Thrd Internatonal Conference on Energy, Materals, Appled Energetcs and Polluton ICEMAEP2016, October 30-31, 2016, Constantne,Algera SIMULATION DE L EFFICACITÉ OPTIQUE ET GEOMÉTRIQUE D UN CONCENTRATEUR SOLAIRE CYLINDRO-PARABOLIQUE T. REDDAH 1, H. BENMOUSSA 2, T.E. BOUKELIA 3, M. AISSANI 4 1,4 Research Center n Industrel Technologes CRTI, p.o.box 64, Chéraga 16014 Algers, Algera, t.reddah@csc.dz, m.assan@csc.dz 2 LESEI, Unversté de Batna, avenue Chahd Boukhlouf, 05000 Batna, Algére, hocne_b@hotmal.com 3 Departement de Géne Mécanque, Unversté des Frères Mentour, Bp 325, Route de An El Bey, 25000 Constantne, Algére, taqy25000@hotmal.com RÉSUMÉ L'utlsaton des énerges solares n'est pas lée unquement à ses avantages économques mas surtout à la protecton de l'envronnement ou l faut trouver des solutons aux problèmes de polluton (énerge propre). Dans la nature, l ya beaucoup de sources d'énerges renouvelables, l'énerge solare est la plus mportante. Le présent traval propose une étude numérque des performances optques et géométrques d un concentrateur cylndroparabolque à eau, nous avans smulé la dstrbuton du flux solare autour du tube absorbeur à l ade d un logcel SOLRACE en utlsant la méthode de Monté Carlo. La détermnaton des dfférents facteurs notament le modfcateur de l angle d ncdence, le facteur d ombre et les perte d éxtrmtés permet d avor les performances optques du concentrateur. Mots Clés: Concentrateur cylndro-parabolque, Facteur optques et géométrques, Smulaton. NOMENCLATURE Symboles : L esp Espace entre les collecteurs solares, m Am Surface du collecteur, m² L sca Longueur du concentrateur, m D Damètre, m P extrmté Perte d extrémté du concentrateur f Dstance focale du concentrateur, m Lettres grecques : F ombre Facteur d ombre η opt Rendement optque du Concentrateur IAM Modfcateur de l angle d ncdence θ Angle d ncdence, degré KWh/m² L Largeur d ouverture, m θ z Angle de zénth, degré 1. INTRODUCTION L Algére bénéfce d une pussance de rayonnement solare parm les plus élevées en médterranée. Selon les données d ensolellement, l énerge moyenne reçue sur une surface horzontale est de l ordre de 1700 kwh/m² annuellement sur les régons côtères, 1900 kwh/m²/an sur les Hauts Plateaux et 2650 kwh/m²/an au Sahara [1]. Le concentrateur cylndro-parabolques est actuellement le plus répandu, ses applcatons sont multples par exemple la réfrgératon solare, la dstllaton solare et l électrcté solare, dans le sud de l Algére (Hass R Mel) une centrale électrque hybrde (gaz /solare) est nstallée avec une surface de 180 000 m des réflecteurs parabolques et d une pussance électrque de 25 MW [2]. 1060
Le concentrateur cylndro-parabolque utlse un réflecteur cylndrque en forme de parabole qu concentre la lumére sur un tube récepteur stué sur le long de la lgne focale du réflecteur. Les températures peuvent attendre asément les 500 C et peuvent produre de la vapeur afn de fournr de l électrcté [3]. 2.1 Modfcateur de l angle d ncdence 2. FACTEUR OPTIQUES ET GEOMÉTRIQUES En plus des pertes dues à l angle d'ncdence, Il exste d'autres pertes sur des collecteurs qu peuvent être corrélées à l'angle d'ncdence. Ces pertes sont dues à la réflexon et l'absorpton addtonnelles de l'enveloppe de verre lorsque l angle d'ncdence augmente [4]. Le modfcateur de l'angle d'ncdence (IAM) corrge ces pertes addtonnelles de réflexon et d'absorpton. Ce paramètre est présenté comme une corrélaton emprque à des données expérmentales menées à Sanda Natonal Laboratores (États-Uns) sur un concentrateur solare thermque de type LS-2, et est donné comme sut [5]: k cos 0,000884 0,00005369 (1) 2 Il est souhatable de dstnguer entre les pertes du rayonnement dsponbles en rason de l'angle d'ncdence lu-même et les relatons emprques de réflexon/absorpton corrélées à l'angle d'ncdence [6]. A cet effet, le modfcateur de l'angle d'ncdence dans ce traval est le même que celu défn par Dudley et al [5], dvsé par le cosnus de l'angle d'ncdence: k IAM (2) cos Par conséquent, l'équaton du modfcateur de l'angle d'ncdence IAM devent: IAM 2 1 0,000884 0,00005369 cos cos (3) 2.2 Facteur d ombre et perte d extrémté Le postonnement et la géométre des collecteurs et des tubes peuvent ntrodure d'autres pertes, à cause de l'ombrage des rangées parallèles dans les matnées et les sorées ans que les pertes d'extrémté du récepteur. La dscusson suvante sur les pertes due à l ombrage est basée sur le modèle développé par Stuetzle [7]. Lorsque les concentrateurs sont dsposés en rangées parallèles, avec envron l esp =15 m de l'espacement entre chaque rangée (pour l'analyse dans ce chaptre de notre étude). Il présente le rapport de la largeur du mror effectve (la largeur de l'ouverture qu n est pas ombrée), à la largeur actuelle du mror, et est formulé par [7]: Leff Lesp z Fombre cos (4) L L Les pertes d'extrémtés se produsent au nveau des extrémtés du récepteur, où pour un angle d'ncdence non nul, certane longueur du tube absorbeur n est pas llumnée par le rayonnement solare réfléch par le mror. La perte d'extrémté est foncton de la dstance focale du collecteur,de la longueur du collecteur et de l'angle d'ncdence, et est donnée par [8]: Tan Pextrémté 1 f (5) L SCA 2.3 Modélsaton du concentrateur cylndro-parabolque La défnton du modèle du concentrateur cylndro-parabolque de type Solargenx LS-2 avec SOLRACE se décompose en quatre étapes: défnton des paramètres pour le solel, défnton des éléments 1061
optques du modèle, défnton des paramètres de l algorthme de «lancer des rayons», et défnton des paramètres d affchage des résultats.le solel est défn par les coordonnées du vecteur solare dans le repère global et par un écart type défnssant la dstrbuton de sa lumnance, Tros optons sont dsponbles à cet effet: Gaussan, PllBox, et la dernère approche est défne par l'utlsateur.dans ce traval, nous avons chos l approche PllBox avec une dstrbuton plate, qu est suffsante pour une large classe de problèmes, avec un dem-angle de 4,6 mrads (fgure1). Fgure 1 Approche de PllBox. Dans la deuxème étape avec un premer temps, le nombre d étages est défn, étape crucale, étant donné le fonctonnement de l algorthme du logcel SOLTRACE les rayons se «déplacent» d un étage vers l autre. Deux étages sont défns dans le cas de notre traval: le premer content les éléments consttutfs du réflecteur (le mror que l on souhate modélser), le second content le tube récepteur. Nous supposons que les proprétés optques de notre système tels que: les coeffcents de réflexon, absorptvté, etc. sont unformes sur l ntégralté de la surface réfléchssante. On consdère que la poursute solare est très précse, dont l ouverture du concentrateur est constamment perpendculare aux rayons provenant du dsque solare. Les paramètres du concentrateur utlsé sont ndqués au tableau 1. paramètres Tube récepteur Collecteur Schort PTR 2008 Solargenx LS-2 Largeur d'ouverture (m) -- 5 Longueur d'assemblage de collecteur (m) -- 100 Dstance focale (m) -- 1,8 Nombre de modules par assemblage -- 12 Damètre ntéreur du tube (m) 0,066 -- Damètre extéreur du tube (m) 0,070 -- Damètre ntéreur de l enveloppe de verre (m) 0,115 -- Damètre extéreur de l enveloppe de verre (m) 0,120 -- Tableau 1. paramètres du concentrateur utlsé dans notre étude [5, 9]. Lorsque l'utlsateur ndque un certan nombre de rayons qu dovent être tracés, afn de mener les calculs optques, de dfférentes smulatons ont été réalsées en fasant varer ce paramètre. Pour cette étude, les smulatons ont été réalsées avec 25.10 5 rayons ssus du dsque solare lancés en drecton du concentrateur avec un flux solare drect normal égal à 1000 W/m². 2.4 Valdaton du modèle 1062
Après cela, le rendement optque de 75,2% avec une densté de flux de chaleur moyenne calculée du capteur de 15977,3 W/m 2 peut être obtenu par l'équaton classque: qu D3L opt (6) I A B m La référence [2] montre que les résultats expérmentaux de l'effcacté optque sont d envron 73,7%.Par conséquent, l y a un bon accord de 2,03 % entre la smulaton et les résultats expérmentaux. Jun 3. RESULTATS ET DISCUSSIONS Décembre (a) 1.012 1.008 IAM P Extrémté (b) 1.10 1.05 IAM P Extrémté IAM / P Extrémté 1.004 1.000 0.996 0.992 IAM / P Extrémté 1.00 0.95 0.90 0.988 0.984 0.85 0.980 0 4 8 12 16 20 24 Temps (heures) 0.80 0 4 8 12 16 20 24 Temps (heures) Fgure 2. Varaton horare moyenne de IAM et de P Extrémté en (a) Jun et (b) Décembre du concentrateur solare. F Ombrage 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Jun Décembre Perte d'extrémté 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 4 8 12 16 20 24 Temps solare (heures) 0.0 0 15 30 45 60 75 90 Fgure 3. Facteur d ombre en foncton du Fgure 4. Perte d extrémté par rapport à θ. temps de la journée (pour Jun et Décembre). Les données horares du rayonnement solare, ans que la température ambante et la vtesse du vent sont des paramètres clés pour smuler les performances du concentrateur solare. A cet effet, les données de Béchar (Algére) avec une sére de données d ntervalle d une heure ont été choses. Les varatons horares moyennes du modfcateur de l angle d ncdence et de la perte d extrémté du concentrateur solare avec un réflecteur de type Solargenx LS-2 et un tube récepteur de type Schott PTR 2008, sont présentées dans les fgures 2.a (jun) et 2.b (décembre). Ben que la varaton du facteur d ombre est présentée dans la fgure 3. 1063
0.8 0.7 Jun Décembre 0.6 opt 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 4 8 12 16 20 24 Temps (heures) Fgure 5. Varaton des performances optques horares moyennes en jun et décembre du concentrateur La varaton des performances optques du concentrateur solare de même type est présentée dans la fgure 5. Un pont très mportant est la dfférence dans les effcactés optques (IAM, P Extrémté, opt) entre jun et décembre, l est prncpalement dû à la dfférence dans la hauteur angulare dusolel (alttude solare) et l angle de zénth qu prennent des valeurs élevées en été, et fables en hver, comme l augmentaton dans ces deux angles, entraîne une augmentaton des effcactés optques. La fgure 6 montre la dstrbuton du flux solare le long de la paro extéreure du tube absorbeur la courbe peut être dvsée en quatre partes détallées comme sut: Dans la premère parte, le flux de chaleur solare est très fable, pusque le tube absorbeur ne reçot que le rayonnement drect. Dans la deuxème parte, le flux solare augmente rapdement et attent un pc d'envron 48765 W/m 2. Au trosème parte, le flux de chaleur solare est rapdement rédut ans les rayons réfléchs sont réduts. La dernère parte est caractérsée par un fable nombre de rayons réfléchs attegnant la pérphére du tube récepteure. Fgure 6 Dstrbuton moyenne du flux thermque au nveau de l'absorbeur avec IND =1000 [W/m 2 ] en (a) 2D, (b) 3D. 4. CONCLUSION 1064
Le Sahara algéren bénéfce d une pussance de rayonnement solare parm les plus élevées en Algére. L explotaton de cette ressource dans le développement durable du Sahara est mportante. Notre traval portat sur l étude numérque de l effcacté optque et géométrque d un concentrateur cyldro-parabolque avec les données de Béchar. Aprés cette étude on a constaté que les performances d un concentrateur sont en foncton: d angle d ncdence, et l effet d ombre et les pertes d éxtrmtés. Nous avons auss trouvé que le flux solare ncdent sur le tube absorbeur est unforme suvant la drecton axale et change suvant la drecton azmutale. REFERENCES [1] Y. Marf, M. Zerrouk, M. Belhadj et H. Ben Moussa, Etude de l effcacté optque et thermque d un concentrateur solare cylndro-parabolque, Revue des Energes Renouvelables, Vol. 16 N 4 (2013) 679 689. [2] N. El Gharb, H. Derbal, S. Bouaïchaou et N. Saïd, A Comparatve Study Between Parabolc Trough Collector and Lnear Fresnel Reflector Technologes, Energy Proceda, Vol. 6, pp. 565 572, 2011. [3] J.A. Duffe and W.A. Beckman, Solar Engneerng of Thermal Processes, 2nd Edton JohnWley, 1991. [4] Kalogrou SA. Solar Thermal Collectors and Applcatons. Prog Energy Combust Sc 2004; 30(3): 231 95. [5] Dudley VE, et al. Test Results: SEGS LS-2 Solar Collector. SAND94-1884. Sanda Natonal Laboratores, Albuquerque 1994. [6] Mokhemer EMA, et al. Techno-economc performance analyss of parabolc trough collector n Dhahran, Saud Araba. Energy Convers Manage2014; 86: 622 33. [7] Stuetzle TA. Automatc Control of the 30MWe SEGS VI Parabolc Trough Plant. Unversté de Wsconsn- Madson, États Uns; 2002. Thése de Master. [8] Lppke F. Smulaton of the Part Load Behavor of a 30MWe SEGS Plant. Sanda Natonal Laboratores, Albuquerque, SAND95-1293, 1995. [9] Burkholder F, Kutscher C. Heat Loss Testng of Schott s 2008 PTR70 Parabolc Trough Recever, Techncal Report, NREL/TP-550-45633, Natonal Renewable Energy Laboratory, Golden, 2009. 1065