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.

(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 :

Double contrainte économique

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)

Energie 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 :

Concentrateurs solaires

  • capteurs cylindro-paraboliques : C ≈ 40-80

Copyright DOE/NREL, Sandia National Laboratories

Concentrateurs solaires

  • capteurs paraboliques C ≈ 1000-2500

Copyright DOE/NREL, SAIC

Concentrateurs solaires

  • four solaire C ≈ 2000-2500

Copyright DOE/NREL, Gretz, Warren

Concentrateurs solaires

  • centrales à tour C ≈ 200-700

Copyright DOE/NREL, Sandia National Laboratories

Concentrateurs solaires

Concentrateurs solaires

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 Sc (m2)

  • surface de l’absorbeur Sa (m2)

  • température extérieure Text (°C)

  • température moyenne absorbeur Tm (°C)

Efficacité optique du capteur τ

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

Copyright DOE/NREL, Gretz, Warren

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

Copyright DOE/NREL, Flores, Joe - Southern California Edison

Centrales à tour

  • récepteur

  • Copyright DOE/NREL, Gretz, Warren

Copyright DOE/NREL, Reilly, Hugh - Sandia National Laboratories

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

Copyright DOE/NREL, Parsons, David

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

Copyright Pilkington Solar Gmbh

Étang solaire à gradient inverse

Étang solaire à gradient inverse

Étang solaire à gradient inverse

  • Étang solaire d’El Paso en cours de construction

Copyright DOE/NREL, Courtesy of the Solar Pond Project of the University of Texas at El Paso

Cycles OTEC

Cycle OTEC fermé

  • un fluide thermodynamique

  • suit un cycle à vapeur

Image courtesy of NELHA, reproduced from ResLab

Cycle OTEC ouvert

Image courtesy of NELHA, reproduced from ResLab
  • l’eau chaude subit un flash

  • la vapeur est détendue

  • puis condensée

Cycle OTEC ouvert

Copyright DOE/NREL, Gretz, Warren

Cycle OTEC ouvert

Copyright Luis A. Vega

Cycle OTEC ouvert de 210 kW

Copyright Luis A. Vega

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.