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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’enseignement Supérieur et de La Recherche Scientifique UNIVERSITE ABOU–BAKR BELKAID –TLEMCEN Faculté Des Sciences Département De physique Unité de Recherche Matériaux et Energies Renouvelables Ecole Doctorale « Energies Renouvelables » MEMOIRE Présenté par : Mr. Kadraoui Hicham En vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER Spécialité : Matériaux et Energies Renouvelables Option : Photothermique ETUDE COMPARATIVE ET RENDEMENT ENERGETIQUE DES DIFFERENTS DEGRES DE CONCENTRATION DES CONVERTISSEURS THERMODYNAMIQUE DE L’ENERGIE SOLAIRE Soutenue à Tlemcen le 2011, devant la commission d’examen : Mr. B. BENYOUCEF Mr.N.E. CHABANE SARI Mr. A. KHEROUS Mr. S.MERZOUK Professeur à l’Université Abou Bakr Belkaid de Tlemcen Professeur à l’Université Abou Bakr Belkaid de Tlemcen M.C à l’Université Abou Bakr Belkaid de Tlemcen M.C à l’Université Abou Bakr Belkaid de Tlemcen Président Examinateur Examinateur Rapporteur Année Universitaire : 2010 - 2011 Remerciements REMERCIEMENTS Je remercie en premier lieu Dieu le tout puissant de nous avoir accorder la puissance et la volonté pour terminer ce travail. Ce travail a été réalisé à «l'Unité de Recherche de Matériaux et des Energies Renouvelables» (URMER) de l'université Abou-bakr Belkaid Tlemcen. Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Monsieur Mr S.MERZOUK M.C à l’université de Tlemcen, pour avoir dirigé ce mémoire, pour son suivi permanent, ses lectures attentives, ses conseils judicieux et le soutien constant qu’il m’a prodigué au cours de l’élaboration de ce travail. Je remercie très chaleureusement Mr B. BENYOUCEF Professeur à l’université de Tlemcen pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury. Je remercie vivement Mr N. E. CHABANE SARI Professeur à l’université de Tlemcen, Mr. A. KHEROUS Maître de conférences à l’université de Tlemcen, d’avoir bien voulu accepter de juger ce travail et qui m’honorent en participant à ce jury. J’exprime toute ma sincère et profonde reconnaissance à Madame AMINA OUADFEL (Responsable à la bibliothèque centrale Imama); Je ne sais comment le remercier pour son aide, son encouragement, et de ses grandes qualités humaines. Il m’est agréable de remercie toute l’équipe de l’Unité de Recherche Matériaux et Energies Renouvelable. En fin je tiens à remercier tous ceux qui de prés ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce modeste travail. Dédicace Avec l’aide de dieu tout puissant, j’ai pu achever ce modeste travail que je dédie : À mes parents, mes frères et mes sœurs, et A tous ceux qui me sont chers. Sommaire Sommaire Sommaire Nomenclature Introduction générale ...........................................................................................................1 Chapitre.1 La Ressource Energétique Solaire 1.1 Introduction .....................................................................................................................4 1.2 Le rayonnement solaire .................................................................................................4 1.3 Conclusion ........................................................................................................................10 Chapitre.2 Technologies du Solaire Thermodynamique à Concentration 2.1 Introduction ..................................................................................................................11 2.2 Principe du solaire thermodynamique.......................................................................11 2.3 Les cycles thermodynamiques et fluides caloporteurs.......................................14 2.3.1 Les cycles thermodynamiques ............................................................................14 2.3.2 Les fluides caloporteurs......................................................................................15 2.4 Les différentes technologies des centrales solaires thermodynamiques ......16 2.4.1 Technologie à capteur cylindro-parabolique....................................................16 2.4.2 Technologie à tour (héliostat) ..........................................................................18 2.4.3 Le four solaire ......................................................................................................19 2.4.4 Cycles combinés................................................................................................... 20 2.4.5 Technologie à concentrateurs paraboliques.....................................................21 2.5 Le stockage de l'énergie solaire.............................................................................. 24 2.6 Centrale solaire hybride .......................................................................................... 27 2.7 Analyse économique et financière ....................................................................... 29 2.7.1 Evaluation des couts ............................................................................................ 29 2.7.2 Evaluation des couts et des performances ......................................................31 2.7.3 Interprétation..................................................................................................... 32 2.8 Conclusion...................................................................................................................... 33 Sommaire Chapitre.3 Les centrales solaires thermodynamiques 3.1 Introduction ................................................................................................................ 35 3.2 L’électricité solaire thermodynamique................................................................... 35 3.3 Les différents types des centrales solaires thermodynamiques .................... 36 3.3.1 CENTRALES SOLAIRES CYLINDRO-PARABOLIQUES........................... 36 3.3.2 LES CENTRALES A TOUR (HELIOSTAT) ................................................... 40 3.3.2.1 Centrale four solaire .....................................................................................41 3.3.2.2 Des centrales industrielles ont été mises en service ces dernières années ...........................................................................................................................................42 3.3.3 CENTRALES SOLAIRES PARABOLIQUES ................................................. 45 3.4 Les principales réalisations....................................................................................... 47 3.5 Projets de centrales solaires dans le monde (capacité solaire) ..................... 48 3.6 Conclusion...................................................................................................................... 50 Chapitre.4 Bilan Énergétique Des Convertisseurs De L’énergie Solaire 4.1 Introduction ..................................................................................................................51 4.2 Conversion thermodynamique de l’énergie solaire.................................................51 4.2.1 La collecte ............................................................................................................... 52 4.2.2 La production de chaleur (bilan thermique).................................................... 53 4.2.2.1 Pertes par convection .................................................................................... 53 4.2.2.2 Pertes par rayonnement............................................................................... 54 4.2.2.3 Pertes par conduction ................................................................................... 54 4.2.3 La conversion de chaleur (rendement) .............................................................. 55 4.2.3.1 Cas du Concentrateur cylindro-parabolique ............................................. 55 4.2.3.2 Cas de la centrale à tour ............................................................................... 59 4.2.3.3 Cas du concentrateur solaire parabolique (avec comme convertisseur le moteur Stirling) ........................................................................................................................62 4.3 Conclusion...................................................................................................................... 66 Conclusion générale ........................................................................................................... 68 Références bibliographiques ............................................................................................71 Nomenclature NOMENCLATURE NOTATION UNITES C Concentration géométrique hcv Coefficient d’échange de chaleur par convection [W/m2.K] hr Coefficient d’échange de chaleur par rayonnement [W/m2.K] I Eclairement solaire direct [W/m2] Pa Puissance solaire absorbée par le récepteur [W] Pc Puissance solaire captée par le réflecteur [W] Pt Puissance utile transmise par la surface réceptrice [W] PP Puissance correspondant aux pertes thermiques [W] Ppcv Pertes par convection [W] Ppr Pertes par rayonnement [W] Ppc Pertes par conduction [W] Sref Surface d’ouverture du concentrateur (réflecteur) [m2] Sr Surface de l’absorbeur (récepteur) [m2] Tr Température de la surface du récepteur [K] Ta Température ambiante [K] U Coefficient global des pertes [W/m2.K] LEC Coût moyen annuel actualisé [Euro/kWh] Nomenclature Indices & Exposant a Absorbé p Pertes c Conduction cv Convection r Récepteur ref Réflecteur t Thermique Symbole grec σ Constante de Stefan –Boltzmann. λ Conductivité de l’absorbeur. ε Facteur d’émissivité de l’absorbeur. τ Facteur de transmission de l’absorbeur. ρ Facteur Réflexion de surface de réflecteur (miroir). α Facteur d’absorption de la surface de l’absorbeur. ηopt Rendement optique. ηe Rendement énergétique globale. ηc Rendement de Carnot. ηch Rendement de la chaudière. η Rendement théorique de la centrale solaire. ηglob Rendement global de conversion de la puissance solaire. Institutions privé AIE : L’Agence Internationale de l’Energie. NEAL : Société (New Energy Algeria). ASA : L’Agence spatiale allemande. INTRODUCTION GENERALE Introduction générale 1 Introduction générale Le gisement solaire est une source d’énergie renouvelable disponible en grande quantité, en tout point de la surface terrestre et gratuite. Actuellement deux solutions de conversion de l’énergie solaire sont en compétition : - L’utilisation de cellules photovoltaïques pour la transformation directe du rayonnement solaire en électricité. La technologie de fabrication de ces cellules reste le monopôle de grandes firmes avec des prix assez chers et un rendement limité (le silicium permet des rendements de 10 à 20%). Une génération de cellules se précise : celle des cellules nanostructurées qui devraient permettre de dépasser des rendements de 25%. Mais quelque soit les progrès en cours, le solaire photovoltaïque ne peut être intéressant que s’il devient économiquement compétitif [1]. Cette conversion reste utilisée pour les productions électriques locales de petites puissances. - L’utilisation de capteurs plans thermiques pour transformer en énergie calorique les photons solaires. De manière pratique le rayonnement traverse une vitre qui laisse pénétrer la lumière et retient la chaleur (effet de serre) et est capté par une surface absorbante. La chaleur ainsi absorbée est ensuite récupérée grâce à un fluide caloporteur circulant sous la surface absorbante. La température du fluide obtenue ne dépasse pas beaucoup les 100°C au meilleur des cas. Introduction générale 2 Et puis il y a aussi l’encombrement des capteurs solaires plans. En effet, une température peu élevée constitue d’une part une limite au rendement solaire/thermique et d’autre par nécessite environ 7 m2 par kW (on devine alors la surface nécessaire pour produire quelques kW [2]), donc pas adaptés à la production de fortes puissances. Cette chaleur est utilisée pour la production d’eau chaude sanitaire ou pour le chauffage de maison (plancher solaire). L’énergie thermique du soleil permet aussi de produire de l’électricité par voie thermodynamique. C’est ce que l’on appel « électricité solaire thermodynamique », dont il est question dans ce mémoire, et qui est l'ensemble des techniques qui transforme l'énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée puis grâce aux propriétés des fluides caloporteurs en énergie mécanique puis électrique. Cette technique ne devient intéressante que lorsque le fluide caloporteur est chauffé à haute température. En effet la température de la source chaude est le paramètre déterminant du rendement thermodynamique des procédées de conversion [3]. Les rendements (annuels, 15 à 25 %) et les coûts des kWh produit (de 0,15 à 0,25 €) sont largement plus intéressant que ceux du photovoltaïque. Le principe du solaire thermodynamique est l’obtention de haute température grâce à la concentration optique du rayonnement solaire. L’énergie solaire reçue (incidente) par la surface de capteur (le plus souvent formée de miroirs) est concentrée (réfléchie) en un récepteur de surface beaucoup plus petite (foyer). Le rapport des surfaces capteurs sur récepteur est le taux ou degré de concentration. L'intensité de la concentration est définie par ce facteur de concentration. Plus celui-ci est élevé, plus la température atteinte sera importante. Introduction générale 3 Ce dispositif permet de minimiser les pertes thermiques et d’atteindre des températures qui dépassent largement les 200°C au niveau du récepteur avec un rendement thermique supérieur à 70% (rapport chaleur utile/énergie incidente) [4] Nous proposons une étude comparative théorique et bibliographique des différentes géométries de concentrateurs existantes, afin d’estimer l’influence et les limites du taux de concentration (donc de la température) sur le rendement de conversion global des centrales solaires thermodynamiques. Pour cela, nous pensons qu’il est nécessaire de présenter d’abord quelques connaissances et ordre de grandeur du potentiel énergétique solaire. Puis de voir, à uploads/Geographie/ microsoft-word-these.pdf