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RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITÉ DES FRÈRES MENTOURI - CONSTANTINE FACULTÉDES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE N° d’ordre : 13/D3C/2017 Série : 01/GM/2017 THÈSE Présentée pour obtenir le diplôme de Doctorat LMD 3ème cycle en Génie Mécanique OPTION : Génie Thermique et Énergétique Par : Imad Eddine Meriche Soutenue le : 13/03/2017 Devant le jury composé de Président : Ali Bouchoucha Université Constantine-1 Professeur Rapporteur : Abdelhadi Beghidja Université Constantine-1 Professeur Examinateurs : Nadir Bellel Université Constantine-1 Professeur Examinateurs : Hocine Ben Moussa Université Hadj Lakhder Batna Professeur Examinateurs : Nabila Ihaddaden Université de M'Sila Maître de conférence-A : Simulation et Modélisation d’Installation de Type Solaire thermodynamique Hybride Remerciements Avant tout, je remercie Dieu de m’avoir donné le courage et la patience de mener à terme ce modeste travail. J’adresse mes remerciements à mon encadreur le Professeur Abdelhadi Beghidja pour la direction de cette thèse, ainsi que pour ses orientations et précieux conseils. Je remercie le présidant de jury de m’avoir fait l’honneur de présider la présentation de cette thèse. Je tiens à adresser mes plus sincères reconnaissances aux membres du jury, d'avoir accepté l’analyse et l'évaluation de mon travail. A tous les enseignants et doctorants travaillant au département de génie mécanique de l’université Mentouri – Constantine -1. A mes chers et fidèles amis et à tous les gens qui me connaissent. Dédicaces Je dédie ce modeste travail à mes chers parents qui m’ont tout donné, qui m’ont encouragé tout le long de mes études et à qui je dois ma réussite. A mes sœurs et à mes frères qui m’ont tant soutenu. A tous mes amis qui m’ont beaucoup aidé et encouragé. A tous mes collègues et doctorants de l’université de Constantine 1. I Sommaire REMERCIEMENTS DÉDICACE SOMMAIRE……………………………………………………………………………………………I LISTE DES TABLEAUX …………………………………………………………………………….II LISTE DES FIGURES ………………………………………………………………………………III RÉSUMÉ ...............................................................................................................................................V NOMENCLATURE …………………………………………………………………………………IV INTRODUCTION GÉNÉRALE …………………………………………………….……………….1 CHAPITRE 1. GISEMENT SOLAIRE INTRODUCTION ……………………………………………………………………………...………4 I.1. CARACTÉRISTIQUES DU SOLEIL ……………………………………………………..………4 I.2. LE SYSTÈME TERRE-SOLEIL …………………………………………………………….……5 I.3. ÉNERGIE REÇUE PAR UN SITE TERRESTRE …………………………………………...……6 I.3.1. Position du soleil par rapport à la terre ………………………………………………...…………6 I.3.1.1. Coordonnées géographiques …………………………………………………………….…..…6 A- La latitude  ………………………………………………………………………………...…6 B- La longitude φ ………………………………………………………………………….………6 C- L’altitude h …………………………………………………………………………….……….7 I.3.2. Trajectoires apparentes du soleil …………………………………………………………...……7 I.3.2.1. Les coordonnées équatoriales …………………………………………………………........…7 A- Déclinaison solaire  …………………………………………………………………………...7 B- Angle horaire ω ……………………………………………………………………………...…7 I.3.3. Le temps solaire …………………………………………………………………………...…...…7 I.3.3.1. Temps universel ……………………………………………………………………………..…8 I.3.3.2. Temps solaire local (TSL) …………………………………………………………………...…8 I.3.3.3. Temps solaire moyen (TSM) ……………………………………………………………..…..…8 I.3.3.4. Temps solaire vrai (TSV) ………………………………………………………………………8 I.3.4. Coordonnées horizontales …………………………………………………………………….…8 I.3.4.1. Azimut (a) ……………………………………………………………………………...……….8 I.3.4.2. Angle de la hauteur solaire (  ) ………………………………………………………….….…9 I.3.4.3. Distance zénithale (z) ………………………………………………………………………..…9 I.4. COMPOSANTE DU RAYONNEMENT SOLAIRE ………………………………….……….….9 I I.5. TYPES DE RAYONNEMENTS …………………………………………………………………10 I.5.1. Rayonnement solaire direct ……………………………………………..……………...………10 I.5.1.1. Ciel clair …………………………………………………………………...………….………10 I.5.1.2. Ciel quelconque ………………………………………….……….………….…………….…11 I.5.2. Rayonnement solaire diffus ……………………………….……….……………...…………….11 I.5.3. Rayonnement solaire réfléchi ……………………………….…………………..…...…………11 I.5.4. Rayonnement solaire global ……………………………….…………………….……..……….11 I.5.4.1. Ciel clair (sans nuages) ……………………………….…………………………………...….12 I.5.4.2. Ciel quelconque ……………………………….………………………………………..……..12 I.6. GISEMENT SOLAIRE ……………………………….………………………..…………..…….12 I.6.1. Situation géographique de l’Algérie ……………………………….………………….…...……12 I.6.2. Gisement solaire en Algérie ……………………………….………………………..………..…13 I.7. RÉGION DE BÉCHAR ……………………………….………………………………………….14 I.7.1. Situation géographique ……………………………….………………….…………..………….14 I.7.2. Température ……………………………….……………………………………………...….….14 I.7.3. Humidité relative ……………………………….…………………………………………....….15 I.7.4. Rayonnement solaire ……………………………….………………………………………...…15 I.7.5. Durée d’ensoleillement ……………………………….……………………………...………….16 I.7.6. Précipitation ……………………………….…………………………………………...….…….16 CONCLUSION ……………………………….………………………………………………...….….17 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES………………………………………………...………...…..17 CHAPITRE 2. CENTRALES À CONCENTRATION SOLAIRE INTRODUCTION ……………………………….……………………………………………………20 II.1. TECHNOLOGIES DES CENTRALES À CONCENTRATION SOLAIRE ……………….…20 II.2. CONCENTRATEURS SOLAIRES …………………………………………………………...…21 II.2.1. Concentrateur cylindro-parabolique …………………………………………….……..….…....21 II.2.2. Concentrateur de Fresnel linéaire ……………………………….………….………………..…23 II.2.3. Centrale à cheminée solaire ……………………………….……………………………...……24 II.2.4. Concentrateur parabolique ……………………………….……………………….….……...…25 II.2.5. Four solaire ……………………………….…………………………………………….…...….26 II.2.6. Concentrateur Tour solaire ……………………………….…………………….……...……….27 II.2.6.1 Le champ d'héliostats ……………………………….…………………………….…….…….27 II.2.6.2. La tour ……………………………………………………………………….……………….29 II.2.6.3. Le récepteur solaire ……………………………….………….………….…………….…….30 II.3. DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE CENTRALES À TOUR ……………………………….30 II.3.1. Systèmes à caloporteur sels fondus …………………………………………………….…....…31 II.3.2. Systèmes à vapeur d’eau ……………………………….……………………………………....32 I II.3.3. Systèmes avec circuit à air ……………………………….……………..………..………33 II.3.3.1. Système avec air à pression atmosphérique ………………………………….….......…..33 II.3.3.2. Système à air pressurisé ……………………………….……………………….....……33 A. Les récepteurs à air tubulaires ……………………………….…………………………..……34 B. Le récepteur à air volumétrique (irradiés directement) ………………………………...…34 II.4. INSTALLATIONS TOUR SOLAIRE DANS LE MONDE ………………………………...…35 II.5. INSTALLATION TOUR SOLAIRE HYBRIDE …………………………………………..……36 II.5.1. Hybridation parallèle ……………………………….………………………………..……...….36 II.5.2. hybridation périodique ……………………………….………………………………………...37 II.6. COMPOSANTS DE LA TOUR SOLAIRE-TURBINE À GAZ HYBRIDE …………...……….38 II.6.1. Turbine à gaz ……………………………….…………………………….…………...….…….38 II.6.2. Récepteur volumétrique fermé …………………………………………………………...…….39 II.6.3. Récepteur de REFOS ……………………………….……………..………………………..….40 II.7. Performances des centrales tours solaires hybrides …………………………………………..….41 II.7.1. Comparaison entre les différents types de concentrateur solaire ………………………...…….42 CONCLUSION ……………………………………………………………………………..…………42 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ……………………………………………………...………43 CHAPITRE 3. ANALYSE THERMODYNAMIQUE INTRODUCTION …………………………………………………………………….................……47 III.1. BILAN ÉNERGÉTIQUE ………………………………………………………………….……47 III.1.1. Turbine à gaz solaire ………………………………………………………..………….…...…47 III.1.1.1. Compresseur ………………………………………………………………………..…….…47 III.1.1.2. Concentrateur solaire ……………………………….............................................................48 A. Pertes par l’effet cosinus …………………………………………………………..….………48 B. Pertes par l’effet ombrage et blocage …………………………………………………...….…49 C. Pertes par l’effet atmosphérique ……………………………………………………...………49 D. Pertes par l’effet interception …………………………………………………………………50 III.1.1.3. Récepteur solaire ………………………………………………………….……………..…50 III.1.1.4. Chambres de combustion ………………………....................................................................51 III.1.1.5. Air de refroidissement ………………………..………………………………………...……52 III.1.1.6. Turbine ………………………………………………………………………………….…. 52 III.1.1.7. Échangeur de chaleur (Régénérateur) ………………………….............................……......52 III.1.1.8. Alternateur …………………………….............................................................................….53 III.1.2. Turbine à gaz solaire avec cycle combiné ………………………………………...…..………53 III.1.2.1. Chaudière de récupération …………………………………………………………….……54 III.1.2.2. Pompe …………………………………………………………………………………….…55 I III.1.2.3. Turbine de détente ……………………………………………………….……..………….55 III.1.2.4. Condenseur ………………………………………………………………….………………55 III.2. BILAN EXERGETIQUE …………………………………………………………………55 III.2.1. Principe …………………………………………………………………………..……………55 III.2.2 Exergie du travail et de la chaleur …………………………………………………..…………55 III.2.3. Destruction d’exergie ………………………………………………………………...………..56 III.2.4. Formes d’exergie ……………………………………………………………………….……..56 III.2.4.1 Exergie physique ………………………………………………………………….…….……56 III.2.4.2 Exergie chimique ……………………………………………………………………...……..56 III.2.5. Bilan d’exergie ………………………………………………………………………......…….57 III.2.6. Rendement exergétique ………………………………………………………………..…....…57 III.2.6.1. Champs Héliostats ………………………………………………………………………………..…57 III.2.6.2. Récepteur Volumétrique ……………………………………………………………………….…...58 III.2.6.3. Compresseur …………………………………………………………….…………….….…58 III.2.6.4. Chambre de combustion ………………………………………………………..….……..…58 III.2.6.5. Turbine ……………………………………………………………………….…………...…58 III.2.6.6. Échangeur de chaleur …………………………………………………………….…..…..…59 III.2.6.7. Cycle Rankine ……………………………………………………………………………..………...59 III.3. INFLUENCE DES CONDITIONS EXTERNES SUR LA PERFORMANCE DE LA TURBINE A GAZ SOLAIRE …………………………………………………………………………………….59 III.3.1. Effet de la température ambiante ……………………………………………………...………60 III.3.2. Effet de la pression atmosphérique ……………………………………………………...….…60 III.3.3. Effet d’humidité ………………………………………………………………………......……61 CONCLUSION …………………………………………………………………………………..……61 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ……………………………………………….…….…61 CHAPITRE 4. SIMULATION ET VALIDATION NUMÉRIQUE INTRODUCTION ………………………………………………………………………………….…64 IV.1. PRINCIPES DES SIMULATEURS ………………………………………………………..…..64 IV.2. PRÉSENTATION DE TRNSYS ……………………………………………………………..…65 IV.3. PRÉSENTATION DE LA BIBLIOTHÈQUE STEC ………………………………………...…66 IV.4. SIMULATION DU CONCENTRATEUR SOLAIRE ………………………………..……..…66 IV.5. PRÉSENTATION DE LA MONTE CARLO ……………………………………………..……68 IV.5.1. Cas entre deux surfaces ………………………………………………………………...……..69 IV.5.2. Échantillonnage préférentiel …………………………………………………………………..70 IV.5.3. Formulation intégrale …………………………………………………………………………71 IV.5.4. Algorithme appliqué à une centrale à tour ……………………………………………...……..72 I IV.5.4.1. Erreur angulaire ……………………………………………………………………..……...72 A- Les erreurs de pointage ……………………………………………………………………….72 B- Les erreurs spéculaires ……………………………………………………………….…...…..72 IV.5.4.2. Erreurs optiques ………………………………………………………………….…....…….73 A- Ombrage () ……………………………………………………………………….……........73 B- Blocage () …………………………………………………………………………….…..…73 C- Pertes par débordement () …………………………………………………………….…..…….73 IV.5.5. Représentation schématique de l’algorithme Monte Carlo ………………………….……..…74 IV.5.6. Algorithme de Monte Carlo et la position solaire …………………………………….…..…..75 IV.5.6.1. Optimisation du champ héliostats ……………………………………………….…….….…75 IV.5.6.2. Codes de calculs du flux solaire ……………………………………………………..……...77 IV.5.7. Validation de l’algorithme Monte-Carlo …………………………………………….………..78 IV.6. SIMULATION NUMÉRIQUE DE LA L’INSTALLATION …………………………..…....79 IV.6.1. Paramètres de l’installation simulée …………………………………………………….….....80 IV.6.2. Validation du modèle numérique de la turbine à gaz ………………………………….…...…80 IV.6.3. Concentrateur solaire ……………………………………………………………………..…...81 IV.6.4. Performance du capteur solaire ………………………………………………………..…..….81 IV.6.5. Influence de l’énergie solaire absorbée sur la consommation du gaz naturel de combustion ...82 IV.6.6. Influence de l’énergie solaire absorbée sur l’énergie utile produite et le débit massique …….82 IV.7. MODÉLISATION DE L’INSTALLATION ……………………………………………………83 IV.7.1. Performances de l’installation ………………………………………………………………...84 IV.7.2. Interprétation des résultants …………………………………………………………….……..87 CONCLUSION ……………………………………………………………………………..…………87 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ………………………………………………………...…....88 CHAPITRE 5. ANALYSE THERMO-ÉCONOMIQUE INTRODUCTION ……………………………………………………………………………….........91 V.1. DESCRIPTION DU MODÈLE PHYSIQUE …………………………………………………….91 V.2. SIMULATION ET PARAMETRES …………………………………………….……...…….....93 V.3. ANALYSE THERMODYNAMIQUE …………………………………………………..….…...94 V.3.1. Influence du DNI sur l’énergie solaire absorbée et sur le gaz de combustion utilisé …...……..94 V.3.2. Profil du générateur à vapeur …………………………………………………………..………94 V.3.3. Performances énergétique ………………………………………………………………....…..95 V.3.3.1. Champ héliostats ……………………………………………………………………..…........95 V.3.3.2. Installation avec cycle combiné …………………………………………………………...…95 V.3.4. Performances éxergétique …………………………………………………………………...…96 V.3.5. Performances journalières de l’installation …………………………………….…….……...…96 V.3.5.1. Puissances énergétiques quotidiennes ……………………………………….………............97 I V.3.5.2. Efficacités énergétiques et éxergétiques quotidiennes ……………….……………..……..…99 V.3.6. Rendements annuel du cycle de puissance ……………………………..…………….………101 V.4. INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS DE L’ANALYSE THERMODYNAMIQUE .….....102 V.5. ANALYSE ÉCONOMIQUE ……………………………………………………………...…....103 V.5.1. Composantes de base ………………………………………………………………....…..…..103 V.5.1.1. Coûts d’investissement …………………………………………………………….……….103 V.5.1.2. Dépenses d'exploitation ………………………………………………………………....…..103 A. La durée de vie des équipements ……………………………………………………..……..103 B. Le facteur de charge de l'installation ………………………………………………………..104 V.5.2. Calcul du prix du kWh (LEC) …………………………………………………………...……104 V.5.2.1. Le champ héliostats …………………………………………………………………........…105 V.5.2.2. Tour solaire …………………………………………………………………………...…….106 V.5.2.3. Turbine à gaz ……………………………………………………………………………..…106 A. Compresseur …………………………………………………………………………...……106 B. Chambre à combustion …………………………………………………………………...…106 C. Turbine ………………………………………………………………………………………107 V.5.2.4. Turbine à vapeur ………………………………………………………………….…...……107 V.5.2.5. Condenseur et système de refroidissement …………………………………………..…...…108 V.5.2.6. Pompes …………………………………………………………………………………...…108 V.6. INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS DE L’ANALYSE ÉCONOMIQUE ………….……109 CONCLUSION ………………………………………………………………………………………109 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ………………………………………………………….…110 CONCLUSION GÉNÉRALE ………………………………………………………………112 ANNEXE 1. Codes de calcul du flux solaire …………………………………………………………115 ANNEXE 2. Programme de l’installation avec cycle combiné simulé dans TRNSYS16…………….118 II LISTE DES TABLEAUX Tableau I.1. Ensoleillement reçu en Algérie par régions climatiques…………………………………14 Tableau II.1. Installations tour solaires construites dans le monde……………………………………35 Tableau II.2. Avantages et inconvénients des installations à concentrations solaires…………………42 Tableau III.1. Efficacités éxergétiques des différents composants de la turbine à vapeur…………….59 Tableau IV.1. Les codes de calcul de flux……………………………………………………………..77 Tableau IV.2. Performances optique du champ héliostats réel et simulé de l’installation PS10………79 Tableau IV.3. Paramètres de la turbine à gaz MS5001……………………………………………….80 Tableau IV.4. Paramétres du champ solaire…………………………………………………………...81 Tableau V.1. Paramètres de l’installation……………………………………………...……….……...92 Tableau V.2. Efficacité du champ solaire……………………………………………...………….…...95 Tableau V.3. Efficacités énergétiques de l’installation……………………………………..……..…..95 Tableau V.4. Coût de production moyen d’installations produisant de l'électricité………………….105 Tableau V.5. Charge de composants de la centrale…………………………………………….…….108 Tableau V.6. Coût de production électrique de la centrale…………………………………….……..109 III LISTES DES FIGURES Figure I.1. Le soleil uploads/Geographie/ mer7012.pdf