ETUDE OPTIQUE ET THERMIQUE D UN CONCENTRATEUR CYLINDRO-PARABOLIQUE EN SITE D ALGER, ALGERIE

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1 ETUDE OPTIQUE ET THERMIQUE D UN CONCENTRTEUR CYLINDRO-PRBOLIQUE EN SITE D LGER, LGERIE Mokhtar GHODBNE 1 ; Boussad BOUMEDDNE 1 ; Soulef LRGOT 2 et Nour el houda HENIT 2 1. aculté sciences de l'ingénieur, Université Saad DHLB, Blida 1, lgérie. 2. aculté de science de Technologie, Université Echahid HMM Lakhder, EL Oued, lgérie, ghmokhtar39seminaire@gmail.com; b.boussad@gmail.com; largot_soulef@yahoo.fr; nourelhoudahaniete39@gmail.com Résumé: Dans ce travail, on s intéresse à l étude des performances optiques et thermiques d un concentrateur solaire cylindroparabolique. L énergie thermique reçue est absorbée par un absorbeur en cuivre à l intérieur d un tube en verre sous vide. La simulation est effectuée avec des intensités différentes d ensoleillement. Pour la modélisation optique est établie avec le logiciel de calcul par lancer de rayons SolTrace. Pour la modélisation thermique, nous développons un outil de simulation avec le logiciel Matlab. Ce dernier nous permet de calculer les rendements optiques et thermiques de notre concentrateur, la variation de la température du fluide caloporteur et le coefficient des pertes thermique d après un bilan énergétique repose sur les échanges thermiques dans le tube absorbeur du concentrateur. On utilise la méthode numérique de discrétisation des différences finies pour résolution du système d équations des bilans thermique. Le fluide (eau) qui circule à l intérieur de l absorbeur est chauffé à 129 C pour le 03 Décembre Mots clés: énergie solaire; concentrateur cylindro-parabolique ; modélisation 1. Introduction La technologie de réflecteurs cylindro-paraboliques est la plus fréquente et est actuellement utilisée par les plus puissantes centrales solaires au monde, nous citons dans ce contexte, La centrale solaire de Kramer Junction en Californie[1]. Elles représentent une capacité totale installée de 354 MW. Ce type de centrale se compose d alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques, orientés sur l axe nord-sud qui tournent autour de ce dernier pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube horizontal, où circule un fluide caloporteur qui servira à transporter la chaleur vers des échangeurs de chaleur. Dans cette étude s intéresse à la conversion de l énergie solaire à l énergie thermique en utilisant un concentrateur cylindroparabolique à eau. Notre but dans cette étude consiste à caractériser les performances optiques et thermiques de concentrateur cylindro-parabolique en fonction des paramètres et conditions climatiques du site d lger, lgérie. On étude d'abord la performance optique du collecteur solaire avec le logiciel de calcul par lancer de rayons SolTrace. Dans une deuxième étape, Un modèle mathématique a été établi avec Matlab pour calculer le rendement thermique, la température de sortie du fluide ainsi que la température de l absorbeur, la température de la vitre et coéfficient des pertes thermiques. La simulation est effectuée avec des intensités différentes d ensoleillement. 2. Etude optique La modélisation optique de notre concentrateur solaire a été effectuée à l aide du logiciel SolTrace, le code est développé par le laboratoire américain NREL [2]. Le système optique du concentrateur considéré dans notre étude est composé de la surface réfléchissante du concentrateur et de l absorbeur. La surface réfléchissante du concentrateur est modélisée comme un seul miroir de section parabolique. Le tableau (1) présente les paramètres géométriques du collecteur. 1

2 DNI [W/m²] March 2015, Djerba, Tunisie Table 1. Les paramètres géométriques du collecteur Caractéristique géométrique aleur (mm) Longueur de l absorbeur 1600 Diamètre l absorbeur Diamètre extérieur de la vitre (D,ext) D,int = 20 D,ext = Caractéristique géométrique Diamètre intérieur de la vitre (D,int) aleur (mm) 23,5 Longueur de miroir (L) 1500 largeur de miroir (l) 1100 On admet que les propriétés optiques (Coefficient de réflexion, absorptivité, transmissivité, etc.) sont uniformes sur l intégralité de la surface réfléchissante. On considère que le suivi solaire est très précis et donc que l ouverture du concentrateur est constamment perpendiculaire aux rayons provenant du disque solaire, de sorte que la surface réfléchissante du concentrateur est modélisée comme un seul miroir de section parabolique auquel on applique une erreur optique moyenne globale (σoptique). Les paramètres optiques du collecteur sont indiqués au tableau (2). Table 2. Les paramètres optiques du collecteur paramètre aleur paramètre aleur erreur optique moyenne globale Coefficient de réflexion de miroir (ρm) 03 mrad Transmissivité de la vitre 0,945 0,92 Coefficient d absorbions de l absorbeur (α) 0,94 La figure (1) traduise la variation du rayonnement direct (DNI) durant quatre journées comme suite : 22 Mars, 17 Juin, 12 septembre et 03 Décembre. On remarque que pour la journée du 12 septembre, le rayonnement direct est maximal au midi solaire vrai qui peut atteindre 915 [w/m²] Mars 17 Juin 12 Septembre 03 Décembre temps solaire vrai [Heure] ig. 1. Évolution du rayonnement direct dans le site d lger. La figure (2) illustre l'énergie solaire capturée, comme présentée dans SolTrace. On essaie de montrer l importance et efficacité de collecteur cylindro-parabolique dans le domaine de la concentration solaire. 2

3 ig. 2. Schématisation de concentrateur cylindro-parabolique par SolTrace. 3. Etude thermique Dans cette partie, on va effectuer l analyse thermique et la modélisation numérique d un concentrateur cylindro-parabolique (CCP). Cette modélisation est employée pour prévoir la variation de la température de sortie d un fluide caloporteur (eau) en fonction de l éclairement dans le site d lger, lgérie. Les échanges thermiques existant dans le système concentrateur ont lieu entre les trois éléments : le fluide caloporteur, l absorbeur et la vitre. La modélisation de la température est basée sur les bilans énergétiques caractérisés par les équations différentielles des trois températures : T (pour le fluide), T (pour la vitre) et T (pour l absorbeur), ces équations varient pendant le temps d éclairement (t) pour une longueur (x) de l absorbeur. Pour le calcul de bilan énergétique on pose comme hypothèses : l écoulement du fluide est unidimensionnel, les variations temporelles dans l épaisseur de l absorbeur et la vitre sont négligeables, l échange par conduction dans l absorbeur et la vitre est négligeable, l effet de l ombre de tube absorbeur sur les miroirs est négligeable et le flux solaire au niveau de l absorbeur est uniformément réparti. ig. 3. Bilan thermique d un élément de surface du concentrateur cylindro-parabolique. 3

4 3.1 Bilan énergétique pour le fluide Le bilan énergétique pour le fluide caloporteur qui circule dans le tube absorbeur est exprimé par la relation suivante : ρ.c.,int Les conditions initiales et les conditions aux limites de l équation (1) sont : T (X,t) T (X,t). q utile ρ.c.. t X (1) T (0, t)= T T (X,t)= T,entrée,initial (t) = T (t) = T (t) (0) (2) 3.2 Bilan énergétique pour l absorbeur Le bilan énergétique pour l absorbeur est donné par la relation suivante : ρ.c. T (X,t). q t absorbé (t) q sortie (X,t)- q utile (X,t) (3) Les conditions initiales relatives à l équation (3) sont : T (X,t) = T,initial (t) = T (0) (4) 3.3 Bilan énergétique de la vitre De la même façon le bilan énergétique pour la vitre est donné par : ρ.c. T (X,t). q t interne (X,t)- q externe (X,t) (5) La condition initiale de l équation (5) est : T (X,t)= T,initial (t) = T (0) (6) Pour résoudre ce problème, il fallait d abord tout comprendre les phénomènes physiques, qui sont la meilleure assurance pour écrire en problème soluble. Nous avons choisi la méthode des différences finies. Un programme de calcul en Matlab a était établi après la discrétisation des équations non linéaire ce qui nous as permis d obtenir un ensemble de résultats numériques. La puissance thermique émise par le soleil et reçue par le concentrateur vaut donc[3] : η On peut exprimer l efficacité optique ( opt ) du concentrateur par[4]: q absorbée = α.ρ m..se.k.dni (7) opt = α.ρ m..k (8) et l efficacité thermique ( η ) par[4]: η η opt U L..(T DNI T C ) (9) 3.4 Pertes thermiques dans un concentrateur cylindro-parabolique Le coefficient des pertes thermiques UL est exprimé par : 4

5 U L 1 T T C1 1 f 0,25 D D,ext,int h ( T 0, T 450 v 1 T ).( T 2 1 T D D ),int, ext 1 f (10) Où le facteur f tient compte du coefficient des pertes du au vent, et qui peut être obtenu par l équation suivante : -0,9 1,61 1,3ε h exp 0,00325 T 273-0,4 f D (11), int v C1 est donné par l expression empirique suivante : C 1 D,int D 0,6,int 1,45 0,96 ε 1 D 0,5 0,6,ext 2 1,25 (12) Le terme hv est le coefficient de la convection du vent, et qui peut être obtenu par l équation suivante : h v 4 D (13) 0,58 v -0,42,ext vec ε est l emissivité du tube absorbeur ; c est la surface d ouverture de collecteur (m 2 ) ; est Surface de l absorbeur (m²) ; Cp est la capacité thermique (J/kg k) ; S e est la surface effective d un réflecteur du capteur (m²) ; ε est l emissivité de l enveloppe transparente en verre ; σ est Constante de Stefan-Boltzmann, [W/m 2.K 4 ] ; K est le facteur de correction d angle d incidence modifié ;. est Le débit volumique du fluide caloporteur dans le tube absorbeur (m 3 /s) ; ρ est la densité du fluide (kg/m 3 ) ; C est la chaleur spécifique du fluide (J/kg k); ρ est la densité de l absorbeur (kg/m 3 ) ; C est la chaleur spécifique de l absorbeur (J/kg k) est le facteur d interception. 4. RÉSULTTS La ville de lger se trouve à une altitude de 260 mètres, sa latitude est de Nord et sa longitude est de Est. Le concentrateur est dirigé vers le sud. On a choisi l eau comme fluide caloporteur avec un débit de kg/s du fluide caloporteur (eau). L absorbeur est le siège de la conversion du rayonnement solaire concentré en chaleur sensible à haute température, la figure (4) traduise le contour de l intensité moyenne de flux thermique sur la surface de l absorbeur en fonction du rayonnement solaire direct dans le site d lger. Notons que cette évaluation permet seulement d approcher les valeurs réelles des flux impactant l absorbeur avec une réflectivité des miroirs de 92 % et des valeurs réels d éclairement. L objectif principal de la caractérisation optique de notre concentrateur est de connaître le pouvoir de concentration de collecteur cylindro-parabolique, et l observation de l évolution du flux maximal avec l angle d incidence. 5

6 ig. 4. Le contour de l intensité de flux au niveau de l'absorbeur [w/m²]. La figure (5) traduise la distribution moyenne de flux thermique. Nous observons bien une bonne répartition de flux thermique au niveau de la surface l absorbeur. On peut dire que notre concentrateur est éprouvé et présente dans l ensemble un bon comportement optique. insi nous pouvons conclure que les distributions moyenne de flux thermique fournies par le logiciel de lancer de rayons sont représentatives des distributions de flux réelles délivrées par le concentrateur cylindroparabolique. ig. 5. Le contour de l intensité de flux au niveau de l'absorbeur [w/m²]. La figure (6) montre l'évolution des rendements optique et thermique en fonction du temps pour les journées des tests. 6

7 Rendement thermique March 2015, Djerba, Tunisie Mars 17 Juin 12 Septembre 03 Décembre temps solaire vrai [Heure] ig. 6. Evolution des rendements thermiques de concentrateur cylindro-parabolique. On remarque que le rendement optique de notre collecteur est supérieur de 61%. Pour le rendement thermique, on observe que le rendement diminue après la valeur maximal, car la température d'entrée de l'eau est presque identique à la température iante, ce qui correspond ainsi à une parfaite isolation thermique et des pertes thermiques plus faible vers l'iance. Table 3. Résume des rendements de collecteur La date η opt maximal temps η maximal temps 22/03/2011 0, :00 0, :25 17/06/2011 0, , :25 12/09/2011 0, :25 0, :25 03/12/2011 0, :20 0, :00 On peut dire que cette diminution est due aux pertes thermiques qui croient avec l'augmentation des températures de l'eau respectivement à l'entrée et à la sortie du conduit de l absorbeur du capteur cylindro-parabolique. La figure (7) représente la variation des températures du fluide à la sortie de tube l absorbeur durant les quatre jours des tests, montrent que les allures varient de façon similaire. Dans les quatre courbes l évolution des températures est la même, la différence réside uniquement au niveau des pentes des courbes. 7

8 UL [W/m².K] Température du fluide à la sortie [K] March 2015, Djerba, Tunisie Mars 17 Juin 12 Septembre 03 Décembre temps solaire vrai [Heure] ig. 7. Evolution des températures de sortie de fluide [K]. Pour les quatre jours, pour un débit volumique constant, la température de sortie du fluide caloporteur (eau) atteint sa valeur maximale de l ordre 439 [K] enregistrée au midi solaire vrai pour la journée du 12 Septembre. Elle dépend principalement du qabsorbé(t), qui est fonction des paramètres optiques, géométrique du concentrateur et du rayonnement direct reçu par le capteur. La figure (8) représente l évolution du coefficient des pertes thermiques en fonction de la température moyenne de l absorbeur Mars 17 Juin 12 Septembre 03 Décembre (T - T) [ C] ig. 8. Évolution du coefficient des pertes thermiques. On remarque que les pertes augmentent avec l accroissement de la température de l absorbeur. L émissivité du tube absorbeur est 0,12. Pour diminuer les pertes thermiques vers l extérieur on recouvre le tube absorbeur par une enveloppe en verre spécial appelé plexiglas, et à la même direction pour augmenter l absorbions des rayonnements solaire on recouvre aussi l absorbeur par une couche de peinture sélective. Une autre méthode pour diminuer les pertes thermiques par 8

9 conduction et par convection entre l absorbeur et l enveloppe transparente est la création du vide entre ces dernier mais c est une procède très délicat, qui nécessite des joints d étanchéité spécial et des capteurs de pression pour chaque collecteur. 5. Conclusion Ce travail propose une étude d efficacité optique et thermique d un concentrateur cylindro-parabolique qui utilise l eau comme fluide caloporteur, Ce fluide est caractérisé par son grand coefficient de transfert de chaleur. L'absorbeur est l'élément essentiel du capteur solaire, il doit absorber la plus grande partie du rayonnement solaire et transmettre la chaleur produite vers le fluide caloporteur avec le minimum de perte. L étude théorique basée sur des bilans massique et thermique nous a permis de développer un modèle mathématique pour contrôler la température de l absorbeur, la température de sortie du fluide et la température du vitre. Logiquement l intensité de flux solaire à un grand effet sur les trois températures. La température de fluide est supérieure à 100 C ceci montre qu on peut avoir de la vapeur sans énergie consommé et un faible taux d émission. Le rendement du concentrateur avait passé 60 % et atteint jusqu'à 61,8 % pour le 03 Décembre. Enfin, on peut dire que les résultats obtenues illustrent bien des performances optiques et thermiques d'un concentrateur cylindro-parabolique tels que décrit dans les références bibliographiques spécialisées. Références [1] K. Junction, (2015) Kramer Junction (Californie) : La plus grande centrale Solaire Thermique du monde," [2] NREL, (2013) SolTrace: Ray-Tracing Code for Complex Solar Optical Systems, Technical Report October [3] Bonnet, M. lphilippe, and P. Stouffs. (2003) Conversion thermodynamique de l'énergie solaire dans des installations de faible ou de moyenne puissance: Réflexion sur choix des meilleurs degrés de concentration, presented at Revue d'énergie renouvelable: 11 ème journée internationales de thermique. [4] K.. Yogi D.G, Kreider J., (1999) Off-Normal Incidence Effects, in Principles of solar engineering, T. rancis., Ed., 2nd Edition ed, pp