Cogénération héliothermodynamique avec concentrateur linéaire

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Energétique et Transferts
Pr. Souad Harmand (Université Valenciennes), !
Pr. Georges Le Palec, (Université Marseille),!
Dr. Bernard Thonon (CEA), Pr. Richard Fournier (LaPLACE),!
M. Frédéric Siros (EDF R&D EFESE),!
Dr. Jean-Jacques Bézian (RAPSODEE), Pr. Pascal Stouffs (LaTEP),!
Pr. Souad Harmand (Université Valenciennes), !
Pr. Georges Le Palec, (Université Marseille),
Dr. Jean-Jacques Bézian, Pr. Pascal Stouffs,
Université de Toulouse; Mines Albi; CNRS; Centre RAPSODEE
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP)
!
Cogénération héliothermodynamique !
avec concentrateur linéaire de Fresnel :!
modélisation de l'ensemble du procédé
1er Décembre 2011
François Veynandt

Doctorat de l’Université de Toulouse
délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Ecole doctorale MEGeP
spécialité : Energétique et Transferts
présentée et soutenue par François Veynandt
le : 1er Décembre 2011
Laboratoire : Université de Toulouse ; Mines Albi ; CNRS ; Centre RAPSODEE
Campus Jarlard, Route de Teillet - 81013 ALBI CT CEDEX 09 - FRANCE
Titre : Cogénération héliothermodynamique avec concentrateur linéaire
de Fresnel : modélisation de l’ensemble du procédé
Résumé : Le concentrateur à réflecteur linéaire de Fresnel (LFR) est une technologie solaire
thermodynamique en plein essor : petites applications industrielles (chaleur, froid, électricité) à cen-
trales électriques (10-100 MWel).
Ce travail de thèse établit un modèle global du procédé solaire, en régime permanent, pour un pré-
dimensionnement du système. Le modèle comprend trois parties chaînées : (i) les transferts radiatifs
dans le concentrateur optique, modélisés précisément par une méthode de Monte Carlo (environne-
ment EDStar) ; (ii) les transferts thermiques dans le récepteur, évalués analytiquement (puissances,
températures) ; (iii) le cycle thermodynamique, avec Thermoptim.
L’application étudiée couple un concentrateur LFR à un moteur Ericsson. L’air est fluide calopor-
teur et de travail. Un prototype est en construction. L’hybridation et le stockage thermique sont des
options clés. Un modèle systémique permettrait d’optimiser l’opération du procédé, en étudiant son
comportement dynamique.
Mots clés : Solaire Thermodynamique, Concentrateur linéaire à miroir de Fresnel, Rayonne-
ment, Transferts thermiques, Cogénération, Modélisation numérique
Title : Cogeneration with Linear Fresnel Reflector based Solar Concen-
trator : modelling of the whole process
Abstract: Linear Fresnel Reflector (LFR) is a promising Concentrating Solar Power techno-
logy. Research is booming and industrial applications are emerging. Applications range from small
production units (heat, cold, electricity) to utility scale power plants (several tenths of MW).
This PhD work establishes a global model of the solar process, in order to improve our knowledge
of the system’s performances. It is a static model suited for a pre-design of the system.
The model is chaining three parts. Radiative heat transfer in the optical concentrator is mod-
elled by Monte Carlo statistical Method. The algorithm enables a detailed study of any geometrical
configuration, especially through absorbed power flux maps on the receiver. The simulation tool is
using the environment of development EDStar. The thermal model calculates analytically the useful
thermal power, losses and temperature profiles along the receiver (glass cover, fluid, pipe...). The
thermodynamic cycle is simulated analytically using the software Thermoptim.
The studied application uses air as heat transfer and working fluid. Air directly feeds an Ericsson
engine. The engine developed by LaTEP laboratory is promising for small scale cogeneration (1 to
several tenths of kWel). The prototype Linear Fresnel Reflector built in Ecole des Mines d’Albi will
enable experimental study of a solar process coupling an LFR concentrator and an Ericsson engine.
The technology under study can feed a power plant or a cogeneration system in the industry,
producing electricity and heat at 100 to 250°C. Hybridisation with an other energy source (biomass,
gas...) and thermal storage (molten salt?) are key features to investigate. To optimise the operating
strategy of the process, dynamic behaviour must be studied: a systemic or agent based model is a
very relevant approach.
Keywords: Concentrating Solar Power, Linear Fresnel Reflector, Radiative heat transfer,
Thermal transfer, Combined Heat and Power, Numerical modelling

Cogénération héliothermodynamique
avec concentrateur linéaire de Fresnel :
modélisation de l’ensemble du procédé
–
Mémoire de thèse de doctorat
François Veynandt
Doctorant RAPSODEE, Mines Albi
2009-2012
Directeur de thèse :
Jean-Jacques Bézian, RAPSODEE Mines Albi
Co-directeur de thèse :
Pascal Stouffs, LaTEP, Université de Pau
Partenaire industriel :
Philippe Lefèvre, EDF R&D EFESE
Frédéric Siros, EDF R&D EFESE
Collaborateurs techniques :
Jean-Claude Poussin, Ecole des Mines d’Albi
Denis Marty, idem
Mickael Ribeiro, idem
Collaborateurs scientifiques :
Mouna El Hafi, RAPSODEE
Michel Falempe, RAPSODEE et Université Albi
Abhik Ghatuary, IIT Karaghpur, Inde
Markus Kläsle, Université Dresde, Allemagne
Can Serkan Ibrahimoglu, Master EUREC, Turquie
Edison Guevara, Master EUREC, Venezuela
Jury :
Pr. Souad Harmand, Université Valenciennes, Rapporteuse
Pr. Georges Le Palec, Université Marseille, Rapporteur
Pr. Richard Fournier, LAPLACE, Université Toulouse
Dr. Bernard Thonon, CEA
M. Frédéric Siros,
Pr. Pascal Stouffs,
Dr. Jean-Jacques Bézian.
7 janvier 2012
2

Remerciements
Je tiens à remercier particulièrement mes encadrants pour leur suivi régulier et leurs conseils :
Jean-Jacques Bézian, Pascal Stouffs, Frédéric Siros et Philippe Lefèvre. J’apprécie leur expertise
et leur humanité. Merci pour la confiance qu’ils m’ont accordée tout au long de ce travail.
Merci aussi à mes collègues, éminents scientifiques, pour leur disponibilité et leur aide précieuse :
Richard Fournier, Mouna El Hafi, Stéphane Blanco et aussi Michel Falempe, Benjamin Piaud,
Vincent Eymet, Maxime Perier-Muzet.
Ce fut également un plaisir de travailler avec l’équipe technique pour la réalisation du prototype
de concentrateur : Jean-Claude Poussin, Denis Marty, Mickael Ribeiro, Bernard Auduc et aussi
Georges Nepsinsky.
Merci aux stagiaires que j’ai encadrés pour le travail accompli sur le prototype, leurs quali-
tés humaines et leur motivation : Abhik Ghatuary, Markus Kläsle, Serkan Ibrahimoglu et Edison
Guevara.
Tous les collègues, d’Albi et d’ailleurs, pour le bon environnement de travail et l’ambiance
agréable, notamment ceux proches de mon sujet : Germain Baud, Jérémie De la Torre, Olivier
Farges, Jérémi Dauchet.
Mes amis, ma famille, en particulier mes parents et mes deux soeurs : leur soutien a bien
compté !
Et un remerciement spécial pour le financement d’EDF, qui a permis à cette étude de s’effectuer
dans de bonnes conditions matérielles.
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