Introduction générale
Face aux énergies tirées de combustibles
fossiles qui tendent à se raréfier, il existe des énergies
nouvelles fournies par le soleil, le vent, les chutes d'eau, les marées,
la chaleur de la terre ou la croissance des végétaux: ce sont les
énergies renouvelables. Parmi elles, on recense le solaire
photovoltaïque et thermique, l'éolien,
l'hydroélectricité, la biomasse et la géothermie.
Une énergie est dite renouvelable lorsqu'elle est
produite à partir de ressources inépuisables. Depuis longtemps,
on a exploité des énergies fossiles ou « énergies
stock » : le pétrole, le charbon, le gaz, l'uranium principalement.
On les oppose aux nouvelles énergies appelées aussi «
énergies flux » renouvelables et non polluantes
[1].
Les énergies renouvelables doivent être capables
de satisfaire les demandes en énergies, quel que soit leur forme:
mécanique, électrique, chimique ou thermique. Heureusement,
l'énergie existe sous différentes formes dans la nature. On peut
capter la force du vent ou les rayons du soleil, directs ou diffus. On peut
utiliser la biomasse générée par la photosynthèse,
la chaleur de la terre (géothermie) ou même l'énergie des
océans sous diverses formes, par les vagues ou les marées, la
chaleur qu'ils emmagasinent ou même les différences de
salinités entre les eaux.
Toutefois, si certaines énergies comme
l'hydroélectricité et la biomasse sont des technologies matures
et déjà largement employées, d'autres, disposent d'un
potentiel énorme et ne sont que peu utilisées actuellement. En
particulier l'énergie solaire, dont la ressource terrestre annuelle est
des milliers de fois supérieure à la consommation
énergétique humaine, n'est mise en place à grande
échelle que depuis quelques années. L'énergie
éolienne, intéressante également car facile à
récupérer et fortement concentrée par endroit est
également peu mise à profit. Une raison majeure qui empêche
l'utilisation plus massive de ces énergies dans le mix
énergétique global est leur grande variabilité,
dépendant de facteurs météorologiques difficilement
prévisibles, induisant une production intermittente et difficilement
acceptable par les réseaux électriques d'aujourd'hui
[2].
Les dernières années ont vu l'émergence
d'une nouvelle technologie d'exploitation de l'énergie solaire par voie
thermodynamique.
Dans ce travail nous présentons cette technologie. Nous
décrivons d'une manière assez exhaustive le fonctionnement d'une
centrale cylindro-parabolique puis nous procédons à la simulation
d'une telle centrale sur TRNSYS en développant un modèle
numérique de la
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centrale SEGS VI sur ce logiciel afin de prédire les
performances de cette centrale sous les conditions
météorologiques de notre pays. Enfin nous essayons d'analyser et
de discuter ces résultats pour mettre en relief l'apport thermodynamique
qu'offre ce genre de centrale une fois implanté en Tunisie.
Nous présentons ce travail en trois chapitres. Dans le
premier nous présentons l'état de l'art du solaire
thermodynamique pour le définir et présenter les quatre
principales technologies de collecte et de concentration du flux solaire.
Ensuite nous présentons brièvement les centrales solaires
à concentration. Et comme ce travail est dédié à la
simulation d'une centrale cylindro-parabolique nous insistons sur cette
filière en présentant d'une manière assez
détaillé ses trois principaux composants à savoir le champ
solaire, le système de stockage et le système de
génération de puissance.
Le deuxième chapitre a été
consacré à la simulation et la modélisation de la centrale
SEGS VI sur TRNSYS. Nous présentons la centrale SEGS VI, modèle
de la simulation, ainsi que TRNSYS, environnement de modélisation
numérique, pour aboutir dans une première étape à
l'interface « utilisateur » TRNSYS avec le modèle SEGS VI
(Figure II.4), modèle de base de la simulation. Puis nous
présentons dans ce chapitre la modélisation et la simulation des
différents sous-systèmes de la centrale pour recenser pour chaque
sous ensemble les composants de la bibliothèque STEC de TRNSYS qui ont
oeuvré dans la modélisation du sous-ensemble. Ensuite nous
précisons pour chaque type de composant sa modélisation en
énumérant les bilans énergétique qui ont
été utilisées et éventuellement les calculs
intermédiaires. Enfin la configuration des paramètres et des
entrées du composant sont étudié pour qu'il fonctionne
d'une manière similaire à la SEGS VI. Le résultat relatif
au sous ensemble est discuté.
Les résultats relatifs à la simulation de la
centrale SEGS VI sous les conditions météorologique de la Tunisie
sont présentés et discutés au chapitre 3.
Le travail ainsi présenté est clôturé
par une conclusion générale.
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Chapitre I Etat de l'Art
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Ce chapitre présente un état de l'art du solaire
thermodynamique.
I.1. Solaire thermodynamique
On désigne par «solaire thermodynamique»
l'ensemble des techniques qui visent à transformer l'énergie
rayonnée par le soleil en chaleur à température
élevée, puis celle-ci en énergie mécanique (et
électrique) à travers un cycle thermodynamique. Ces techniques
sont encore, pour l'essentiel, dans un état expérimental
[3].
Les systèmes thermodynamiques ou
hélio-thermodynamiques du grec (hélios = soleil) produisent de
l'électricité en concentrant le rayonnement (ou flux) solaire
à l'aide de miroirs ou de réflecteurs. La température
très élevée obtenue permet de chauffer un fluide et de
produire de la chaleur qui sera transformée en énergie
mécanique puis électrique, en général par
l'intermédiaire de deux fluides: un fluide caloporteur et un fluide
thermodynamique. Le fluide caloporteur (HTF), aussi appelé fluide de
transfert ou fluide intermédiaire, est chargé de transporter la
chaleur. Le fluide thermodynamique, aussi appelé fluide de travail,
permet quant à lui d'actionner et d'entraîner les machines
(turbines et générateurs d'électricité, moteurs,
etc...). Il est à noter que certaines solutions utilisent le fluide
caloporteur comme fluide thermodynamique. Le choix du fluide caloporteur
dépend de la concentration du flux solaire (autrement dit de la
température atteinte) et de la solution de stockage thermique
utilisée.
I.1.1. Les aspects techniques
Nous allons ici passer en revue la signification et les
potentialités de ces différentes voies. Toutes sont avant tout
à la recherche du rendement. En principe, celui-ci augmente avec la
température haute du cycle (c'est à dire avec la
température de travail du récepteur solaire), mais la
réalité n'est pas si simple [3].
On distingue trois étapes successives, décrites
dans la figure I.2 pour la transformation du rayonnement solaire en
électricité et/ou chaleur
? La collecte du flux solaire par des miroirs (ou
réflecteurs) et sa concentration sur un récepteur pour chauffer
un fluide (1.)
? La production de chaleur à haute température
(sous la forme de vapeur d'eau ou d'un autre fluide) (2.)
? La conversion de la chaleur en électricité et
la production concomitante de la chaleur basse température (3.)
[4].
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Figure I.1: Eléments clés du
processus de transformation de la chaleur du soleil en
électricité par voie
thermodynamique
Seul le rayonnement direct du soleil permet d'obtenir des
températures exploitables pour produire de l'électricité,
le rayonnement diffus ne pouvant pas être focalisé. Une centrale
solaire ne peut donc fonctionner que par ciels clairs et secs, conditions
remplies dans les zones arides de notre planète.
Les quatre principales technologies de collecte et de
concentration du flux solaire sont décrites dans le tableau I.1.
Tableau I.1: Les quatre principales
technologies de collecte et de concentration du flux solaire
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Les miroirs réflecteurs, fixes ou mobiles, et le
récepteur, linéaire ou ponctuel, permettent de concentrer plus ou
moins le flux solaire [4].
Comme ce travail est dédié à
l'étude d'une centrale cylindro-parabolique nous présenterons
brièvement dans le paragraphe qui suit les centrales solaires à
concentration puis nous consacrerons le reste de cet état de l'art au
centrale cylindro-parabolique.
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