MODELISATION D’UN CAPTEUR SOLAIRE CYLINDRO-PARABOLIQUE

MODELISATION D’UN CAPTEUR SOLAIRE
CYLINDRO-PARABOLIQUE

Généralités sur les capteurs solaires cylindro-paraboliques 

Introduction

 La technologie solaire thermodynamique a pris part dans la recherche de nouveaux mécanismes de mise en valeur des énergies renouvelables. Cette nouvelle forme d’énergie est présentement la plus éprouvée car les énergies fossiles existantes et usuelles (énergie fossile, énergie nucléaire etc. . . ) sont épuisables et ont un impact environnemental inestimable. Parallèlement au solaire photovoltaïque qui convertit le rayonnement lumineux en électricité, les techniques de concentration utilisent la chaleur du soleil tantôt pour chauffer un liquide c’est l’exemple des capteurs plans tantôt pour produire de l’électricité c’est le cas des centrales solaires à concentration.Il existe plusieurs types de systèmes à concentration parmi lesquels il y’a les miroirs de Fresnel, les tours solaires, les capteurs paraboliques et les capteurs cylindro-paraboliques. Chacune de ces technologies présentent des avantages et des contraintes liés généralement au facteur de concentration ou au coût de l’installation. Par contre les capteurs cylindro-paraboliques présentent un coût d’installation abordable avec un facteur de concentration assez considérable parmi les autres cités précédemment. C’est sur ce que ce présent chapitre s’intéresse aux capteurs solaires cylindro-paraboliques.En effet il comporte la description des différents composants de ces capteurs (les systèmes d’échange thermique, les fluides caloporteurs usuels) ainsi que le rendement des capteurs. 3 Enfin la dernière partie se consacre à la revue sur les méthodes d’amélioration des performances de ces capteurs. 

 Description brève des capteurs solaires cylindro-paraboliques 

Le capteur solaire cylindro-parabolique est l’une des technologies des centrales solaires à concentration. Dans ces centrales l’énergie solaire thermique est concentrée pour chauffer un fluide caloporteur qui transmet la chaleur à un alternateur qui produit de l’électricité. A l’exception des capteurs solaires plans qui fonctionnent à de basses températures et des centrales solaires thermiques composées d’un champ de miroirs qui renvoient la chaleur en un seul point (tour solaire), les capteurs cylindro-paraboliques sont constitués de miroirs paraboliques disposés à l’arrière d’un tube récepteur du rayonnement reflété par ces miroirs. L’énergie thermique reçue par le concentrateur est absorbée par ce tube métallique enveloppé par un tube en verre sous vide. Dans ce tuyau circule le fluide caloporteur qui peut être chauffé par une température d’environ 400˚C. Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs conventionnels afin de produire une vapeur surchauffée qui fait fonctionner une turbine générateur électrique (Cf figure I.1). Figure I.1 – Structure d’une centrale à concentration 

Les différents composants d’un CCP

 Le collecteur Le collecteur est l’élément de base du champ solaire. Il est composé d’un miroir parabolique appelé réflecteur, d’une structure métallique, d’un tube récepteur et d’un système de poursuite solaire dont le rôle est d’adapter l’inclinaison du capteur de telle sorte qu’il pourra récupérer le maximum de la radiation solaire. Ainsi cette radiation est réfléchie au foyer de la parabole et concentrée sur le tube récepteur dans lequel circule le fluide caloporteur. Le miroir est composé de verre pauvre en fer, dont la transmissibilité atteint 98%. Ce verre est recouvert d’une pellicule d’argent en sa partie inférieure, et d’un enduit spécial de protection. Un réflecteur de bonne qualité peut réfléchir 97% du rayonnement incident. La structure métallique doit être suffisamment solide pour résister aux importantes contraintes mécaniques liées au vent. En plus de cela elle doit être munie d’extrémités assurant la compatibilité entre les dilatations thermiques inégales de l’acier et du verre. Le tube récepteur est composé de l’absorbeur qui est parcouru par le fluide caloporteur, devant recevoir l’énergie thermique du rayonnement concentré. Le récepteur doit avoir la capacité de céder le maximum de radiation incidente autrement dit éviter toute réflexion du rayonnement incident et des pertes thermiques dues aux échanges convectifs et radiatifs. Afin de limiter ces pertes, l’absorbeur est logé dans un tube en verre sous vide (Cf figure I.2). Les collecteurs connectés en série forment une file qui à son tour est reliée en parallèle, Ceci constitue le champ solaire qui est la partie réceptrice de l’installation où l’énergie solaire est transformée en énergie thermique. Ainsi la taille du champ solaire dépend de la puissance désirée et de la température du fluide caloporteur à la sortie du tube. Les collecteurs sont alignés dans la direction nord-sud, et disposent d’un système mono-axial 5 Figure I.2 – Structure du tube récepteur pour suivre la course du soleil dans la direction est-ouest. Un senseur permet de contrôler la position du soleil par rapport à la rangée de collecteurs. Cette information est transmise au système de contrôle central qui ajuste l’angle d’inclinaison en fonction de la position du soleil. Le champ solaire peut être sous plusieurs configurations qui dépendent de la manière dont il est alimenté en fluide caloporteur. Le système d’échange de chaleur dans les CCP Le fluide caloporteur transfert la chaleur absorbée à travers le champ solaire, au fluide de travail (eau ou vapeur d’eau) qui dépend incontestablement du cycle thermodynamique. Généralement le cycle utilisé dans les centrales solaires thermiques à CCP est le cycle de Rankine avec deux surchauffeurs. Le fluide de transfert est pompé à partir de réservoir de stockage avec un débit constant vers deux systèmes d’échangeurs de chaleur. Le premier système est constitué d’un économiseur, évaporateur et un surchauffeur et l’autre est constitué d’un resurchauffeur. Les échangeurs de chaleur sont de type à contre-courant. Le fluide caloporteur et l’eau du cycle de Rankine circulent dans des directions opposées. Le fluide caloporteur entre dans le surchauffeur à haute température avant de passer au générateur de vapeur ou l’eau du cycle de puissance subit un changement de phase de l’état liquide à l’état vapeur. Ensuite, le fluide caloporteur passe à travers l’économiseur où il cède à l’eau qui est à l’état liquide (appelé d’alimentation) son énergie. Le fluide caloporteur refroidi sortant du système d’échangeur est remis en circulation à travers le champ solaire. Il est à noter que la resurchauffe intermédiaire du cycle de Rankine est 6 assurée par le surchauffeur dont la sortie est regroupée avec celle de l’économiseur. Avant de retourner à l’économiseur pour compléter le cycle l’eau d’alimentation à l’état liquide sortant du condenseur passe à travers trois préchauffeurs à basse pression, un dégazeur et puis à travers deux préchauffeurs à haute pression. Cette centrale obtient également une turbine à haute pression à deux soutirages et une autre à basse pression à quatre soutirages de vapeur qui va circuler dans les préchauffeurs. Cette vapeur soutirée est utilisée pour chauffer l’eau d’alimentation avant son entrée dans l’économiseur pour augmenter l’efficacité du cycle. La vapeur sortante de la turbine à basse pression est condensée dans un condenseur [1]. Les fluides caloporteurs et thermodynamiques usuels Le fluide caloporteur ou fluide de transfert est le fluide circulant dans l’absorbeur, il est chargé du transport de la chaleur. Tandis que le fluide thermodynamique appelé aussi fluide de travail est celui qui est utilisé pour mouvoir les machines telles que les turbines, générateurs d’électricité, moteurs ect. En général le fluide caloporteur est utilisé comme fluide thermodynamique cependant son choix détermine la température maximale admissible, oriente le choix de la technologie et des matériaux du récepteur et conditionne la possibilité et la commodité du stockage. Donc en quelque sorte il faut des fluides performants pour optimiser les transferts de chaleur avec l’absorbeur. Ils doivent obéir à certaines normes [13]. • Avoir une capacité calorifique et une conductivité thermique élevée • Avoir une faible viscosité pour faciliter la circulation • Etre peu corrosif afin de ne pas user le dispositif • Avoir une bonne stabilité aux températures élevées • Etre non toxique c’est-à-dire avoir un impact faible sur l’environnement • Etre d’un prix réduit et disponible Les fluides caloporteurs et thermodynamiques les plus utilisés sont : 7 • Les huiles synthétiques, sont en général les plus utilisées dans les CCP. Elles présentent un bon coefficient d’échange avec une capacité thermique d’environ 400˚C. • Les sels fondus, sont à base de nitrate de sodium et de potassium elles offrent un bon coefficient d’échange et ont une densité très élevée. Ceuxci sont donc de très bons fluides de stockage ; leur température de sortie peut atteindre les 650˚C. • Les gaz tels que l’hydrogène ou l’hélium peuvent être utilisés comme fluides thermodynamiques et peuvent entrainer les moteurs Stirling qui sont associés aux collecteurs paraboliques. • Les fluides organiques (butane, propane, etc.) possèdent une température d’évaporation relativement basse et sont utilisés comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine. • L’air peut être utilisé comme fluide caloporteur ou comme fluide thermodynamique dans les turbines à gaz. • L’eau liquide est un bon fluide caloporteur du fait de sa forte capacité thermique et son excellent coefficient d’échange. Elle peut aussi être utilisée comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine. Par contre l’eau liquide est manipulable à de hautes pressions dans les récepteurs en raison des hautes températures ce qui pose parfois certains problèmes pour les technologies cylindro-paraboliques.