I. INTRODUCTION - .Une centrale solaire thermodynamique à concentration (ou centrale solaire thermique

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  • Etude bibliographique sur les centrales solaires thermodynamiques

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    I. INTRODUCTION

    Nous utilisons la chaleur du soleil depuis toujours. Lutilisation de lnergie solaire au

    travers de capteurs est en synergie avec ces efforts. Grce des capteurs performants et une

    installation adapte. Lutilisation conomique de lnergie solaire nest plus une vision davenir,

    mais une ralit qui a dj fait ses preuves dans lutilisation quotidienne. Si on prend en compte

    les prix de lnergie fossile qui continueront.

    Dans ce chapitre nous nous intressons une tude bibliographique sur les diffrents

    types de centrales solaire produisant de leau chaude et de llectricit.

    II. Centrale solaire thermodynamique

    Une centrale solaire thermodynamique concentration (ou centrale solaire thermique ou

    encore hlio-thermodynamique, en anglais CSP pour (Concentrating Solar Power Plant) est une

    centrale qui concentre les rayons du soleil l'aide de miroirs afin de chauffer un fluide

    caloporteur qui permet en gnral de produire de l'lectricit.

    II.1. Solaire thermodynamique : c'est quoi ?

    Tout comme le solaire photovoltaque, le solaire thermodynamique tire profit du

    rayonnement solaire pour produire de l'lectricit. Mais ces deux technologies la valorisent

    diffremment. Alors que pour le photovoltaque, le rayonnement solaire est directement converti

    en lectricit, le solaire thermodynamique le converti en chaleur puis fait intervenir un organe de

    conversion lectrique.

    Prcisment, le solaire thermodynamique - aussi connu sous le nom de CSP

    (Concentrated Solar Power) - dsigne l'ensemble des techniques visant transformer l'nergie du

    rayonnement solaire en chaleur, puis convertir cette chaleur en nergie mcanique et lectrique

    au moyen d'un cycle thermodynamique moteur coupl une gnratrice lectrique (par exemple

    une turbine et un gnrateur).

    Le solaire thermodynamique est principalement destine aux pays fort ensoleillement et

    se dmarque des centrales photovoltaques par la possibilit de lisser plus facilement la

    production grce un stockage thermique tampon, moins onreux que les systmes de batteries.

    II.2. Solaire thermodynamique : comment a marche ?

    Les lments constitutifs principaux d'une centrale solaire thermodynamique (voir figure1)

    sont :

    Dispositif optique de concentration du rayonnement solaire

    Systme de production de chaleur compos d'un rcepteur, d'un fluide caloporteur et

    ventuellement d'un moyen de stockage

    Sous systme de conversion de la chaleur en lectricit.

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    Captation du flux Production Production dnergie

    Solaire de chaleur lectrique, mcanique

    Ou thermique

    Figure 1 : Centrale solaire thermodynamique

    II.3. Concept flexible aux performances variables

    Le solaire thermodynamique s'appuie sur une large gamme de technologies, de produits et

    d'applications en fonction de la temprature de fonctionnement, et donc des technologies

    utilises les composants du systme diffrent (fluide, technique de conversion lectrique,

    systme de stockage d'nergie...).

    Le solaire thermodynamique se prte bien au stockage d'nergie puisqu'il permet de

    stocker l'nergie directement sous sa forme chaleur. Le soleil tant par nature une source

    d'nergie fluctuante et intermittente (passage nuageux, alternance jour/nuit ...), le

    stockage d'nergie est essentiel la flexibilit et la disponibilit de l'nergie, et

    conditionne donc la viabilit du systme. En effet, une centrale solaire thermodynamique

    seule ne produit que lorsqu'il y a du soleil. Le stockage permet donc ici cette mme

    centrale de produire pendant les priodes d'ensoleillement faible ou nul.

    Le rendement moyen de production d'lectricit varie fortement selon la temprature :

    pour les plus basses tempratures il est de l'ordre de 8 10% et pour les plus hautes

    tempratures il peut dpasser 30%.

    II.4. Types et filires

    On distingue :

    Centrale tour

    Les centrales solaires tour sont constitues de nombreux miroirs concentrant les rayons

    solaires vers une chaudire situe au sommet d'une tour. Les miroirs uniformment rpartis sont

    appels hliostats (voir figure2). Chaque hliostat est orientable, et suit le soleil individuellement

    et le rflchit prcisment en direction du receveur au sommet de la tour solaire. Le facteur de

    Flux

    solaire

    Collecteur Concentrateur Rcepteur

    Chaleur Conversion Electricit

    Chaleur

    haute

    Temprature

    Chaleur

    basse

    Temprature

    1 2 3

    Stockage

    thermique

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    concentration peut dpasser 1000, ce qui permet d'atteindre des tempratures importantes, de

    600c 1000 c. Lnergie concentre sur le receveur est ensuite soit directement transfre au

    fluide thermodynamique (gnration directe de vapeur entranant une turbine ou chauffage dair

    alimentant une turbine gaz), soit utilise pour chauffer un fluide caloporteur intermdiaire. ce

    liquide caloporteur est ensuite envoy dans une chaudire et la vapeur gnre actionne des

    turbines. Dans tous les cas, les turbines entranent des alternateurs produisant de l'lectricit.

    Figure 2 : Centrale solaire tour (Solar Two en Californie)

    Centrales collecteur cylindro-parabolique

    Ce type de centrale se compose de ranges parallles de longs miroirs cylindro-paraboliques

    (Voir Figure 3) qui tournent autour dun axe horizontal pour suivre la course du soleil.

    Les rayons solaires sont concentrs sur un tube rcepteur horizontal ; dans lequel circule un

    fluide caloporteur dont la temprature atteint en gnral 400C. Ce fluide est ensuite pomp

    travers des changeurs afin de produire de la vapeur surchauffe qui actionne une turbine ou un

    gnrateur lectrique.

    Figure3 : Centrales cylindro-paraboliques

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    Centrales Dish Stirling paraboliques

    Ayant la mme forme que les paraboles de rception satellite, les capteurs paraboliques

    fonctionnent dune manire autonome (voir figue 4). Ils sorientent automatiquement et suivent

    le soleil sur deux axes afin de rflchir et de concentrer les rayons du soleil vers un point de

    convergence appel foyer. Ce foyer est le rcepteur du systme. Il sagit le plus souvent dune

    enceinte ferme contenant du gaz qui est mont en temprature sous leffet de la concentration.

    Cela entraine un moteur Stirling qui convertit lnergie solaire thermique en nergie mcanique

    puis en lectricit.

    Le rapport de concentration de ce systme est souvent suprieur 2000 et le rcepteur

    peut atteindre une temprature de 1000C .

    Un de leurs principaux avantages est la modularit : ils peuvent en effet tre installs dans

    des endroits isols, non raccords au rseau lectrique. Pour ce type de systme, le stockage nest

    pas possible.

    Figure 4 : Centrale solaire parabolique (projet DISH-STIRLING Font-Romeu-Odeillo)

    Centrale solaire miroirs de Fresnel

    Un facteur de cot important dans la technologie des collecteurs cylindro-paraboliques

    repose sur la mise en forme du verre pour obtenir sa forme parabolique. Une alternative possible

    consiste approximer la forme parabolique du collecteur par une succession de miroirs plans.

    Cest le principe du concentrateur de Fresnel. Chacun des miroirs peut pivoter en suivant la

    course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube ou un

    ensemble de tubes rcepteurs linaires fixes. En circulant dans ce rcepteur horizontal, le fluide

    thermodynamique peut tre vaporis puis surchauff jusqu 500 c. La vapeur alors produite

    actionne une turbine qui produit de llectricit. Le cycle thermodynamique est gnralement

    direct, ce qui permet d'viter les changeurs de chaleur.

    http://fr.wikipedia.org/wiki/Odeillo

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    Figure5 : Centrale solaire miroirs de Fresnel

    II.5. Capacit installe

    En 2008, la capacit installe tait value environ 431 MW, dont 420 MW en solaire

    thermodynamique concentration de type cylindro-parabolique. La concrtisation des scnarios

    voqus prcdemment suppose un dploiement grande chelle du solaire thermodynamique

    concentration, un rythme soutenu, soit en moyenne e