Etat de l’art sur le solaire thermodynamique
Brefs historiques du solaire thermodynamique
L’ingénieur français Augustin Mouchot inventa la première machine connue utilisant l’énergie solaire en 1866. En 1869, Mouchot publie son livre : La chaleur solaire et ses applications industrielles. En 1878 il présente également à l’exposition universelle de Paris un prototype de four solaire pour lequel il remporte la médaille d’or de l’exposition. En 1872, l’ingénieur Américano-Suédois John Ericsson étudie un concept de moteur Stirling fonctionnant grâce à un récepteur parabolique solaire. Mais le brevet du design du moteur ne sera déposé qu’en 1880, avec un fonctionnement au charbon ou au gaz pour des applications de pompage.
En 1886 l’Italien Alessandro Battaglia dépose les premiers brevets portant sur des concentrateurs solaires. C’est en 1913, que la toute première centrale solaire thermodynamique fait son apparition. L’ingénieur américain Frank Shuman construit en Égypte une centrale à récepteurs solaires cylindro-paraboliques et générant de la vapeur d’eau capable de faire tourner un moteur de 70 chevaux servant à l’irrigation de cultures.
De 1960 à 1961, l’Italien Giovanni Francia développe un dispositif composé d’un vaporiseur couplé à un concentrateur solaire et protégé par une structure en nid d’abeille. C’est également durant cette période que Francia met en pratique pour la première fois le principe des réflecteurs de Fresnel en assemblant en 1963 à Marseille, avec le soutien du CNRS français et de l’OTAN, un premier prototype de concentrateur linéaire.
Concentration linéaire
a : Centrales à collecteurs cylindro-paraboliques
Cette technologie (désignée parfois par PT pour Parabolic Trough ou CCP Capteur Cylindro-Parabolique) est considérée comme étant la plus mature aujourd’hui, principalement grâce au retour d’expérience des centrales SEGS en Californie raccordées au réseau depuis plus de 20 ans. La conséquence de cette maturité est que la grande majorité des centrales commerciales en opération ou en projet de nos jours fonctionne avec cette technologie. Le dernier exemple marquant en date est l’inauguration en mars 2013 de la centrale Shams 1 à Abu Dhabi aux Émirats arabes unis.
L’huile synthétique est le fluide caloporteur le plus utilisé actuellement dans les absorbeurs des centrales cylindro-paraboliques commerciales. Ses propriétés thermo-hydrauliques sont intéressantes pour le transfert thermique dans les échangeurs huile/eau, mais possède quelques inconvénients, notamment son coût et sa nocivité pour l’environnement en cas de fuite. De par son coût également élevé, c’est l’échangeur huile/eau qui représente le principal inconvénient de la technologie cylindro-parabolique à caloporteur huile. Bien qu’ayant un potentiel important de réduction des coûts de construction et d’exploitation par rapport aux centrales PT à huile, la génération directe de vapeur (ou DSG pour Direct Steam Generation) dans les capteurs cylindro-paraboliques, n’est à ce jour utilisée que dans une seule centrale commerciale.
La difficulté de cette technologie réside dans les conditions de haute pression et de haute température nécessaires au turbinage du fluide, ainsi qu’à la présence d’un écoulement diphasique dans les tubes absorbeurs.
Les capteurs cylindro-paraboliques sont montés sur un système de suivi du soleil relativement simple, car sur un seul axe, orienté Nord-Sud ou Est-Ouest. Les champs solaires orientés Nord-Sud présentent des performances optiques plus variables selon les saisons, avec une efficacité maximale durant l’été et plus faible en hiver. L’orientation Est-Ouest est caractérisée par moins de variations saisonnières, mais récolte moins d’énergie annuellement que l’orientation Nord-Sud.
b : Centrales à réflecteurs linéaires de Fresnel
Cette technologie, désignée par l’acronyme LFR (pour Linear Fresnel Reflector), est la deuxième déclinaison possible de la filière des centrales à capteur linéaire. Un ensemble de miroir plan disposé de manière horizontale concentre le rayonnement sur un ou plusieurs récepteurs situés au-dessus du champ solaire .
Le nom de cette technologie fait référence au principe de la lentille de Fresnel, permettant d’obtenir une courte distance focale sans le poids et le volume élevés d’une lentille classique. Le jeu de miroirs plan joue en quelque sorte le rôle d’une lentille de Fresnel. La plus part des centrales à réflecteur linéaire de Fresnel utilise la génération directe de vapeur comme système de transfert thermique. Et elle utilise un système de suivi à un seul axe, mais comparer au cylindro-parabolique, le système de tracking des LFR a l’avantage de n’avoir besoins que d’une force réduite pour bouger les miroirs. Miroirs qui sont plus mince et qui a une structure que l’on peut construire de telles sortes que le centre de gravité se trouve sur l’axe de rotation, d’où l’engrenage des moteurs est assez simple.
La configuration du récepteur utilisée dans les LFR peut varier, mais elle inclue souvent un réflecteur secondaire permettant de concentrer davantage le rayonnement, et d’un ou plusieurs tubes absorbeurs. Il existe différents types de sur-concentrateurs ou concentrateur secondaire. Ces dispositifs, ajoutés au récepteur, permettent d’augmenter le facteur de concentration du système. Ils rabattent le rayonnement sur l’absorbeur qui peut ainsi être plus petit. On limite donc, par là même, les pertes thermiques. Les sur-concentrateurs font partie de la famille des dispositifs optiques non-imageants. Par opposition aux systèmes optiques pour l’astronomie ou la microscopie, nous n’avons pas besoin d’obtenir une image précise de la source observée.
Les fluides caloporteurs et thermodynamique
Chaque fluide caloporteur est choisi en fonction de ses propriétés physico-chimiques, telles la viscosité, la capacité thermique volumique, la chaleur latente de vaporisation (ou de liquéfaction) en cas de changement de phase, la conductivité thermique, les propriétés anticorrosives, son coût et il doit être assez inoffensif pour l’environnement :
Les huiles de synthèse sont des fluides monophasiques qui présentent un bon coefficient d’échange. Leur gamme de température est limitée à environ 400 °C. C’est le fluide le plus couramment employé dans les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques.
Les sels fondus à base de nitrates de sodium et de potassium offrent un bon coefficient d’échange et possèdent une densité élevée, ils sont donc également de très bons fluides de stockage. Leur température de sortie peut atteindre 650 °C. Leur association avec un concentrateur à tour et un cycle de Rankine constitue une combinaison déjà éprouvée.
Les gaz tels l’hydrogène ou l’hélium peuvent être utilisés comme fluides thermodynamiques et entrainer les moteurs Stirling qui sont associés aux collecteurs paraboliques.
L’eau liquide est à priori un fluide de transfert idéal. Elle offre un excellent coefficient d’échange et possède une forte capacité thermique. En outre, elle peut être utilisée directement comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine. Cependant son utilisation implique de travailler à des pressions très élevées dans les récepteurs en raison des hautes températures atteintes, ce qui pose problème pour les technologies cylindroparaboliques.
Les fluides organiques (butane, propane, etc.) possèdent une température d’évaporation relativement basse et sont utilisés comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine.
L’air peut être utilisé comme fluide caloporteur ou comme fluide thermodynamique dans les turbines à gaz.
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