See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/289531624 Dimensionnement, conception et réalisation d'un concentrateur solaire parabolique Conference Paper · December 2011 CITATION READS 1 9,784 4 authors: Kamel Aoues Moummi Noureddine Université de Biskra Université de Biskra 36 PUBLICATIONS 294 CITATIONS 129 PUBLICATIONS 1,345 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Miloud Zellouf Adel Benchabane Université de Biskra Université de Biskra 19 PUBLICATIONS 140 CITATIONS 97 PUBLICATIONS 1,805 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Applicability of a solar adsorption cooling machine in semiarid regions View project solar energy View project All content following this page was uploaded by Adel Benchabane on 08 January 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. SEE PROFILE Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 Dimensionnement, conception et réalisation d’un concentrateur solaire parabolique Kamel Aoues1, Noureddine Moummi2, Miloud Zellouf1, Adel Benchabane1 1Département 2 de Génie Mécanique, Université Mohamed Khider Biskra, B.P. 145 R.P. 07000, Biskra, Algeria Laboratoire de Génie Mécanique, Université Mohamed Khider Biskra, B.P. 145 R.P. 07000, Biskra, Algeria [email protected] Résumé : Cet article présente les résultats d’une étude expérimentale des performances d’un Concentrateur Solaire Parabolique (CSP) conçu, réalisé et testé à l’Université de Biskra (latitude 34°48’N and longitude 5°44’E). Le CSP est d’une surface totale de réflexion égale à 2.57 m2, d’une distance focale égale à 0.78 m et d’une surface du foyer égale à 0.18 m2. La surface réflectrice recouverte d’une centaine de petit morceau de miroir ordinaire qui réfléchissent le rayonnement solaire direct. L’absorbeur est construit d’un serpentin en cuivre de 6 m de longueur et de 6 mm de diamètre, peint en noir mat placé au point focal du CSP. Ce prototype poursuit le soleil dans son mouvement à l’aide d’un mécanisme de poursuite à deux axes. Les essais ont été effectués sous des conditions environnementales de la région de Biskra au mois de mai 2011. Ce modèle de concentration a conduit à des niveaux de températures compris entre 500°C et 640°C. Mots clés : Rayonnement solaire, Concentrateur parabolique, Récepteur, Réflecteur, point focal. 1. Introduction Pour transformer le rayonnement solaire en chaleur, il suffit en principe de le réceptionner sur une plaque noire. Mais un tel capteur, même parfaitement absorbant, doit supporter les pertes que son propre échauffement provoque au bénéfice de l'air ambiant. Ces pertes sont, en première approximation, proportionnelles à cet échauffement et à la surface développée. Pour travailler à température élevée, ce qui est nécessaire ici pour alimenter un cycle thermodynamique performant, il faut diminuer la surface de réception pour maintenir ces pertes à un niveau raisonnable. C'est ce que l'on fait en disposant devant le récepteur une optique qui concentre sur celui-ci le rayonnement capté sur une surface bien supérieure. On caractérise la performance du système par sa "concentration" qui est le rapport de la surface de collecte sur la surface du capteur [1-3]. Dans la pratique cette optique est systématiquement constituée de miroirs. C'est la nature géométrique des surfaces réfléchissantes mises en œuvre qui va définir la "filière" utilisée. Cette filière est un peu la référence en ce sens qu'elle met en œuvre la meilleure 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 un bon fonctionnement, un tel miroir doit viser en permanence le soleil (dont l’image se forme alors au foyer). On y parvient en animant son axe d'une double rotation. Mais ceci implique, s'en doute, une limitation de la taille, de la surface de collecte ne pouvant guère dépasser ici quelques centaines de mètres carrés dans des conditions économiques raisonnables. C'est là que réside la spécificité de la filière qui n'a d’intérêt que si l'on 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 qu'électrique) et installée dans une position voisine du foyer. 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 (en s'autorisant des marges 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 dans le domaine de l'utilisation des miroirs paraboliques (de 50 à 400 m2) 115 Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) utilisés individuellement (ou quasi individuellement) pour la génération d'électricité par des unités de faible puissance. Dans ce présent travail, nous procédons à la conception, dimensionnement et à la réalisation d’un concentrateur parabolique de 2.5 m2 dont la surface réfléchissante est couverte par une centaine de petit miroir. Cette réalisation est basée sur des matériaux locaux et ordinaires où nous testerons la température pouvant atteindre au foyer de concentration. 2. Description des différentes parties du prototype 2.1. Le réflecteur Il est constitué d’une parabole d’un récepteur satellitaire couverte par une centaine de petite surface de miroir qui couvre la surface intérieure du réflecteur. Les miroirs devrait avoir leur côté brillant face au soleil (fig. 1). La parabole est reposée sur un support mobile qui facilite son déplacement en plus du mécanisme de poursuite à deux axes. Le tableau 1 décrit les caractéristiques géométriques du concentrateur parabolique schématisé sur la figure 2. Fig. 1. Vue générale du concentrateur parabolique réalisé à l’Université de Biskra. Tableau 1. Caractéristiques géométriques du réflecteur. Diamètre d = 1.81m Taille L’angle d’ouverture Distance focale Surface d’ouverture H = 0.26 m p= 59.7° = 0 .78 m Aa =2.57 m2 Fig. 2. Dimensions du réflecteur [4]. 116 Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 2.2. L’absorbeur Le métal du récepteur doit avoir une bonne conductivité, nous avons choisi le cuivre comme matériaux du dispositif absorbant (d’une conductivité thermique de l’ordre de 360 W/°K.m2). Il s’agit d’un tube de 6mm de diamètre et 6m de longueur. L’absorbeur recouvert d’une mince couche de peinture noire pour diminuer la réflexion des rayons solaires, placé dans la zone focale de la parabole face au réflecteur (tableau 1 & fig. 3). Le serpentin en cuivre est mis dans un boitier isolé par sa face exposée au soleil où nous avons utilisé la laine de verre comme isolant. 3. Conditions de mesures Les essais expérimentales ont été menées au niveau du hall technologique du département de Génie Mécanique de l’Université de Biskra (Latitude : 34° 51’ 0 ‘’ N, Longitude : 5° 43’ 59’’ E). Le concentrateur est orienté vers le sud et il suit le mouvement grâce à un système de poursuite à deux axes à l’aide de capteur optique qui fournit les informations nécessaire de la position du soleil à la commande des moteurs qui se charge de faire mobiliser le concentrateur dans les deux directions Est-Ouest et Nord-Sud. Les mesures effectuées par les instruments suivants : ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Un solarimétre : permet de mesurer le flux solaire incident instantané sur le capteur. Un intégrateur de type Kipp et zonen: qui permet de totaliser l'énergie solaire incidente reçue sur le capteur pendant une période choisie. Un anémomètre à hélice : permet de mesurer la vitesse moyenne à la sortie du capteur et permet aussi de mesurer la vitesse du vent. Un anémomètre à fil chaud : permet aussi de mesurer les vitesses. Il est utilisé pour mesurer les températures au niveau de l’anémomètre. Des thermocouples en fer constantan qui sont reliés à un enregistreur à 12 voies : permettent de mesurer les températures d’entrée et de sortie du capteur ainsi que la température ambiante. Tableau 2. Caractéristiques de l’absorbeur. Caractéristiques de l’absorbeur Valeur Diamètre Longueur Surface totale Surface de captation Coefficient d’absorption de l’absorbeur Masse du récepteur vide d2 = 0.06 m L2 = 1m Sr = 2.57 Ar = 0.18 0.94 1.75 kg Fig. 3. Le foyer de l’absorbeur. 117 Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) 4. Résultats et discussions 4.1. La concentration Ce paramètre indique la quantité de concentration légère d’énergie réalisée par un capteur donné. Les deux définitions usuelles de la concentration solaire sont la concentration géométrique (surface) et la concentration du système optique (flux). ‐ Concentration géométrique : Calculer en utilisant l’équation (1) donnée par [5] : (1) ‐ Concentration optique : Calculer en utilisant l’équation (2) donnée par [5, 6] : (2) est l’angle apparent du soleil. 4.2. Evolution de l’éclairement solaire direct et de la vitesse du vent Les figures (4-6) représentent la variation du rayonnement solaire et la température ambiante le long des journées du 16, 17 et 19 mai 2011. Nous avons enregistré les valeurs maximales du flux solaires vers midi qui sont respectivement, 880, 907, 969 W/m2 et des températures ambiantes de l’ordre de 28, 27, 25°C. Les variations brusques du flux solaire sur les figures sont dues aux nuages. Ainsi, la figure 7 représente la variation de la vitesse du vent le long des journées des testes. Fig. 4. Evolution du rayonnement solaire et de la température ambiante le long de la journée du 16/05/2011. Fig. 5. Evolution du rayonnement solaire et de la température ambiante le long de la journée du 17/05/2011. 118 Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 Fig. 6. Evolution du rayonnement solaire et de la température ambiante le long de la journée du 19/05/2011. Fig. 7. Evolution de la vitesse du vent le long des journées du testes. 4.3. Chauffage continue du récepteur Pour étudier l’évolution de la température de la surface du foyer, ce qui nous permet de mieux comprendre les mécanismes qui se produisent au cours du chauffage, nous chauffons l’absorbeur avec le rayonnement solaire concentré d’une façon continue, durant les trois journées suscitées. La figure 8 représente la variation de la température de la surface focale en fonction du temps pour les journées des tests. Au début du chauffage, la température de la surface du foyer du récepteur est égale à la température ambiante, après cinq (05) minutes de chauffage, cette température croit en fonction du rayonnement solaire concentré à la surface focale de l’absorbeur. Elle continue à augmenter où sa valeur et celle de la température ambiante atteint son maximum entre 12h00 et 13h00 heures, lorsque l’éclairement est important. Nous remarquons que la température du récepteur peut atteindre des températures de l'ordre de 629, 584 et 610 °C respectivement pour les journées du 16, 17 et 19 mai 2011. 119 Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) Fig. 8. Evolution de la température de la surface focale le long des journées des testes. 5. Conclusion Nous avons présenté dans cet article les premiers résultats expérimentaux sur les performances d’un Concentrateur Solaire Parabolique (CSP) que nous avons conçu, réalisé et testé à l’Université de Biskra. L’étude nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement d’un tel type de système en testant la limite de la température à l’ouverture du récepteur, qui a atteint les 630°C. Nous avons montré également que la température à l’ouverture du récepteur du CSP dépend de plusieurs facteurs dont les plus importants sont : la variation de l’éclairement solaire, la géométrie du réflecteur, la nature et les dimensions de l’absorbeur et les qualités optiques de sa surface réfléchissante. L'absence d’appareillage pour mesurer le rayonnement direct "le pyrhéliométre" ne nous a pas permis d’établir théoriquement et avec une grande précision la température au niveau du récepteur. 6. Remerciements Nous tenons à remercier profondément Messieurs Abdel-Hak Tiar et Mohamed-Amine Ouadi pour leurs efforts en réalisant leur projet de fin étude sur le CSP étudié. 7. Références [1] Tripanagnostopoulos Y, Souliotis M, Nousia Th. Solar collectors with colored absorbers. Solar Energy, 68: 343–56 (2000). [2] Kalogirou S, Eleftheriou P, Lloyd S, Ward J. Design and performance characteristics of a parabolic-trough solarcollector system. Appl Energy, 47:341–54 (1994). [3] Garg HP, Hrishikesan DS. Enhancement of solar energy on flat-plate collector by plane booster mirrors. Solar Energy, 40(4):295–307, (1998). [4] Stine B., Geyer M., Power from the sun, Lyle centre for regenerative studies (2001). [5] Kedwards D., Marlot L., Capteurs Solaires, Edition S C M, Paris (1979). [6] Steinfeld A. et Palumbo R., Solar thermochemical process technology. Encyclopedia of physical science et technology 15, 237-256 (2001). 120 View publication stats
