Modélisation d’un prototype cylindroparabolique en mode once-through

La boucle expérimentale DISS en mode once-through

Caractéristiques de la boucle

La boucle DISS est l’installation expérimentale située à Almeria en Espagne, et correspondant au projet du même nom (voir chapitres 2 et 3). Sa modularité fait que deux modes d’opération ont pu être expérimentés lors de différentes phases du projet DISS, et permet toujours son utilisation dans une version modifiée et « agrandie » dans le cadre du projet DUKE. La figure ci-dessous est proposée dans de nombreuses publications du CIEMAT, et montre la configuration de l’installation. La figure suivante montre également une vue de l’installation La ligne est constituée de 11 collecteurs connectés en série, séparés par une tuyauterie externe intermédiaire et des joints tournants. Les collecteurs 1 à 8 et 11 mesurent 50m de long, tandis que les collecteurs 9 et 10 mesurent 25m. Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques techniques de la boucle et des collecteurs : Paramètre Valeur Longueur de collecteur 500 m au total (9*50m, 2*25m) Orientation Nord-sud Ouverture de collecteur Distance focale 5.76 m 1.76 m Surface totale de miroirs 2760 m² Diamètre extérieur de tube absorbeur 70 mm Diamètre intérieur de tube 50 mm Pression vapeur maximale de sortie 100 bars Température vapeur maximale de sortie 400 °C Tableau 6-1 : Caractéristiques techniques de la boucle DISS et de ses collecteurs. Données extraites de [1], [2], [3], [4] La vanne à l’entrée de la boucle DISS sert à réguler le débit dans la boucle, selon une méthode détaillée dans le chapitre 3. La pompe d’alimentation assure la circulation du fluide et la mise en pression de la ligne, en étant régulée pour le maintien d’un différentiel de pression de la vanne d’entrée. L’eau d’alimentation est préchauffée après la pompe par un sous-tirage de vapeur surchauffée avant la détente, et une partie de l’eau préchauffée sert à alimenter la ligne de désurchauffe pour l’injection entre les collecteurs 10 et 11. Le maintien en pression de la ligne de collecteurs est assuré par une vanne en sortie du ballon séparateur final. 

Caractéristiques des collecteurs 

Les 11 collecteurs cylindro-paraboliques sont du type LS3 (pour Luz System) dits « modifiés » car ils sont issus des collecteurs originaux de la compagnie Luz Industries, ancêtre de BrightSource Energy. Ces collecteurs mesurent à l’origine 100m de long, et sont utilisés sur les centrales XII à IX du complexe Californien SEGS [5]. Afin de visualiser l’allure d’un collecteur, la figure suivante montre une modélisation CAO 3D des deux parties principales : le concentrateur cylindro-parabolique et le tube absorbeur :

Les miroirs concentrateurs 

Le rôle du concentrateur cylindro-parabolique est de réfléchir le rayonnement incident direct capté par la surface du miroir sur le tube absorbeur. Dans un plan transversal au miroir, celui-ci à la forme d’une parabole d’équation cartésienne : = ଴ݕ − ௣ݕ ሻ²଴ݔ − ௣ݔሺ Ͷ݂ (VI-1) Avec ݔ ଴et ݕ ଴les coordonnées de l’origine, et ݂ la distance focale. Du point de vue du dimensionnement, on définit généralement un concentrateur cylindro-parabolique par trois paramètres géométriques : le facteur de concentration, le demi-angle d’ouverture �, et l’angle d’acceptance.  Le facteur de concentration, ici dans le sens géométrique du terme, est défini comme le rapport de la surface captant le rayonnement, sur la surface extérieure du récepteur : = ܥܨ ݈௔௣݈ ݈௦௦௚௟௔ܦߨ = ݈௔௣ ௦௦௚௟௔ܦߨ (VI-2) Avec ݈௔௣ la longueur d’ouverture du concentrateur, ݈ la longueur axiale et ݀଴ le diamètre extérieur du tube absorbeur. On considère avec cette équation que toute la surface extérieure du tube reçoit le rayonnement concentré.  Le demi-angle d’ouverture est illustré sur la figure ci-dessus, on peut le relier à la distance focale et l’ouverture du collecteur par l’équation suivante : ݊ܽݐ � ʹ = ݈௔௣ Ͷ݂ (VI-3)  L’angle d’acceptance, également illustré sur la figure ci-dessus, se définit dans le plan transversal comme l’angle maximal entre deux rayons du soleil, après réflexion sur le miroir, pour que les deux rayons interceptent le tube absorbeur. Un angle d’acceptance faible est nécessaire pour atteindre un facteur de concentration élevé, mais implique un système de tracking plus précis et plus coûteux.L’efficacité optique du concentrateur dépend du facteur de réflexion du miroir, qui est la proportion du rayonnement réfléchi par celui-ci par rapport à celui incident, et du facteur d’interception qui est la proportion du rayonnement réfléchi qui intercepte effectivement le tube absorbeur. 

Le tube absorbeur

 Les tubes utilisés dans la boucle DISS, et plus généralement dans les centrales cylindro-paraboliques, sont des tubes dits « sous-vide » puisqu’ils sont constitués d’un tube interne en acier entouré par une enveloppe cylindrique de verre, et l’espace entre les deux est vide d’air afin de minimiser les pertes par conduction et convection. L’extérieur du tube en acier est peint avec un revêtement sélectif avec un facteur d’absorption élevé et une émissivité faible. Ces deux notions sont définies dans le paragraphe suivant, proposant quelques éléments théoriques d’énergétique optique. 

Eléments d’optique théorique

 Lorsqu’un milieu semi-transparent reçoit de l’énergie sous forme de rayonnement depuis l’environnement extérieur, une partie de ce rayonnement est réfléchie vers l’environnement, une autre est absorbée par le milieu, et une autre partie est transmise par le milieu. Beaucoup d’applications d’ingénierie traitent de milieux opaques, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de transmission du rayonnement dans le milieu. Il n’y a donc qu’une partie réfléchie et une partie absorbée du rayonnement, et on traite alors le phénomène comme un phénomène de surface. Figure 6-6 : Réflexion et absorption du rayonnement sur une surface  On définit le facteur d’absorption (absorptivity ou absorptance en Anglais) du milieu comme le rapport entre l’énergie absorbée et l’énergie incidente. Dans sa définition la plus basique, c’est une grandeur directionnelle et spectrale, c’est-à-dire qu’elle prend une valeur différente selon la longueur d’onde et la direction du rayonnement reçu. Du point de vue pratique des sciences de l’ingénieur, on utilise une valeur moyenne intégrée sur tout le spectre et tout l’hémisphère contenant le rayonnement reçu.