Centrales solaires à capteur cylindro parabolique

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Centrales solaires à concentration CSP.

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Les centrales solaires à miroirs cylindro-paraboliques ou centrales solaires à concentration CSP ( concentrated solar power ).

le vocable "solaire thermodynamique CSP" (Concentrated Solar Power) désigne l'ensemble des techniques visant à transformer l'énergie du rayonnement solaire en chaleur. Les centrales solaires CSP sont constituées de concentrateurs cylindro-paraboliques pourvus de mécanismes de poursuite de positions du soleil, ainsi que de systèmes de transfert et de stockage de la chaleur, les apports variant en permanence dans les installations solaires même dans les régions du monde les plus favorables.

L'énergie solaire concentrée par le collecteur cylindro-parabolique est absorbée par un fluide de transfert qui transite à l’intérieur d’un tube métallique recouvert d’un revêtement "sélectif", placé sous vide à l'intérieur d'un autre tube en verre, lui même placé à la focale du collecteur cylindro-parabolique.  Le fluide de transfert peut être ainsi chauffé à des températures d'environ 400°C, il est en permanence pompé à travers des échangeurs de chaleur conventionnels qui constituent le point de livraison de la chaleur à la transformation thermodynamique ultérieure de l’énergie solaire collectée, comme par exemple la climatisation solaire, la désalinisation solaire ....

production hebdomadaire de chaleur pour 1000m2 de capteurs
energie solaire

Exemple de production pour la ville d' Abu Dhabi.

Les éléments principaux d'une centrale solaire CSP sont un dispositif optique de concentration du rayonnement solaire, un système de conversion thermique du rayonnement solaire concentré, composé lui même d'un récepteur, d'un fluide de transfert et éventuellement d'un moyen de stockage thermique au sein de sels fondus. l'installation est aisément interfaçable avec une unité classique de production d’énergie (hybridation).

Le capteur solaire cylindro parabolique

capteur solaire
capteur solaire cylindro parabolique

miroir cylindro parabolique.

rayons solaires incidents.

Le capteur cylindro-parabolique est constitué d’un miroir cylindro-parabolique linéaire qui collecte et concentre le rayonnement solaire sur un tube récepteur placé le long de sa ligne focale.

Pour les systèmes à miroirs cylindro-paraboliques, les facteurs de concentration atteignent 80. La structure portante est munie de joints de dilatation assurant la compatibilité entre les dilatations thermiques inégales des divers composants. Le rôle du mécanisme de poursuite est d'adapter l'inclinaison du capteur de manière à ce que la radiation solaire incidente soit toujours

tube récepteur placé à la focale du miroir cylindro-parabolique.

perpendiculaire au réflecteur. De cette manière, la radiation est réfléchie au foyer de la parabole et concentrée sur un tube récepteur dans lequel circule le fluide caloporteur.. L’ensemble du concntrateur cylindro-parabolique est mobile, il est orienté selon un axe nord-sud et suit la course du soleil d'Est en Ouest.

Le miroir cylindro parabolique.

Le miroir est le système qui permet de collecter et de concentrer le rayonnement solaire. Le miroir cylindro-parabolique est une surface réflechissante qui concentre le rayonnement solaire incident à son foyer (focale linéaire) composée de segments de miroirs paraboliques. Pour les grandes installations où une température du fluide de transfert très élevée est recherchée, le miroir cylindro-parabolique est constitué de panneaux en verre pauvre en fer relativement épais, cintrées à chaud, argentés et vernis en face arrière. Ils sont autoportants, ce qui permet de les assembler directement sur une support fixé au sol.

Pour des installations courantes de climatisation solaires par exemple, le concentrateur parabolique peut être constitué de feuilles de métal cintréex, polies et recouvertes d’une couche réfléchissante.

Le tube récepteur.

Le tube récepteur est placé à la focale (linéaire) du miroir cylindro parabolique et l’espace interne entre le tube en verre et le tube métallique absorbeur est maintenu sous vide pour éliminer les pertes thermiques par convection.

Le tube récepteur est le lieu de la conversion thermique de l’énergie solaire. Il est composé d’un ensemble sous vide d’un tube enveloppe en verre et d’un tube absorbeur en acier inoxydable recouvert d’une couche sélective dont le facteur d’absorption doit être le plus proche possible de l’unité. Le tube absorbeur doit avoir une conductivité, une diffusion thermique et une inertie chimique vis à vis du fluide de transfert (huile synthétique) qui va circuler en son sein appropriées. Il est muni à ses extrémités de soufflets métalliques qui font office de joints de dilatation. Le diamètre extérieur du tube absorbeur est fonction des dimensions du miroir associé. Le tube récepteur doit absorber autant de flux solaire concentré que possible, et le convertir énergie thermique, cette chaleur est transférée à un fluide

soufflet métallique

soudure verre-métal

enveloppe en verre

tube absorbeur

didpositif chimique de maintien du vide (Guetter)

(généralement de l’huile). Le récepteur absorbe l'énergie réfléchie par le concentrateur et la transfère au fluide de travail du cycle de puissance.

Le facteur de concentration C.

Le facteur de concentration C représente le rapport de la surface de collecte du miroir et de la surface de réception, il est d'approximativement 80 pour un capteur cylindro-parabolique.

Le concentrateur cylindro-parabolique est caractérisé par trois facteur. Le facteur de concentration, le facteur d’interception et le facteur de l’angle d’incidence modifiée :

· Le facteur de concentration est le rapport entre la surface

d’ouverture du concentrateur et la surface latérale de l’absorbeur.

· Le facteur d’interception qui est le rapport entre l’energie intercepteee par l’absorbeur et celle réflechie par le miroir

· Le facteur de l’angle incidence modifié qui décrit comment l'efficacité optique du concentrateur avec l'angle d'incidence solaire. Ce facteur est toujours inférieure à l’unité et diminue quand l’angle d’incidence augmente.

L'absorption sélective.

Revêtement Cermet (absorbeurs composites céramique-métal).

Le tube absorbeur doit transférer au fluide de transfert le plus possible d'énergie réfléchie et concentrée par le miroir. Pour cela, il faut maximiser l’absorption de l’énergie solaire et minimiser les pertes radiatives par réémission dans l’infrarouge. Il doit donc avoir un coéfficient d'absorption le plus proche possible de l'unité dans le spectre visible et une émissivité dans l'Infrarouge la plus proche possible de zéro.

Les composites métal-diélectrique, aussi appelés cermet pour composite céramique-métal, sont constitués de particules métalliques dans une matrice diélectrique, déposés sur un substrat métallique. La partie cermet absorbe fortement dans le visible, du fait des transitions inter-bandes dans les particules métalliques et de la résonnance entre les particules, mais reste transparente dans l’infrarouge. La couche métallique inférieure joue le rôle de réflecteur infrarouge.

Sur la surface extérieure du tube absorbeur est déposée un revêtement sélectif. Cette surface est le plus souvent constituée d'un composit céramique-métal (métal-diélectrique) déposé par pulvérisation cathodique.

La centrale solaire cylindro parabolique à concentration CSP.

Le champ solaire est la partie réceptrice de l'a centrale à concentration : la radiation solaire y est transformée en énergie thermique. Les collecteurs sont connectés en série pour former des strings qui sont connectés en parallèle. La taille de la centrale solaire dépend de la puissance désirée et de la température du fluide de transfert en sortie.
centrale solaire
energie solaire

Le champ solaire peut peut avoir plusieurs configurations avec des variantes: une passe (Once through) , Injection (rare)- R, recirculation, retour direct, retour indirect ou encore alimentation centralisée

champ de concentateurs cylindro-paraboliques.

circuit d'huile synthétique froide.

circuit d'huile synthétique chaude.

échangeur de chaleur eau/huile synthétique

circuit retour d'eau froide apprès utilisations.

circuit d'eau chaude vers climatisation solaire, désalinisation ...

vanne by-pass (jour/nuit).

échangeur de chaleur sels fondus/eau.

circuit sels fondus froids.

réservoir sels fondus froids.

circuit sels fondus chauds.

réservoir sels fondus chauds.

Fluides de transfert et de stockage de la chaleur.

Fluides de transfert.

Sels fondus de stockage.

Le fluide de transfert  est séléctionné selon ses propriétés physico-chimiques : viscosité, chaleur latente de changement de phase, capacité thermique volumique, conductivité thermique, propriétés anticorrosives et tenue à la température maximale (400°C).

les huiles synthétiques thermiques (huiles de synthèse minérales) sont le plus utilisées dans les centrales solaires à concentration à capteurs cylindro-paraboliques en tant que fluide transfert.

Les sels fondus à base de nitrates de sodium et de potassium ont un bon coefficient d’échange, une bonne inertie thermique leur permettant de stocker la chaleur et possèdent une densité élevée, ils sont de très bons fluides des stockage de la chaleur au sein des centrales solaires CSP. La solution utilisée utilise deux réservoirs, ayant chacun la pleine capacité de rétention du sel en circulation. L’un des bacs contenant le sel fondu chaud  et l’autre le sel fondu froid. les sels fondus  étant transférés du réservoir froid au réservoir chaud afin d'accumuler l'énergie solaire excédentaire en journée.

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