 kg/s Débit alimentaire 3.06 kg/s Débit de recirculation 1.31 kg/s Débit total – vaporiseur 4.37 kg/s Puissance thermique reçue – vaporiseur 6979 kWth Puissance thermique reçue – surchauffeur 1712 kWth Tableau 5-2 : Caractéristiques de fonctionnement obtenues par le modèle Excel simplifié

Configuration du champ solaire et des récepteurs 

La Figure 5-1 montre un schéma de principe du type de champ solaire choisi et permet d’expliciter le cadre de la modélisation. Le vaporiseur est divisé en 4 lignes parallèles alimentant un ballon séparateur commun. La phase liquide est recirculée en entrée du champ solaire par une pompe de recirculation, et la vapeur alimente le surchauffeur (une seule ligne). Ce design à plusieurs lignes parallèles est préféré à celui d’une seule longue ligne pour le vaporiseur car il offre l’avantage d’une meilleure compacité, puisque la ligne de surchauffe a une longueur proche de celle d’une ligne de vaporiseur. Le Tableau 5-2 montre en effet qu’il y a un facteur 4 entre la puissance thermique à apporter au vaporiseur et celle à apporter au surchauffeur. On comprend alors que pour avoir une longueur globalement équivalente entre les deux sections du champ solaire, une configuration comportant 4 lignes de vaporiseur soit retenue. Le tableau ci-dessous résume les paramètres retenus pour les deux types de récepteurs : Paramètre du récepteur Vaporiseur Surchauffeur Nombre de lignes 4 1 Nombre de tubes par récepteur 7 3 Diamètre tube 22.5 mm 42.906 mm 129 Longueur tubes et ligne 257 m 234 m Surface d’échange obtenue 508.6 m² 94.6 m² Flux échangé 20346,2 kW 3784.9 kW Tableau 5-3 : Paramètres choisis pour le dimensionnement des récepteurs La surface d’échange calculée est la surface totale extérieure des tubes, et le flux échangé est calculé à partir de cette surface et du rayonnement direct concentré. On fait donc ici l’hypothèse très simplificatrice que l’échange thermique se fait sur la totalité de la surface extérieure des tubes, et que le rendement thermique et optique est de 100%. Figure 5-1 : Schéma de principe du champ solaire Fresnel dimensionné modélisé Figure 5-2 : Schématisation des récepteurs du vaporiseur (gauche) et du surchauffeur (droite) La Figure 5-2 montre une schématisation des deux récepteurs dimensionnés pour le champ solaire. En comparant les deux tableaux précédents, on voit que la puissance thermique qui doit être absorbée par le fluide (Tableau 5-2) est d’environ 35-40% de la puissance « idéale » reçue par les tubes, calculée comme décrit ci-dessus (Tableau 5-3). Ce rendement est jugée acceptable pour un dimensionnement, considérant les éléments suivants :  L’effet cosinus dû à l’angle incidence réduit l’irradiation incidente effectivement reçue ; 130  Les pertes optiques du champ et des réflecteurs (réflectivité, facteur d’interception, pertes de fin de ligne, erreur de visée, etc.) réduisent le flux incident sur le récepteur ;  Les pertes optiques et thermiques des récepteurs réduisent le flux absorbé par les tubes. Pour pouvoir utiliser des lignes de vaporiseur de même longueur que le surchauffeur, une configuration à plusieurs tubes est utilisée dans le récepteur. Le tableau ci-dessous la compare à une configuration à un seul tube : Configuration 7 tubes par ligne 1 tube par ligne Débit unitaire de ligne 1.09 kg/s 1.09 kg/s Diamètre de tube 0.0225 m 0.06 m Longueur 257 m 700 m Surface totale d’échange 508.6 m² 527.8 m² Puissance thermique – vaporiseur 20346 kW 21112 kW Vitesse moyenne de fluide 0.81 m/s 0.79 m/s Tableau 5-4 : Comparaison des architectures pour le récepteur du vaporiseur On voit qu’en considérant le même débit unitaire de ligne, il faut avec la configuration à un seul tube une longueur de ligne de 700m pour obtenir la même surface d’échange qu’avec 7 tubes, et un diamètre d’environ 6cm pour conserver la même vitesse de fluide. Un design à 7 tubes est donc choisi pour conserver l’architecture à 4 lignes de vaporiseur de longueurs équivalentes à la ligne de surchauffeur.

Tuyauterie externe aux récepteurs

La figure ci-dessous schématise le dimensionnement choisi pour la tuyauterie externe aux récepteurs : Figure 5-3 : Dimensionnement de la tuyauterie externe aux récepteurs 131 Ce dimensionnement permet de définir une longueur de tuyauterie associée au vaporiseur et extérieure aux récepteurs, et son équivalent pour le surchauffeur. Cela permet également de définir le nombre de singularités (coudes, collecteurs, etc.) pour l’ensemble du champ solaire. La longueur ݈ schématisée sur la Figure 5-3 est définie comme la distance séparant deux lignes du vaporiseur, choisie ici à 20 mètres. On calcule ensuite la longueur de la tuyauterie en fonction de cette longueur. Les paramètres calculés pour la tuyauterie externe sont résumés par le tableau suivant : Vaporiseur Surchauffeur Tuyauterie externe – longueur 467m 220m Collecteurs – entrée/sortie de récepteurs 8 4 Jonctions en « T » 6 0 Coudes 6 7 Tableau 5-5 : Tuyauterie externe aux récepteurs et singularités du champ solaire Les collecteurs sont les composants qui répartissent ou rassemblent les débits entre la tuyauterie et les récepteurs multi-tubes du champ solaire. Ces composants génèrent des pertes de charge, raison pour laquelle il est important de les considérer dans le dimensionnement, ainsi que les coudes et les jonctions en « T ». Les réflecteurs du champ solaire seront considérés dans un dimensionnement plus évolué plus loin dans ce chapitre, en utilisant le facteur de concentration géométrique et la surface de la fenêtre pour calculer la surface des réflecteurs.

 Modélisation et étude dynamique du champ solaire

Modèle global et conditions limites

 Le champ solaire a été modélisé en utilisant la bibliothèque Modelica ThermoSysPro, décrite dans le chapitre 4. La figure ci-dessous montre les composants modélisés : Figure 5-4 : Schématisation globale du modèle et de ses composants. Le surchauffeur 132 Le vaporiseur et le surchauffeur sont modélisés par la connexion d’un modèle optique connecté à un modèle de paroi et à un modèle d’écoulement diphasique. Nous ne détaillons pas ici le modèle de paroi et de l’écoulement diphasique, car cela est fait dans le chapitre 6 consacré à la modélisation d’un prototype cylindro-parabolique. Le modèle optique utilisé ici est celui d’un récepteur de type Fresnel. Le séparateur diphasique est modélisé par un ballon dynamique de forme verticale et cylindrique. Il s’agit du modèle Modelica DynamicDrum (Bouskela, El-Hefni) du package WaterSteam/Volumes de ThermoSysPro. Les deux phases sont considérées de manière séparée, avec la phase liquide au fond du ballon. Chaque phase est modélisée par deux équations dynamiques de conservation de masse et d’énergie, en considérant les différents ports fluide du modèle et en considérant un échange de masse et d’énergie entre les deux phases. L’échange de masse entre les deux phases se fait par vaporisation du liquide vers la vapeur ou de la condensation de la vapeur vers le liquide, phénomènes décrits par deux équations. L’échange d’énergie, décrit par une équation supplémentaire, se fait via un simple transfert thermique lorsqu’un déséquilibre existe entre les deux phases. Ces deux phases échangent également chacune de l’énergie thermique avec la paroi du ballon, ce qui donne au modèle deux équations supplémentaires. Ces équations du modèle ne sont pas décrites ici, mais on pourra consulter le code Modelica au besoin, puisque la librairie est disponible sur demande en open-source. Il est intéressant de noter que cette approche de modélisation pour le séparateur de phase est différente des autres études impliquant la modélisation d’un champ solaire DSG en recirculation [3]–[5]. En effet, ces études ne semblent pas modéliser l’interaction entre les phases dans le ballon, mais simplement la séparation des deux et une variation dynamique du volume. L’approche que nous avons utilisée ici décrit ces interactions et permet notamment de modéliser le phénomène de « flash », qui est la vaporisation d’eau saturée dans le ballon lors des chutes de pression. La condition limite pour modéliser l’eau alimentaire en provenance du bloc de puissance et l’eau injectée pour la désurchauffe est une source de débit, à laquelle on impose une enthalpie spécifique. En sortie du champ solaire, la condition limite est une valeur de pression imposée. Le modèle optique utilise comme condition limite le DNI.