Application à la conception d’un système solaire

Dans ce chapitre, nous proposons d’appliquer l’ensemble des démarches d’aide à la décision développées dans cette thèse pour aider le concepteur à aboutir à un réflecteur solaire qui répond au mieux aux objectifs de conception. Le cas d’étude considéré dans ce chapitre est tiré du projet industriel SolR², qui vise à développer une centrale solaire thermodynamique à miroirs de Fresnel, ainsi que son usine de fabrication. Un travail de développement a déjà été effectué au sein de l’équipe de développement du projet. Ce premier travail nous a permis de développer des modèles de comportement adaptés à différents concepts de réflecteur et de collecter les informations relatives aux préférences du décideur. Ces informations seront formalisées dans la section V.4. Le développement au sein de l’entreprise nous a aussi permis de mettre en évidence les difficultés rencontrées chez l’industriel pour faire des choix de conception face à des problématiques comme la méconnaissance ou la faible exactitude des modèles de comportement utilisés. Cela a permis notamment de mettre en évidence les améliorations apportées sur les prises de décision grâce aux démarches développées dans cette thèse, que ce soit pour les décisions sur les choix de concepts ou pour celles sur la définition de l’architecture du produit. Avant d’aborder plus en détail la conception du support réflecteur, qui fait l’objet de notre cas d’étude, il est important de comprendre d’abord le fonctionnement d’une centrale solaire à concentration (ou CSP pour “Concentrated Solar Power”) qui utilise des miroirs de Fresnel. Cela contribue notamment à la compréhension des objectifs de conception exigés dans la conception du support réflecteur (détaillés dans la section V.4).

Le CSP est une technologie qui permet de convertir l’énergie liée au rayonnement solaire en énergie électrique. Une centrale CSP utilise des panneaux réfléchissants pour concentrer et rediriger les rayons du soleil vers des tubes absorbeurs (appelées récepteurs). Cela permet à un fluide caloporteur, circulant à l’intérieur de ces tubes, d’être chauffé à des températures très élevées. Le fluide caloporteur à haute température est, soit utilisé directement dans un cycle thermodynamique pour générer de l’électricité, soit utilisé pour chauffer un autre fluide via des échangeurs thermiques pour être utilisé ensuite dans un cycle thermodynamique. Comparé aux panneaux photovoltaïques, l’avantage majeur d’une centrale CSP est la possibilité de stocker de l’énergie thermique dans des réservoirs, ce qui permet de produire de l’électricité indépendamment du cycle du soleil. De plus, la chaleur générée peut être utilisée pour d’autres applications industrielles ou urbaines comme la désalinisation, le refroidissement, la climatisation, etc.

Des études ont montré que les systèmes CSP pourront combler jusqu’à 25% des besoins énergétiques de la planète d’ici 2050 [Jha09]. Ils représentent donc une contribution majeure dans la transition énergétique mondiale. Les systèmes CSP à miroirs de Fresnel sont l’une des quatre variantes de cette technologie. Les trois autres variantes sont : le CSP à tour, le CSP à miroirs cylindro-paraboliques et le CSP à miroirs paraboliques. Dans le Tableau V-1, un comparatif est donné entre les trois variantes du système CSP. D’après ce tableau, le système CSP à miroirs de Fresnel a un avantage économique par rapport aux trois autres variantes. Cependant, le rendement thermique nominal est moins élevé que les autres variantes. Malgré l’avantage économique qu’offre l’utilisation des centrales solaires thermodynamiques à miroirs de Fresnel, leur utilisation reste relativement limitée dans le monde. C’est une technologie naissante et peu mature mais qui présente un grand potentiel d’amélioration [Int10]. Cependant, le peu de centrales solaires commerciales qui existent à ce jour offrent très peu de retour d’expérience, ce qui constitue une difficulté pour les ingénieurs dans leurs choix de solutions de conception. Le composant étudié dans notre cas est le réflecteur solaire. Sa fonction principale est de se concentrer et de rediriger les rayons du soleil sur les tubes absorbeurs pour chauffer le fluide caloporteur. La chaleur récupérée est ensuite utilisée pour produire de la vapeur à haute pression qui actionne une turbine pour produire de l’électricité. Comme nous pouvons le voir sur la Figure V-1, un réflecteur solaire est composé d’un panneau réfléchissant et d’un support réflecteur dont la fonction est de maintenir la forme du panneau réfléchissant (une forme légèrement incurvée). Un dispositif de fixation est réalisé entre les panneaux réfléchissants et le support réflecteur pour assurer la liaison entre les deux (voir Figure V-1). Le réflecteur solaire est entraîné par un mouvement de rotation afin de s’adapter à la position du soleil dans la journée. Dans notre étude, seule la conception du support réflecteur est traitée.