Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Centrales électro-solaires

Centrales solaires thermodynamiques

Les centrales solaires thermodynamiques utilisent des capteurs solaires de différents types, qui convertissent le rayonnement en chaleur, laquelle sert de source chaude à un cycle thermodynamique.

On distingue généralement :

  • les centrales à capteurs cylindro-paraboliques

  • les centrales à capteurs paraboliques

  • les centrales à tour

Centrales à capteurs cylindro-paraboliques

La technologie aujourd'hui considérée la plus mûre est celle des capteurs cylindro-paraboliques, ceci grâce à l'expérience acquise en Californie dans le désert de Mojave, où sont opérationnelles de puis 1984 neuf centrales de taille unitaire comprise entre 14 et 80 MW, totalisant 354 MW.

Dans les centrales SEGS, la vapeur reçoit sa chaleur d'une huile thermique chauffée à une température maximale de 393 °C par un champ de capteurs solaires cylindro-paraboliques.

La température de surchauffe est dans ces conditions limitée à 371 °C, et la pression de la vapeur à 100 bar. Par ailleurs, ces centrales étant utilisées dans des zones chaudes et ensoleillées, la température de condensation est relativement élevée (40 °C, soit une pression voisine de 0,082 bar).

Le niveau de température est donc relativement faible comparativement aux centrales électriques classiques, et leur rendement sans prélèvement est de l'ordre de 33 %.

Pour augmenter la puissance de la centrale, et surtout lui permettre de fonctionner en l'absence d'ensoleillement, un appoint est souvent prévu. Lorsque la chaudière d'appoint fonctionne en permanence, on parle de système hybride (figure ci-dessous).

Schéma de principe d'une centrale électro- solaire

Il est souvent possible d'améliorer le rendement d'un cycle à vapeur en procédant à une régénération interne, grâce à une série de prélèvements ou soutirages réalisés au niveau du poste d'eau. Le gain en rendement est obtenu en réduisant les irréversibilités qui prennent place lorsque l'apport de chaleur à basse température dans l'économiseur est fourni par la source chaude à haute température. Plus le rendement du cycle de base est faible, plus l'effet relatif des prélèvements est important.

Dans le cas des centrales SEGS, l'optimisation du poste d'eau permet d'atteindre un rendement d'environ 37,5 %, soit une amélioration de 11 % par rapport au cycle simple (figure ci-dessous).

Centrale SEGS 3 avec champ de capteurs et appoint

Centrales à capteurs paraboliques

Les systèmes à capteurs paraboliques sont ceux qui permettent d'atteindre les concentrations les plus élevées, et donc de recourir à des cycles à haute température plus performants. Toutefois les contraintes de suivi très précis du soleil et de résistance mécanique, notamment aux effets du vent, viennent limiter leur taille, et donc leur puissance. Sur le plan technologique, peu de machines sont disponibles, le couple haute température et petite puissance se rencontrant rarement.

Deux technologies sont ici en concurrence : les micro-turbines fonctionnant suivant le cycle de Brayton, et les moteurs Stirling.

Ces derniers, qui conduisent aux meilleurs rendements théoriques, mais souvent à des efficacités réelles nettement plus faibles, présentent essentiellement l'avantage d'être bien adaptés aux petites puissances, à la différence des turbines à gaz, dont les vitesses de rotation augmentent en fonction inverse de la capacité.

Dans les deux cas, un appoint est généralement prévu pour pallier l'absence momentanée d'ensoleillement correspondant à un passage nuageux.

Il est possible de modéliser un cycle de Stirling dans Thermoptim, mais l'écart entre les performances théoriques et réelles étant important, la confiance que l'on peut avoir dans ce modèle est relativement limitée (figure ci-dessous). Le moteur Stirling faisant appel à une détente réchauffée, il faut réintégrer dans le bilan la chaleur apportée pendant la détente.

Moteur Stirling solaire

La figure ci-dessous montre le synoptique d'un concentrateur solaire à micro-turbine à gaz : le récepteur solaire à air chaud est disposé en amont de la chambre de combustion d'une micro-turbine, réduisant ainsi la consommation de combustible, et conduisant à un rendement de 31 % en tenant compte dans l'énergie payante de la chaleur solaire.

Concentrateur solaire à micro-turbine

Une exploration dirigée permet d'étudier ce cycle en détail (C-M4-V1).

Centrales à tour

Deux types de cycles thermodynamiques sont utilisés dans les centrales à tour : soit un cycle à vapeur à environ 520 °C et 100 bar, avec une resurchauffe, soit un cycle de Brayton à air chaud.

Un certain nombre de centrales expérimentales ont été réalisées depuis une trentaine d'années (Themis en France, Solar One puis Two à Brastow en Californie, CESA à Almeria en Espagne, Eurelios).

Compte tenu des très hautes températures atteintes dans l'absorbeur, il est difficile de trouver un fluide caloporteur organique suffisamment résistant, et on fait appel à des sels fondus, qui peuvent éventuellement être stockés pour découpler la captation du rayonnement solaire de son utilisation, permettant ainsi à la centrale de fonctionner lors de passages nuageux ou la nuit.

Une exploration dirigée permet d'étudier ce cycle en détail (C-M4-V1).

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