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

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 T

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%.