Les concentrateurs ponctuels 06/12/2020 1 A-La filière parabolique Le principe: Cette filière est la référence en ce sens car elle met en œuvre la meilleur surface réfléchissante possible: Une parabole de révolution avec ce miroir, tout rayon incident parallèle à l’axe optique passe, après réflexion par un même point. On appelle ce point le « foyer ». Pour fonctionner correctement, un tel miroir doit viser en permanence le soleil (dont l’image se forme alors au foyer). 06/12/2020 2 06/12/2020 3 On y parvient en animant son axe d’une double rotation. Mais ceci implique, on s’en doute, une limitation de taille, la surface de collecte ne pouvant guère dépasser ici quelques centaines de m2 dans des conditions économiques raisonnables. C’est là qui réside la spécificité de la filière qui n’a d’intérêt que si l’in parvient à utiliser le faible débit de chaleur récolté dans une installation compacte, mobile avec le miroir (et si possible sans liaison avec l’extérieur autre que électrique) et installée dans une position voisine du foyer. 06/12/2020 4 L’optique peut ici, théoriquement, délivrer des concentrations supérieures à 10000, ce qui est énorme. Dans la pratique, on réalise éventuellement des miroirs moins performants (images d’erreur sur la qualité géométrique des surfaces mises en œuvre). Ils peuvent alors être économiques tout en délivrant des concentrations d’un excellent niveau. Plusieurs réalisations récentes de qualité délivrent ainsi des concentrations de l’ordre de 4000. 06/12/2020 5 La technologie: Il y a de tout dans les réalisations de ces vingt dernières années en matière de surface réfléchissante, de structure, ou de contrôle - commande. Nous ne parlerons pas de ces deux derniers points qui seront traités au titre des héliostats des centrales à tour. La réalisation de surfaces réfléchissantes paraboliques de révolution pose des problèmes auxquels il est possible d’apporter des réponses variées. Elle sont aujourd’hui basées sur la mise en œuvre de verre argenté en face arrière comme surface réfléchissante. Elle doivent présenter un meilleur rapport qualité/prix : excellent coefficient de réflexion, bonne tenu aux intempéries, prix modéré. 06/12/2020 6 La mise en œuvre de ce matériau en vue de réaliser une parabole de révolution peut être effectuée selon deux voies principales: Juxtaposition de nombreux trapèzes plans pour approcher au mieux la surface parabolique théorique, Utilisation de verre mince cintré en double courbure qui permet, théoriquement, d’obtenir une parabole parfaite. La 1ère solution n’est valable que si elle est plus économique car elle est obligatoirement moins performante. Dans les deux cas, un problème central sera le collage des miroirs élémentaires sur la surface support qui leur imposera la géométrie et le positionnement adéquat. En effet, il y a de difficiles problèmes de comptabilité chimique 06/12/2020 entre les colles et les vernis qui protègent l’argentures des miroirs.7 Une alternative apparemment séduisante et bon marché à cette solution a souvent été étudiée. Il s’agit de mettre en œuvre comme matériaux réfléchissant une feuille ultra mince de mylar aluminisé; il est aisé de la mettre en forme de parabole en la tendant sur un tambour est en la soumettant à un vide partiel sur sa face arrière. On tient là une solution ultra légère, très bon marché, et en principe performante dans la mesure où la géométrie obtenue est très proche de l’idéal théorique. Le prix dont il faut malheureusement payer ces qualités est une fragilité telle qu’elle en devient rédhibitoire. 06/12/2020 8 Une intéressante variante de cette technique a été développée plus récemment: on met en forme parabolique par dépression arrière (ou par surpression avant) une tôle mince d’acier inoxydable et on la recouvre de miroirs minces cintrés et collés. On bénéfice ainsi d’une mise en forme précise obtenue par des moyens simples et de la bonne tenue aux intempéries des miroirs en verre. Les recherches technologiques en la matière, encore foisonnantes aujourd’hui, en sont toutes restées au stade expérimental et il n’est pas facile de projeter le type de solution qui serait optimal en cas de développement industriel. 06/12/2020 9 On peut toutefois prédire l’abandon des solutions à facettes planes car la mise en œuvre de verre mince cintré en double courbure ne pose pas de problème particulier tant que les rayons de courbure dépassent les cinq mètres, ce qui est le cas général. Elle ne devrait donc pas être plus chère que l’alternative en conditions industrielles tout en amenant à des performances meilleures. On peut ajouter qu’elle présenterait probablement une longévité plus importante dans la mesure où les miroirs élémentaires sont beaucoup plus grand que la solution alternative, diminuant d’autant la longueur des frontières entre miroirs qui sont le siège de toutes les fragilités (dégradation de la colle, dégradation de l’argenture). 06/12/2020 10 06/12/2020 11 LE CONCENTRATEUR PARABOLIQUE COMPOSE Le CPC est constitué de deux portions de paraboles identiques placées symétriquement par rapport à un axe (axe IY sur la figure). 06/12/2020 12 L'une des extrémités d'une parabole (point B) est placée au foyer de l'autre parabole : la parabole passant par les points B et C a le point F pour foyer et le foyer de la parabole en pointillé est le point B. L'autre extrémité des paraboles (C et C') est telle que la tangente en ces points est parallèle à l'axe de symétrie du CPC. La partie utile de la parabole pour constituer le CPC est la partie BC de la figure ci-dessus (et FC' pour l'autre). La ligne FB est la pupille de sortie du CPC. Sa largeur est notée d2. La ligne CC' est la pupille d'entrée du CPC. Sa largeur est notée d1. 06/12/2020 13 Concentrateur Parabolique Composé • CPC = “Compound Parabolic Concentrator” • Inventé par R. Winston dans les années 1970 • Section de parabole dont l’axe optique fait un angle θc avec l’axe du concentrateur • θc est appelé angle de coupure 06/12/2020 sin θc= AB/DC 14 • Illustration graphique de l’angle de coupure θc θ>θ c 06/12/2020 15 le rendement du collecteur La quantité d'énergie reçue par le collecteur parabolique dépend des conditions de fonctionnement : ● La quantité de radiation directe incidente sur le collecteur (G) ● La température moyenne du fluide dans le récepteur ( Tm ) : plus cette température est élevée, plus les pertes à l'ambiance sont élevées, et plus l'efficacité diminue. ● La température ambiante ( Ta ) : Plus elle est faible, plus les pertes à l'ambiance sont élevées ● L'angle d'incidence du rayonnement sur le capteur ( θc ) : cet angle modifie le propriétés d'absorption et de réflexion du rayonnement solaire par l'enveloppe de verre du récepteur. 06/12/2020 16 La quantité d'énergie reçue dépend aussi de caractéristique physique intrinsèques au collecteur : ● Le coefficient d'échange entre le récepteur et l'ambiance ( UL ) : Il doit être aussi faible que possible afin de minimiser les pertes à l'ambiance. ● Le coefficient de réflexion de miroirs (R) : Il est égal à la quantité de rayonnement reçue par le récepteur par rapport à la quantité incidente sur le collecteur. ● Le facteur de transmitivité-absorptivité (τα). Il est égal à la quantité de rayonnement absorbée par le tube récepteur en acier par rapport à la quantité de rayonnement incidente sur le verre du récepteur. 06/12/2020 17 ● Le facteur de concentration (C). ● Le facteur d'efficacité du capteur (F') : proportion d'énergie calorifique absorbée par le tube métallique et effectivement transmise au fluide caloporteur. La quantité de rayonnement incident reçue par le tube récepteur vaut : Qtube=(τα)⋅R⋅C⋅G La flux de chaleur perdu à l'ambiance par convection/radiation s'écrit : Qloss ,amb =UL(Tm-Ta) 06/12/2020 18 Le flux de chaleur transmis au fluide est égal à la différence entre Qtube et Qloss,amb multipliée par le facteur d'efficacité du collecteur : Q fluid F ' .R.C.G U L .(Tm Ta ) On peut donc exprimer le rendement du collecteur par : 06/12/2020 Q fluid G F '. .R.C F '.U L .(Tm Ta ) G 19 • En réalité, le facteur de concentration C est proportionnel à l’éclairement E(M’), variable en fonction de la position du point d’observation M’ dans le volume focal • Il est préférable de définir C comme le rapport de l’éclairement maximal dans le volume focal EMax à la constante solaire E0 C = EMAX/E0 06/12/2020 20 32’=0.52° 0 E0 2L0 sin 0 cos 0 d 0 L0 sin 2 0 L0 sin 2 0 0 E0 Eclairement solaire L0 Luminance solaire (supposée uniforme) ε0 Rayon angulaire du Soleil E0 (spatial) 1350 W/m2 E0 (au sol) 1000 W/m2 06/12/2020 L0 (spatial) 1.98E+7 W/m2/sr L0 (au sol) 1.47E+7 W/m2/sr 21 • Calculons EMax au foyer d’un système concentrateur d’énergie solaire d’ouverture angulaire α’m EMax 2L0 ' m 2 sin ' cos ' d ' L sin m ' 0 0 06/12/2020 22 • Ce qui nous donne finalement: • Application numérique: Avec ε0 = 16 minutes d’arc et une ouverture maximale α’m = 90 degrés, on obtient: 06/12/2020 23 Application de la loi de Stefan • La loi de Stefan-Boltzmann permet d’associer la température T d’un corps noir (ou gris) à l’éclairement reçu: T 4 E CE Max 0 où e est l’émissivité du corps gris (ε = 1 pour un corps noir) et σ la constante de Stefan-Boltzmann égale à 5.67 10-8 W/m2/K4 • On en déduit la température maximale atteignable au foyer d’un concentrateur solaire: T 06/12/2020 4 CE0 24 • Application numérique au niveau du sol: E0 = 1000 W/m2 06/12/2020 25 B-Centrale à tour Le principe: Ici, on ambitionne d’emblée de déployer des surfaces de miroirs très importantes. On renonce donc à utiliser une vraie parabole (qui devrait être mobile ce qui inimaginable en grande taille) et on la remplace par une pseudo - parabole, à foyer fixe, d’une taille pouvant atteindre plusieurs centaines de meuliers m2.et constituée de centaines ou de milliers de miroirs plans orientables. 06/12/2020 26 • Le récepteur solaire (chaudière) est placé au sommet d’une tour (hauteur typique 100 m) • La tour est cernée par un champ de miroirs (héliostats) qui assurent 2 fonctions: – Suivre le Soleil pour réfléchir en permanence ses rayons sur la chaudière – Contribuer à la concentration C du rayonnement 06/12/2020 27 06/12/2020 28 Les miroirs uniformément répartis sont appelés héliostats. Chaque héliostat traque le soleil individuellement et le réfléchit en direction d'un receveur au sommet de la tour solaire. Le facteur de concentration varie de 600 à plusieurs milliers, ce qui permet d'atteindre des températures importantes, de 800 °C à 1000°C. 06/12/2020 29 • Vue aérienne de l’ancienne centrale THEMIS (1983-1986) France 201 héliostats d’environ 54 m2 HTour = 106 m 06/12/2020 30 06/12/2020 31 Héliostats focalisants de la centrale Capteurs solaires fixes à concentration Concentrateurs paraboliques composés (CPC) 06/12/2020 32 Technologie des miroirs solaires • Facettes réflectrices du four solaire de 1000 kW d’Odeillo – Miroirs plans déformés sous contrainte mécanique 06/12/2020 33 • Héliostats focalisant de la centrale THEMIS (Cethel) Constitués de neuf modules, eux-mêmes composés de six panneaux cylindriques tangents à la sphère idéale 06/12/2020 34 C-Concentrateur de type Davies-Cotton • Constitué de miroirs identiques, de distance focale égale au rayon de courbure de la sphère support Avantage économique • Contrepartie: ombres et blocages ! Davies & Cotton, Solar Energy (1957) 06/12/2020 35 Four solaire à double réflexion • Système à double réflexion: héliostats plans mobiles, concentrateur et foyer fixes • Essentiellement un moyen de recherche (Température > 3000°C) 06/12/2020 C. Royère, Entropie (1981) 36 Le concentrateur est constitué de 9500 facettes planes déformées sous contrainte mécanique, toutes réglées à la main ! 06/12/2020 37 06/12/2020 38 Four solaire à double réflexion • Système à double réflexion: héliostats plans mobiles, concentrateur et foyer fixes • Essentiellement un moyen de recherche (Température > 3000°C) 06/12/2020 C. Royère, Entropie (1981) 39 Remarque Centrales à tour : Par rapport à un système cylindro-parabolique, la tour solaire offre l’avantage de ne pas avoir à faire circuler de fluide dans l’ensemble du champ de miroirs : les pertes hermiques sont donc significativement réduites Ainsi, c’est généralement des surfaces réfléchissantes constituées de miroirs qui sont utilisés. La nature géométrique des surfaces et la complexité des structures supportant les miroirs définissent les systèmes concentrateurs. 06/12/2020 40
