Présentation

Dans cette séance, nous étudierons successivement les principes de conversion thermodynamique de l’énergie solaire et du gradient thermique des océans, qui est une forme indirecte d’énergie solaire.

Nous commencerons par présenter les différents types de capteurs solaires à concentration, puis nous établirons un modèle permettant de les représenter dans Thermoptim sous forme de transformation externe.

Ce modèle fait appel à des composants spéciaux de Thermoptim, appelés classes externes, qui permettent d’étendre sa bibliothèque de base, et dont l’utilisation est expliquée dans une note téléchargeable à partir de l’un des liens ci-dessous.

Les principaux types de cycles thermodynamiques mis en œuvre dans les centrales électro-solaires seront ensuite évoqués.

Nous traiterons alors des étangs solaires à gradient de salinité inverse (solar ponds en anglais), qui constituent une solution intéressante sur le plan technique sinon économique.

Nous présenterons enfin les cycles de conversion du gradient thermique des océans, utilisables dans certaines régions du globe.

L’ensemble de ces cycles se prêtant bien à des modélisations intéressantes dans Thermoptim, quelques sujets d’exercice ou de projet seront proposés en guise de conclusion.

Utilisation des composants externes (pdf, 455 Ko)

(Séance réalisée le 08/02/2005 par Renaud Gicquel)

ÉNERGIES RENOUVELABLES

Promises à un développement futur important, mais pas encore au stade de la maturité.

Contraintes techniques de trois ordres :

densité de puissance disponible relativement faible
grande variabilité de la source
nécessité de stocker (énergie-flux)

Double contrainte économique

coût d’investissement élevé
nécessité d’un appoint

Énergie solaire

Provient des réactions thermonucléaires qui se produisent au sein du soleil

Rayonnement électromagnétique de très forte puissance (corps noir à 5 800 K)

Hors atmosphère, 1 350 < I < 1 450 W/ m²

Partiellement réfléchi et absorbé par l’atmosphère

Au sol : part directe et part diffuse, 200 W/m² (ciel couvert) < I < 1 000 W/m² (zénith ciel clair)

Énergie reçue par une surface dépend :

des conditions climatiques
de l’inclinaison
de l’orientation

Atlas du rayonnement solaire publiés par les services

conversion directe :

sous forme thermique, la seule évoquée dans cette séance,

par effet photoélectrique

sous forme de photosynthèse

Conversion thermique de l’énergie solaire

Plusieurs modes de captation sont envisageables :

l’habitat solaire passif

Chauffage et climatisation des locaux, par conception architecturale judicieuse des bâtiments

Intérêt de la conception solaire passive des bâtiments : peut conduire à des économies de chauffage substantielles avec des surcoûts faibles

les capteurs plans

Utilisent l’effet de serre pour limiter les déperditions thermiques de l’absorbeur : piégeage des calories absorbées

Températures de fonctionnement des capteurs plans de 40°C à 120°C (capteurs sous-vide)

les capteurs à concentration

Pour températures supérieures, concentration des rayons solaires par des jeux appropriés d’éléments réfléchissants (miroirs) ou de lentilles

Contrainte principale : système de poursuite du soleil dans sa course

Schémas de capteurs à concentration seront présentés dans les étapes suivantes

Concentrateurs solaires

capteurs cylindro-paraboliques : C ≈ 40-80

Concentrateurs solaires

capteurs paraboliques C ≈ 1000-2500

Concentrateurs solaires

four solaire C ≈ 2000-2500

Concentrateurs solaires

centrales à tour C ≈ 200-700

Concentrateurs solaires

flux solaire reçu :

1) réfléchi sur les miroirs du concentrateur
2) traverse vitrage isolant thermiquement le foyer
3) absorbé par une surface appropriée

pertes optiques : efficacité τ
concentration : seule composante directe du rayonnement solaire

Concentrateurs solaires

absorbeur :

1) s’échauffe
2) perd de la chaleur vers l’extérieur sous forme essentiellement de rayonnement et de convection

coefficient de pertes thermiques U
fluide caloporteur emporte chaleur utile convertie ou transférée pour différents usages

Puissance thermique fournie

efficacité optique du capteur τ
coefficient de pertes thermiques U (W/m²/K)
puissance solaire directe incidente I (W/m²)
surface du capteur S_c (m²)
surface de l’absorbeur S_a (m²)
température extérieure T_ext (°C)
température moyenne absorbeur T_m (°C)

Efficacité optique du capteur τ

fonction de l’angle d’incidence des rayons
de la réflexivité des miroirs
de l’absorptivité de l’absorbeur
de la transmittance du vitrage protégeant l’absorbeur

Coefficient de pertes U

Pertes thermiques fonction parabolique de ΔT
U fonction affine de ΔT absorbeur / air ambiant

U = U0 + U1 (Tm - Text)

Performances globales

Rendement

Modèle Thermoptim

Conversion en électricité de l’énergie solaire

cycle de Rankine, pour les cylindro-paraboliques et les centrales à tour
cycle de Brayton, pour les paraboliques (micro TAG) et les centrales à tour (cycles à air chaud)
cycle de Stirling, pour les paraboliques
cycle combiné, pour les cylindro-paraboliques (ISCCS)

Centrales à capteurs cylindro-paraboliques

Californie dans le désert de Mojave : neuf centrales de 14 à 80 MW, totalisant 354 MW, opérationnelles depuis 1984
centrales appelées Solar Electric Generating Systems (SEGS), construites par la société Luz
température de surchauffe limitée à 371 °C, pression de vapeur à 100 bars

Centrales à capteurs cylindro-paraboliques

Champ de capteurs Luz

Centrales à tour

cycles thermodynamiques :

cycle à vapeur à environ 520 °C et 100 bars, avec une resurchauffe
cycle de Brayton à air chaud

centrales expérimentales réalisées depuis 30 ans :

Themis en France, Solar One puis Two à Brastow en Californie, CESA à Almeria en Espagne, Eurelios

difficile de trouver un fluide caloporteur organique suffisammment résistant : on utilise des sels fondus

Centrales à tour

récepteur

Capteurs paraboliques

permettent d’atteindre les concentrations les plus élevées
contraites de suivi très précis du soleil et de résistance mécanique, notamment aux effets du vent
Deux technologies en concurrence :

micro-turbines (cycle de Brayton)
moteurs Stirling

Capteurs paraboliques

Systèmes hybrides

le solaire constitue l’appoint d’une centrale thermique classique
vaporisation de l’eau avec perte exergétique minimale
centrales électrosolaires hybrides de type Integrated Solar Combined Cycle System (ISCCS)
fonctionner en mode hybride ne doit pas réduire les performances en mode classique

ISCCS

Étang solaire à gradient inverse

réservoirs d’eau salée (NaCl ou MgCl₂)
surface de plusieurs milliers de m²
fond recouvert d’une surface absorbante
division verticale en trois zones :
- zone superficielle à basse concentration en sel (1 g/cm³)
- zone de 1 m à 1, 5 m, de concentration saline croissante
- zone inférieure de 2 à 4 m, de concentration saline homogène très élevée (> 1,3 g/cm³, quelquefois saturée)
température de surface proche de celle de l’atmosphère (25 °C environ), tandis que le fond de l’étang dépasse 90 °C

Étang solaire à gradient inverse

applications diverses :
- chauffage, réfrigération par absorption, production d’électricité

Étang solaire à gradient inverse

Étang solaire d’El Paso en cours de construction

Cycles OTEC

Ocean Thermal Energy Conversion
- température superficielle 26-28 °C
- température profonde 4-6 °C
inventés par les français d’Arsonval et Claude
cycles fermé et ouvert

Cycle OTEC fermé

un fluide thermodynamique
suit un cycle à vapeur

Image courtesy of NELHA, reproduced from ResLab

Cycle OTEC ouvert

l’eau chaude subit un flash
la vapeur est détendue
puis condensée

Cycle OTEC ouvert

Site de Luis A. Vega à Hawai

Cycle OTEC ouvert de 210 kW

Exercices

Dans cette séance, nous avons étudié les principes de conversion thermodynamique de l’énergie solaire et du gradient thermique des océans.

L’ensemble de ces cycles se prêtant bien à des modélisations intéressantes dans Thermoptim, quelques sujets d’exercice ou de projet, téléchargeables à partir du lien ci-dessous (fichier exercices.zip), vous sont proposés maintenant.

Leur niveau de difficulté est moyen, dans la mesure où vous connaissez bien les cycles thermodynamiques classiques des turbines à gaz et des centrales à vapeur. Si ce n’est pas le cas, reportez-vous aux séances S20 à S27.

Les sujets sont volontairement posés de manière ouverte, pour que vous ayez à exercer votre esprit critique. Si vous disposez de suffisamment de temps, ces exercices peuvent devenir de véritables projets.

Le fichier extUser.zip téléchargeable à partir du lien ci-dessous contient les classes externes permettant de représenter les capteurs solaires à concentration et leur fluide thermique (Dowtherm A), et le fichier ConcentrateurSolaire.zip donne un exemple de projet Thermoptim simple utilisant ces classes.