Journée SFT GDR ACCORT : Calcul direct de l énergie collectée annuellement par un système de concentration solaire.
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- Jean-Pierre Gravel
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1 Journée SFT GDR ACCORT : Calcul direct de l énergie collectée annuellement par un système de concentration solaire. O. FARGES 1 2, J.J. BÉZIAN 1, M. EL HAFI 1 ET H BRU 2 1 Centre RAPSODEE, UMR CNRS 5302, École des Mines d Albi-Carmaux, Albi Cedex 09, France 2 Total New Energies, R&D - Concentrated Solar Technologies, Immeuble Lafayette2, place des Vosges - La Défense 5, Paris La Défense Cedex, France 10 Octobre 2012 /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
2 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
3 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
4 Cadre de la thèse Financée par Total (Gaz et Énergies Nouvelles) : thèse CIFRE ; Directeurs de thèse : Mouna El Hafi et Jean-Jacques Bézian ; Responsable entreprise : Hélène Bru ; Début de la thèse : 1 er Avril 2011 ; Objectif de la thèse Outil de conception de centrale solaire à tour ; Mise en application sur la conception d une centrale à cycle combiné de type «beam down» ; 4/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
5 Un ensemble complexe De nombreux paramètres Une question : à quelle(s) date(s) 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
6 Un ensemble complexe De nombreux paramètres Une question : à quelle(s) date(s) 6/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
7 Un ensemble complexe De nombreux paramètres Une question : à quelle(s) date(s) Un grand nombre de paramètres permettent de définir une installation solaire à récepteur central le champ d héliostats : Sa forme : circulaire, quart de cercle,... Sa taille, Sa configuration (radiale, spirale phyllotaxique,...) ; Les héliostats Le nombre de miroirs, La taille des miroirs, La forme de l héliostat, /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
8 Un ensemble complexe De nombreux paramètres Une question : à quelle(s) date(s) Une question centrale : à quelle date optimiser Ce que l on veut maximiser : l énergie reçue par le récepteur durant l utilisation de la centrale ; Différent le 13 juillet à 9h et le 26 janvier à 14h ; Comment gérer cet aspect dans la phase de conception? 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
9 Ce qui existe Ce dont on a besoin Optimisation par essaim de particules 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
10 Ce qui existe Ce dont on a besoin Optimisation par essaim de particules Ce qui existe Logiciels de lancer de rayons Exemples : Soltrace, Tonatiuh, SolFast,... ; Estimation d une puissance : simulation pour une seule date ; Enchainement de simulations pour estimer les performances annuelles ; 10/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
11 Exemple : Tonatiuh Ce qui existe Ce dont on a besoin Optimisation par essaim de particules 10/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
12 Ce qui existe Ce dont on a besoin Optimisation par essaim de particules Ce qui existe Logiciels de lancer de rayons Exemples : Soltrace, Tonatiuh, SolFast,... ; Estimation d une puissance : simulation pour une seule date ; Enchainement de simulations pour estimer les performances annuelles ; Codes basés sur un modèle simplifié Exemples : HFLCAL, System Advisor Model (SAM) Utilisation d un modèle simplifié pour calculer des performances annuelles ; 10/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
13 Ce qui existe Ce dont on a besoin Optimisation par essaim de particules Code précis et rapide ; Ce dont on a besoin Intégration dans une boucle d optimisation (type essaim de particules) ; Prise en compte des données météorologiques d un lieu (année météo type) ; 1/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
14 Ce qui existe Ce dont on a besoin Optimisation par essaim de particules Particle Swarm Optimization (PSO) Technique d optimisation stochastique ; Une particule représente une configuration pour la centrale ; Les valeurs des paramètres sont générées aléatoirement à l itération 0 ; Aux itérations suivantes, les valeurs sont obtenues en combinant les résultats de la meilleure particule de l essaim et le meilleur résultat de chaque particule aux itérations précédentes ; 100 itérations pour 50 particules, soit 5000 simulations ; 12/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
15 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
16 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Notre proposition : raisonner en énergie et non en puissance Ajout d une intégrale sur le temps pour prendre en compte les positions du soleil sur l année ; Algorithme de Monte Carlo codé dans l environnement de développement EDStar ; 14/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
17 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Interpolation à partir de données collectées sur site À partir de fichiers météo année type pour un lieu ; Données toutes les 30 minutes ; Interpolation linéaire pour trouver une valeur de DNI à un instant t ; Pour un DNI trop faible : pas de production de la centrale (Exemple DNI 300W m 2 ) 15/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
18 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Interpolation linéaire des DNI 800 Interpolation Data DNI (W m 2 ) Heure (h) 16/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
19 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» L environnement EDSTAR Environnement de Développement en STAtistiques Radiatives (EDSTAR) : simulation des phénomènes de transport corpusculaire, en particulier du transfert radiatif ; Utilisation PBRT (Physically Based Rendering Techniques) : bibliothèque de synthèse d image (suivi de rayons en géométrie complexe) : Découple l algorithme de Monte Carlo et la géométrie ; Possibilité de tester plusieurs géométries rapidement ; Utilisation des fonctions d intersection présentes dans PBRT ; 17/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
20 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
21 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» A = p (δ)dδ p H(η)dη H Jour : δ [0; 365] Heure : η [7; 19] 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
22 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» T A = p (δ)dδ p H(η)dη H H + p X (x 1 1 )dx x 1 H 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
23 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» x 0 Ω S T A = p (δ)dδ p H(η)dη H H + p X (x 1 1 )dx Ω S p ΩS (ω S )dω S ω S x 1 H 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
24 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» x 0 Sh ω S T A = p (δ)dδ p H(η)dη H H + p X (x 1 1 )dx { p ΩS (ω S )dω S H(x 0 (H T ))ŵ out Ω S +H(x 0 / (H T ) x 1 H 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
25 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» x 0 Sh T A = p (δ)dδ p H(η)dη H H + p X (x 1 1 )dx { p ΩS (ω S )dω S H(x 0 (H T ))ŵ out Ω S +H(x 0 / (H T ) ω S n 1 ω1 x 1 H 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
26 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» x 0 Sh B T A = p (δ)dδ p H(η)dη H H + p X (x 1 1 )dx { p ΩS (ω S )dω S H(x 0 (H T ))ŵ out Ω S +H(x 0 / (H T ) {H(x 2 / T )ŵ out ω S n 1 ω1 Sp x 1 H 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
27 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Description de l algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» x 0 Sh B T x 2 A = p (δ)dδ p H(η)dη H H + p X (x 1 1 )dx { p ΩS (ω S )dω S H(x 0 (H T ))ŵ out Ω S +H(x 0 / (H T ) {H(x 2 / T )ŵ out } +H(x 2 T )ŵ in } ω S n 1 ω1 Sp ŵ in = DNI(ω S n 1 )S H + x 1 H 8/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
28 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Combien de dates pour être représentatif de l année? 9/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
29 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Combien de dates pour être représentatif de l année? Peu de dates : rapide mais barres d erreur très larges ; Beaucoup de dates : très précis mais lent ; Réorientation du champ à chaque réalisation : couteux en terme de temps de calcul ; Un seul rayon pour chaque orientation ; 19/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
30 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Version Multi Ray Monte Carlo Sun Tracking «MRMCST» Pour une date, plusieurs rayons sont lancés sur le champ d héliostats ; Réduction des barres d erreur ; ATTENTION : il faut simuler un nombre suffisant de dates pour être représentatif de l année ; Questions : Combien de réalisations pour chaque date? Combien de dates pour être représentatif? 20/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
31 Notre proposition Obtention du DNI (Direct Normal Irradiance) Utilisation de EDSTAR L algorithme Monte Carlo Sun Tracking «MCST» Energie au récepteur (GWh th ) Nombre de dates MCST MRMCST50 MRMCST100 MRMCST1000 Comparaison de MCST et MRMCST 21/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
32 Cas test Résultats Temps de calcul 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
33 Cas test Résultats Temps de calcul Comparaison avec Tonatiuh ; Centrale à tour ; Hypothèses pour le cas test 146 heliostats (9 miroirs carrés de 1.6m de coté) ; Champ d héliostats élaboré selon la méthode MUEEN (Agencement radial étagé) ; Les réflexions sont spéculaires ; La centrale se trouve sur l équateur ; L entrée du récepteur est un carré de 4m de coté ; Sur un PC de bureau AMD Phenom II X6 1055T 2.8GHz et 4Mo RAM 23/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
34 Cas test Résultats Temps de calcul 24/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
35 Cas test Résultats Temps de calcul Dates Tonatiuh MCST Équinoxe de printemps 2.97MW 2.97MW ± 72W Solstice d été 3.19MW 3.19MW ± 98W Équinoxe d automne 2.98MW 2.98MW ± 73W Solstice d hiver 3.19MW 3.19MW ± 98W 50 dates 6.329GWh th ± 0.623GWh th Dates MCST MRMCST dates ± GWh th ± GWh th Comparaison des résultats de simulation 25/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
36 Cas test Résultats Temps de calcul Realizations Tonatiuh Tonatiuh Eq. MCST MRMCST s s 9s 2s s s 59s 13.9s s s 814s 91s Temps de calcul On évalue comme référence un cas «equivalent Tonatiuh» à comparer à MRMCST en considérant les temps suivants : 4.003s pour chaque date décomposées en ouverture du fichier script (2s), pré et post-processing (2s) et simulation de 100 rayons (3ms). 6/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
37 1 2 Optimisation des centrales solaires à tour /29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
38 Conclusion Prise en compte des positions du soleil pour optimiser les centrales solaires à concentration ; Code rapide et précis (barres d erreur) ; Perspectives Insertion dans la boucle d optimisation ; Amélioration des lois de tirages selon le fichier météo année type ; Comparaison avec un code basé sur un modèle simplifié (HFLCAL ou System Advisor Model (SAM)) ; 28/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
39 Merci de votre attention 29/29 O. FARGES, J.J. BÉZIAN, M. EL HAFI ET H BRU Journée SFT GDR ACCORT Octobre 2012
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