Present CSP 12-04-2012

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Rayonnement solaire ettechnologies des CSPProjet laboratoire des energies renouvelables

Présenté par : Mr KHODJA M.HProfesseur Spécialisé en Enseignement Professionnel-ETB

Groupe SONELGAZ - IFEG - Eco Tec BlidaKHODJA M&H

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Plan du Thème

On vas voir:

I. Le rayonnement solaire:

a. Propriétés du rayonnement solaire

b. Influence des phénomènes astronomique et atmosphériques

c. Gisement solaire

d. Instrumentations et données météorologiques

II. Technologies du CSP:

a. Les line concentrators (composition et mode de fonctionnement)

b. Les point concentrators (composition et mode de fonctionnement)

c. Les différences qui existes entre ces technologies

d. Projets mondiaux et nationaux

e. Intégration des CSP dans la production mondiale d’électricité


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Définitions de Base

Le soleilLe rayonnement La température Irradiance IrradiationHeurs d’ensoleillement Le videL’atmosphère Photon Spectre solaire R. Direct R. Diffus R. GlobalR. Incident R. RéfléchitR. Transmis R. Absorbé Corps noir Albédo La constante solaire Unité astronomique Année lumière La voute céleste

Pré requis


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I. Propriété du rayonnement solaire


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Le soleilSon appellation

Au début du 19eme siècleSi c’était vrai

Au début du 20eme sièclerotation

distance moyenne de la terrecomposition et couches

Températures


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A l’éclipse totale la lune cache parfaitement le soleil, pourquoi ?


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Le rayonnement solaire est caractérisé par trois propriétés importantes


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La réflexionLors d'un changement de milieu de propagation, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine, c'est la réflexion. La réflexion peut être spéculaire, c'est à dire qu'elle est dirigée entièrement dans une seule direction, ou diffuse lorsqu'elle est dirigée dans toutes les directions.

Lorsqu'il s'agit d'énergie solaire réfléchie par une portion d'espace terrestre, on parle d'albédo.


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La diffusion

Des particules microscopiques, comme celles contenues dans

l'atmosphère, amènent la diffusion dans toutes les directions d'une

partie du REM. Le REM traversant ce milieu peut alors être

considérablement transformé.


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L’absorptionUn corps qui reçoit une quantité de REM peut en absorber une partie. Cette énergie absorbée est transformée et modifie l'énergie interne du corps.

Ainsi, la température interne du corps peut augmenter ce qui va être la source d'émissions plus importantes.


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11Groupe SONELGAZ - IFEG - Eco Tec BlidaKHODJA M&H

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Le spectre électromagnétique


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Le soleil nous envoie donc un REM (appelé rayonnement solaire) qui se situe dans le domaine de la lumière et est composé de

lumière visible de longueur d'onde comprise entre 0.4m et 0.8m, elle comprend 48% du rayonnement. rayonnement ultraviolet (UV) de longueur d'onde inférieure à 0.4m, il représente 6% du rayonnement. rayonnement infrarouge (IR) de longueur d'onde supérieure à 0.8m, les IR englobent les 46% du rayonnement.


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Les effets du rayonnement sur les corps récepteurs sont différents selon la

gamme de longueurs d ’ondes.


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Le rayonnement solaire traverse les matériaux

transparents,sans les échauffer de façon importante.


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Ainsi, l'air est relativement transparent au rayonnement solaire

direct

qui le traverse sans l'échauffer de

façon importante.


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… par les matériaux sombres qui alors

s’échauffent.

Le rayonnement solaire est fortement absorbé…


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Il se réfléchit sur les surfaces claires ou

glacées

(effet miroir habituellement appelé

« albédo »).


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Les matériaux rencontrés dans la nature sont parfois absorbants, parfois réfléchissants et parfois transparents.

de leur état de surface…

Les effets des radiations solaires

dépendent :de la nature des

matériaux,de leur couleur,

et de l’incidence du rayonnement.


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Influence des phénom. Astronomiques


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Coordonnées géographiques d’un site


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PN

PS

V

Gr

L

COORDONNÉES GÉOGRAPHIQUES

Soit la Terre avec son axe de rotation, ses pôles et son centre.Quelles sont les coordonnées de la ville V ?On définit un plan de référence, le plan équatorial.On mesure l’angle que fait la direction de V avec ce plan.

Cet angle est mesuré dans le plan méridien passant par la ville V.l’angle est la latitude de

la ville. Il se mesure de :0° à +90° vers le Nord 0° à - 90° vers le Sud

Pour l’autre coordonnée, il faut définir un méridien de référence : méridien de Greenwich.

On mesure l’angle L entre les deux plans méridiens.

l’angle L est la longitude de la ville. Il se mesure de :0° à -180° vers l’Ouest 0° à + 180° vers l’Est

Ouest

Est


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Le plan horizontal du lieu est tangent à la sphère terrestre et perpendiculaire à la verticale du lieu.

La longitude d'un lieu donné correspond à l'angle formé par le méridien de ce lieu avec le méridien d'origine (méridien de Greenwich).


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Alors que la latitude mesure au maximum 90° au pôle Nord et -90° au pôle Sud, la longitude croît de 0 à 180° en s'éloignant vers l'est à partir du méridien de Greenwich, tandis qu'elle est mesurée de 0 à -180° si on avance vers l'Ouest. Elle est maximale à l'équateur et nulle aux pôles.


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Chaque degré de latitude et de longitude est divisé en 60 minutes, et chaque minute est divisée en 60 secondes, ce qui permet ainsi de déterminer la localisation numérique précise de tout point sur la Terre. Les coordonnées géographiques sont exprimées en degrés sexagésimaux (Degrés (°), Minutes ( ) Secondes (″)). L'unité standard du sexagésimal est le ′ degré (360 degrés), puis la minute (60 minutes = 1 degré) puis la seconde (60 secondes = 1 minute).

Exemple : -LATITUDE: 50° 40’ = 50° + (40' /60) = 50.67° -LONGITUDE: 4° 37’ = 4 ° + (37' /60) = 4.62° A titre d'exemple, Alger a une latitude de 36.77° Nord et une longitude de 3.04° est: calculez !

1’’x1’’(30m x 20m)


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http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_sexag%C3%A9simal

http://fr.wikipedia.org/wiki/Degr%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Minute_(d'arc)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Seconde_d'arc

La terre tourne sur elle même


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À cause de la forme presque sphérique de la Terre, l'énergie qui arrive à chaque instant ne frappe qu'un seul point de sa surface (appelé point sub-solaire) à un angle de 90 degrés.

Tous les autres points de la surface éclairée de la Terre reçoivent les rayons du

Soleil à des angles plus faibles, répandant ainsi cette énergie sur de plus grandes superficies de surface horizontale. Plus le Soleil est bas dans le ciel, moins la lumière solaire reçue est intense.

A chaque heure, la rotation est donc de 15° (360° / 24heures). Au cours de ce mouvement diurne, à une date donnée, un point A situé à la surface de la terre va donc successivement se trouver placé dans une situation particulière par rapport au soleil et voir son état d'éclairement modifié.


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La terre tourne autours du soleil


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Les rayons solaires parallèles, en raison du mouvement annuel de la terre par rapport au soleil, varient au cours de l'année. L’inclinaison des rayons avec le plan de l'équateur terrestre est représentée par un angle, la déclinaison, positif ou négatif, suivant que le rayon principal frappe au dessus, vers l'hémisphère Nord, ou au dessous vers l'hémisphère Sud. Ainsi, les zones géographiques terrestres sont soumises différemment, au cours de l'année, à l'ensoleillement.

la déclinaison

Elle varie, au cours de l’année, entre - 23,45° et +23,45°. Elle est nulle aux équinoxes (21 mars et 21 septembre), maximale au solstice d’été (21 juin) et minimale au solstice d’hiver (21 décembre)


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La valeur de la déclinaison est calculée par la relation suivante

Où :δ: angle de déclinaisonn : est le numéro du jour de l’année (1 pour le 1 Janvier, 365 pour le 31 décembre).

Calculer la déclinaison d’aujourd'hui


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Cette figure montre la variation de l'angle de déclinaison pendant l'année.


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Le repérage du Soleil s’effectue par l’intermédiaire de deux angles :- L’azimut solaire « a » : c’est l’angle que fait la direction de la projection du soleil sur le plan horizontal avec la direction sud.- La hauteur « h » du soleil : c’est l’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur un plan horizontal.


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Diagramme de course solairePour déterminer l'élévation et l'azimut du Soleil, on a développé différents algorithmes (DIN, SUNAE, SOLPOS), dont la précision varie légèrement d'un algorithme à l'autre. Mais ces algorithmes sont si complexes que la course du Soleil est quasiment impossible à reproduire pour une seule journée. On se sert alors plutôt des diagrammes de course solaire. Pour un endroit donné, ils déterminent et représentent tant l'élévation que l'azimut du Soleil pour différentes journées de l'année. ( faire une démo de Lucas nuller)


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• L'angle d'incidence

• Il caractérise l'incidence avec lequel le rayon solaire frappe la paroi: c'est l'angle entre la normale à la paroi et le rayon solaire à l'instant considéré. L'inclinaison, l'orientation de la paroi et la direction du rayon solaire permettent d'évaluer cet angle d'incidence. Plus le flux est normal à la paroi, plus il est important, plus il est rasant, plus il est faible.


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Puissance totale rayonnée par le soleil


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la puissance F rayonnée par chaque m2 de la surface solaire est égale à :

F = T4 = 7348.104 W.m-2

La puissance totale P,rayonnée par la surface totale S du soleil,

dans toutes les directions de l ’espace, est donc égale à :

P = F.S =F.4R2s = 4,5.1026 Watts

Rs

où Rs est le rayon du soleil (700 000 km).

Puisque le soleil rayonne comme un corps noir à la température de 6000 K,

Avec = 5,67.10-8 W.m-2.K-4.


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La constante solaire


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Mais l’intensité du rayonnement qui arrive au sommet de l’atmosphère terrestre

est beaucoup plus faible.

La puissance totale Prayonnée par la surface totale S du soleil,

dans toutes les directions de l ’espace, est donc égale à:

4,5.1026 Watts.


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En effet, la puissance totale P émise à un instant donné, par la surface du soleil

se propage pratiquement sans perte dans l ’espace interplanétaire.

Mais elle se répartit sur des sphères de rayon croissant,

de sorte que la puissance traversantchaque mètre carré de ses sphères

est divisée par la surface de la sphère considérée.

1 m2


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Le flux qui parvient au sommet de l ’atmosphère terrestre,perpendiculairement à la direction soleil/Terre,

est appelée « constante solaire » C .

Arrivé au voisinage de l ’orbite terrestre, à la distance R = 150.000.000 de km du soleil,

le flux du rayonnement solaire n ’est plus que P/4R2 (W/m2).

1 m2


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Rayonnement hors atmosphère:

L’atmosphère terrestre reçoit ce rayonnement à une puissance moyenne de1350,8 Watt au mètre carré (kW/m2), à plus ou moins O,5 Watt, selon que la Terre s’éloigne ou se rapproche du Soleil dans sa rotation.

Cette valeur du rayonnement solaire est connu sous la dénomination« constante solaire » hors atmosphère, c'est-à-dire un éclairement pour unemasse atmosphérique nulle.


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Nous allons maintenant évaluer la puissance solaire reçue au sommet de l’atmosphère,

en moyenne annuelle, toutes latitudes confondues, par m2 de surface d’atmosphère

(celle qui est utilisée pour l’étude du bilan radiatif du système Terre/Atmosphère).


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L ’ intensité du rayonnement solaire arrivant au sommet de l ’atmosphère, perpendiculairement à la direction Soleil/Terre étant de 1370 W/m2

(constante solaire C )

Le soleil émet un rayonnement sphérique. Donc toute la puissance issue initialement de la surface du soleil traverse ultérieurement un disque de rayon R.La surface terrestre vaut 4 * PI * R * R. Par contre, la section de flux solaire traversée par le Soleil vaut PI * R * R soit quatre fois moins que la surface terrestre.


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La puissance P interceptée par un disque perpendiculaire au rayonnement solaire, de rayon R égal à celui de la terre et de son atmosphère est égale à :

Au cours d ’une année, cette énergie se répartit, de façon certes très inégale, à la surface S = 4 R2 de la sphère de rayon R.

Donc, en moyenne annuelle, toutes latitudes confondues, la puissance disponible au sommet de l’ atmosphère, par unité de surface, est égale à :

P/S=C/4=1350/4 # 340W/m2

P [Watts] = 1370 x x R2.

La puissance effectivement reçue, en moyenne, par mètre carré de surface terrestre, doit donc encore être divisée par quatre par rapport à celle reçue par la Terre. Ceci donne une moyenne de 342 Watts par mètre carré de surface terrestre.


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Influence des phénom. Atmosphériques


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En l'absence d'effets atmosphériques, la lumière solaire est la plus intense à l'endroit de la Terre directement sous le Soleil, c'est-à-dire au zénith (le point

vertical au-dessus de notre tête) pour cet endroit.

Au fur et à mesure que la position du Soleil baisse dans le ciel, l'ensoleillement reçu sur une surface horizontale décroît.

À cause de la rotation et de la révolution de notre planète, l'endroit sur Terre directement sous le Soleil change constamment.


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Aperçu sur les couches de

l’atmosphère


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L'air atmosphérique

• de l ’eau,

sous ses trois « phases » :

Vapeur d'eau

Glace

Eauliquide

•Des traces de gaz : O3, H2,CH4 etc.

• Gaz à effet de serre

GES

contient également un certain nombre d ’autres constituants

permanents en proportions faibles, mais très variables :


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Ce sont justement ces composés, dits

« minoritaires »,

qui jouent un rôle très important dans certains

phénomènes météorologiques :

nuages et précipitations, effet de serre, etc..Groupe SONELGAZ - IFEG - Eco Tec Blida

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Sans le phénomène naturelle de l’effet de

serre:

-18° C

La température globale sur la terre serait de

Grâce au phénomène naturel de l’effet de serre:

+15° CGroupe SONELGAZ - IFEG - Eco Tec Blida

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Atténuation du rayonnement solaire par l’atmosphère:

Les phénomènes atmosphériques influent sur le rayonnement solaireeffectivement reçu à la surface de la Terre. Ces phénomènes sont:- nébulosité,- poussières,- humidité, etc.Ainsi, ces phénomènes météorologiques causent des variations horaires et Quotidiennes, en augmentant ou en diminuant, le rayonnement solaire et le rendent diffus.


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80 W par m2 sont réfléchis par les nuages

80

80 W par m2 sont absorbés

par l'atmosphère et les nuages,

340

180 W par m2 seulement

continuent en direction du sol.

180 W par m2 seulement

continuent en direction du sol.180

Au sommet de l'atmosphère, le flux solaire incident est, en moyenne égual à

340 W par m2.

340 W par m2 représentent le quart de la constante solaire.

Cette valeur s’entend, toutes latitudes et saisons confondues.

80


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180

180 W par m2 parviennent donc

à la surface du sol,

… qui en réfléchit 20 W par m2 .

20 Seuls 160 W.m-2 sont finalement absorbés par le

sol et les océans.

Seuls 160 W.m-2 sont finalement absorbés par le

sol et les océans.

160 Groupe SONELGAZ - IFEG - Eco Tec BlidaKHODJA M&H

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Les composantes du rayonnement solaire


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A peu près les deux tiers de ce rayonnement 120 W/m²

sont transmis directement c'est le rayonnement direct

le reste s'effectue par diffusion vers le bas, c'est le rayonnement diffus.

La somme de ces deux rayonnements est le rayonnement global

La somme de ces deux rayonnements est le rayonnement global

L'éclairement solaire qui parvient donc à la surface terrestre est approximativement de 180 W/m²

Rayonnement direct

Rayonnement global

Rayonnement diffus

Rayonnement diffus


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Essayer de faire un simple dessin qui résume la propagation du rayonnement en

traversant l’atmosphère jusqu’a la terre avec ces valeurs


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Gisement solaire CSP


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Les systèmes solaires à concentration collectent uniquement le rayonnement solaire direct, alors que les systèmes plans non concentrateurs captent également le rayonnement diffus.

La part de rayonnement direct dans le rayonnement total dépend de l’épaisseur et de la nature de l’atmosphère traversée:

Une faible latitudeune altitude élevée

une faible teneur en gouttelettes poussières ou aérosols

→ favorisent la transmission directe du rayonnement. Le rayonnement solaire direct représente entre 50% et 90% de la totalité du rayonnement solaire . Plus abondante dans une zone géographique appelée communément la ceinture solaire indiquée dans la figure suivante.


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Ceinture solaire, régions du globe pour lesquelles l’ensoleillement direct annuel excède 2000 kWh/m² /an

Irradiation


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Le potentiel solaire mondiale

Irradiance


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La ressource solaire n’est pas le seul élément de sélection des sites potentielsd’implantation de centrales solaires. En effet, un terrain à faible déclivité et exempt d’espaces naturels protégés ou de zones industrielles ou habitées est nécessaire.On a recours parfois à des images par satellites afin de mieux évaluer le potentiel des technologies solaires à concentration pour la production d’électricité. L’exemple donné par cette figure illustre le cas des régions méditerranéennes, selon une étude du centre aérospatial d'Allemagne DLR et de l’ISET.

Potentiel de production d’électricité par voie solaire thermodynamique dans les régions méditerranéennes


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De par sa situation géographique, l’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus élevés au monde.

La durée d’insolation sur la quasi totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et peut atteindre les 3500

heures (hauts plateaux et Sahara). L’énergie reçue quotidiennement sur une surface horizontale de 1m2 est de l’ordre de 5 KWh sur la

majeure partie du territoire national, soit prés de 1900KWh/m2/an au Nord et 2650 kWh/m2/an au Sud du pays.


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EXO: Si on calcul la totalité du gisement solaire on trouve: …. kWh / an


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Un calcul simple montre qu’en appliquant un rendement de conversion énergétique de 10%, une surface de collecteurs de 550 000 km² recevant un ensoleillement directannuel de 2200 kWh/m² fournirait à elle seule 10,4 Gtep/an, c’est-à-dire l’équivalent des besoins mondiaux en énergie.


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Sur le plan stratégique


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Instrumentations et données météorologiques


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Le Pyranomètre:

Un Pyranomètre est un capteur de flux thermique utilisé pour la mesure de la quantité d'énergie solaire en lumière naturelle et est notamment utilisé en météorologie. Il permet la mesure de la puissance du rayonnement solaire total en watts par mètre carré.


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Le Pyranomètre a bande caché:

est un instrument destiné à la mesure de l'intensité du rayonnement solaire diffus. Il est constitué par un Pyranomètre et une bande qui cache et élimine le rayonnement direct.


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Le pyrhéliometre:

est un instrument destiné à la mesure de l'intensité du rayonnement solaire direct. Il est généralement constitué par une thermopile peinte en noir, donc très absorbante, montée sur un système de suivi. Ainsi cet instrument ne mesure que le rayonnement directement issu du soleil, à l'exclusion de celui issu du ciel ou de la terre, grâce à l’utilisation de diaphragmes appropriées.


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Station qui regroupe les trois instruments de mesure


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Héliographe:

C’est un instrument qui permet de mesurer la durée(h) pendant laquelle l’éclairement énergétique du rayonnement solaire direct dépasse un seuil fixé par convention à 120 W.m-2.

En une journée: l’absence de nuages = la durée du jour.


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Spectroradiomètre:

C’est un instrument qui permet de mesurer la puissance du flux de rayonnement électromagnétique en fonction de la longueur d'onde.


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Les données météorologiques sont habituellement disponibles sous forme mensuelle, journalière ou horaire acquisition .

On peut obtenir ces les par:

Des logiciels comme METEONORM ( faire une application )

NASA-SSE: données satellites mensuelles 1°x1°(111km x 80km)

PV GIS : Photovoltaic Geographical information System:

pas de ~1 km mensuelles pour l’Europe et l’Afrique.

Office national de la météorologie.

Données précises : Payantes.


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Technologies du CSP


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Les technologies utilisent le rayonnement solaire


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Photovoltaïque Thermique

Converti le flux solaire en électricité par l’intermédiaire de capteurs photovoltaïques.

Converti le flux solaire en chaleur par l’intermédiaire de :

-capteurs solaires thermiques.

-Absorbeurs (CSP).


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Batterie

x

Régulateur

Rayons

Solaires

Energie électrique

Capteur PV


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http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://i17.ebayimg.com/01/i/03/fe/70/d7_1_sbl.JPG&imgrefurl=http://cgi.ebay.fr/PANNEAU-SOLAIRE-14-WATTS-pour-Batterie-12-Volts_W0QQitemZ120161819379QQcmdZViewItem&h=266&w=400&sz=15&hl=fr&start=45&um=1&tbnid=ywQef_yGfwJV_M:&tbnh=82&tbnw=124&prev=/images?q=panneau+solaire+amorphe&start=40&ndsp=20&svnum=10&um=1&hl=fr&sa=N

http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://i17.ebayimg.com/01/i/03/fe/70/d7_1_sbl.JPG&imgrefurl=http://cgi.ebay.fr/PANNEAU-SOLAIRE-14-WATTS-pour-Batterie-12-Volts_W0QQitemZ120161819379QQcmdZViewItem&h=266&w=400&sz=15&hl=fr&start=45&um=1&tbnid=ywQef_yGfwJV_M:&tbnh=82&tbnw=124&prev=/images?q=panneau+solaire+amorphe&start=40&ndsp=20&svnum=10&um=1&hl=fr&sa=N

80

Capteur plan (chauffe eau solaire)


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81

Capteur plan (chauffe eau solaire)


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82

Le CSP


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83

Pourquoi concentrer ?


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•Energie solaire disponible en grande quantité, un peut partout sur de la surface terrestre

•Pourrait répondre à tous les besoins en énergie, mais systèmes demandant de gros investissements


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Technologies du CSP

Principe de fonctionnement


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The line concentrators


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Centrale cylindro-parabolique


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89

Rotation d’un collecteur autour d’un axe


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90

Composants d’un collecteur cylindro-parabolique


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Miroir épais: 3 –4 mmMiroir mince: 0.8 –1 mm

Réflecteur


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Tube de transport du fluide caloporteur


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Structure


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Moteur d’orientation


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Données concernant un collecteur cylindro-parabolique


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Principe de fonctionnement


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CCP avec fluide caloporteur (huile synthétique) et sans stockage

•La température du HTF doit rester entre le minimum (13°C) et le maximum (400°C).


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•La température de solidification du composé binaire est de 220 °C. Nécessité d’installer des traceurs thermiques.

CCP avec fluide caloporteur (huile synthétique) et stockage (sels fondus)


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CCP avec fluide caloporteur (eau/vapeur) sans stockage


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100

Centrale de Fresnel


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Considérations générales sur le collecteur Fresnel

•L'idée est d'approximer la forme parabolique du collecteur par une succession de miroirs plans, comme indiqué sur la figure ci-contre.•Un premier étage de réflecteur est installé sur le sol. Le rayonnement est réfléchi au foyer de la parabole approximée par le jeu de miroirs. •Un deuxième étage de réflecteurs redirige le rayonnement vers le tube récepteur. Ce second étage de réflecteurs, en plus de réfléchir le rayonnement, joue aussi le rôle d'isolant pour le tube récepteur. Il est en effet recouvert d'une importante couche d'isolation en sa partie supérieure. La partie inférieure est quant à elle isolée par une vitre.


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Composants d’un collecteur Fresnel

Le réflecteur


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L’absorbeur et le réflecteur secondaire


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105

La structure


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Le contrôle / tracking


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centrale solaire à collecteur Fresnel


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108

The point concentrators


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109

Centrale a Tour


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Configurations

Champ Nord (latitude >35°)

CESA 1, Almeria (Espagne)Lat. 37°

φ

φ

Nord Sud

Champ circulaire (latitude <35°)

Solar Two, Barstow (USA)Lat. 35°

φφ

Nord Sud


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Bright Source(USA)29 MWth.

Disposition des héliostats au nord de la tour

Technologie:•Vapeur •Boucle fermée pour alimentation en eau de la chaudière•Superficie: 26. Ha (dont 14.2 Ha pour le champ solaire)•3822 héliostats (2 miroirs par héliostat avec un miroir de 6.5 m²)•Receveur à 100 m du sol•En phase d’exploitation depuis début Octobre 2011


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Disposition des héliostats autour de la tourGemaSolar(Espagne) 19.9 MWLa centrale de Gemasolar(Espagne) en exploitation avec un champ d’héliostats entourant le récepteur situé au sommet de la tour. Inaugurée en Juillet 2011.•185 Ha•19.9 MWe•Diam. 1,5 km•Production annuelle: 110 GWh(pouvant alimenter 25000 foyers)•H24•Pouvant produire durant 15 h sans soleil•2650 héliostats (11mx12m)•Hauteur de la tour: 140 mTechnologie avec sels fondus


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Rotation d’un héliostat autour de deux axes


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Centrale THEMIS : sels fondus, 2 MWe


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115

Le champ de miroirs (héliostats)

Plus 45 ans de développement depuis 1967


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• Augmentation de la taille (120 – 150 m2 en 2005)

• Réduction des coûts (200 €/m2 en 2005)Héliostat CETHEL de Thémis


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Héliostat test à la PSA

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Héliostat Sanlucar de PS10


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118

Héliostat CETHEL de Thémis


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119

Nouveaux concepts (héliostats)



• Héliostats couplés mécaniquement (Allemagne, Australie)


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120

Nouveaux concepts (héliostats)



• Champs multi-tours avec petits héliostats (Australie, Japon)


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Héliostats autonomes

Espagne (Almeria)

•héliostats de 40 m²

• Alimentation par panneaux PV (55Wp – 12V) et batteries

• Contrôle en local par radio


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La tour et le récepteur

THEMIS101 m

Solar Two80 m

CESA 180 m

CRS43 m


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PS 10

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Récepteur à sels fondus(Solar Two) :

80 MWth,

560°CH ~ 8 m

D ~ 4,5 m


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Récepteur solaire Champ circulaire

124

Récepteur à cavité• Adapté à la configuration plane ou semi-cylindrique (champ Nord)

• Faibles pertes convectives

Ex: récepteur à sels fondus, Thémis, 8 MWth , 450°CA = 4 m x 4 m L = 3 m


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Champ Nord

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Beam-down

• Homogénéisation de la tache focale• Gain en concentration• Diminution de la surface du récepteur• Indispensable pour les récepteurs volumétriques pressurisés

Ex : pour récepteur REFOS : Entrée D=1,2 m Hublot D=60 cm

Concentrateur secondaire

• Tour plus légère• Récepteur en pied de tour• Pertes optiques

Ex : projet TITECH au Japon Ex : expérience SOLZINC en Israël


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Schéma de principe

Héliostats

Tour

Récepteur solaire

Cycleutilisateur

Fluide caloporteur chaud

Fluide caloporteur froid


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Schéma de principe avec stockage

Héliostats

Tour

Récepteur solaire

Cycleutilisateur



De type thermocline

Bac de stockage


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Héliostats

Tour

Récepteur solaire

Cycleutilisateur



À 2 bacs

Stock chaud

Stock froid


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Les Caloporteurs

130

Exemple La centrale : Solar Two


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Caloporteur sels fondus

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exemples

Bac desels chauds

Bac desels froids

Réseau électrique

Groupe turbo-alternateur Condenseur

Champ solaire

Récepteur central

Générateur de vapeur

Centrale Solar Two (USA, 1996-1999)12 MWe, Technologie: sels fondusChamp solaire: 85 000 m2

capacité 3 h


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PS10 (Sanlucar, Espagne), déc 2005Abengoa/Solucar

PS10, juin 2006


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Caloporteur eau/vapeur

133

Caloporteur eau/vapeur

Centrale PS10 (Espagne, 2006)11 MWe, cycle RankineTechnologie: eau/vapeur saturéeChamp solaire: 75 500 m2

Stockage: eau pressurisée, capacité 25 min


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Caloporteur air atmosphérique

Centrale PS10 (projet initial)10 MWe, cycle RankineTechnologie: air à p =1 atmChamp solaire: 75 500 m2

Stockage: lit solide, capacité 1 h

~

Heliostat Field

Receiver

Power Block

Steam Generator

Thermal Storage

Blower

Hot Air 680ºC

Cold Air 110ºC

Blower

Steam65 bar, 460ºC

~

Heliostat Field

Receiver

Power Block

Steam Generator

Thermal Storage

Blower

Hot Air 680ºC

Cold Air 110ºC

Blower

Steam65 bar, 460ºC


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Caloporteur air pressurisé

• Coût modeste

• Rendement élevé (35 %)

• Stockage non disponible aujourd’hui (à développer)

Chambre de combustion

Récepteur pressurisé

Turbine à gaz

Héliostats

Tour


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Concept EURECA

Solucar/Abengoa (Espagne)Champ de miroirs

cylindro-paraboliques

Héliostats

Génération de vapeur surchauffée

Vapeur saturée

Stockage de vapeur

Chaudière

Turbine à vapeur


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Principe de fonctionnement d’une centrale solaire à technologie mixte

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DonnéesChamp: 624 héliostats de 121 m2

DNI(*) nominal: I = 894 W/m2

Récepteur eau/vapeur 4 panneaux de 5 m x 12 m

Cycle à vapeur saturée: 40 b, 250°C

Régime nominal: 25% de la puissance vers le stockage

Rendement de conversion solaire-électricité

11.0MWe

100MW

75MW

50MW

25MW

Cic

lo=30.7

5%

a Generación75%

a Almacenamiento25%

51.9 MW

55.2 MW

62.7 MW

Radiación Solar

Vapor

Electricidad

Reflect

ivid

ad

= 8

8.0

%

Esquema de Balance de Energía en PS10: Receptor y Ciclo Vapor Saturado, Operación a Potencia Nominal (25% a Almacenamiento)

48.3 MW48.3 MW

35.8 MW

Potencia Útilsobre Campo de Heliostatos

11.9 MW

Conducc

iones

=98.8

%

Perdidas2.0% Reflexión2.0% Radiación3.0% Convección3.6 MW

Generación

11.0MWe

100MW

75MW

50MW

25MW

Cic

lo=30.7

5%

a Generación75%

a Almacenamiento25%

51.9 MW

55.2 MW

62.7 MW

Radiación Solar

Vapor

Electricidad

Reflect

ivid

ad

= 8

8.0

%

Esquema de Balance de Energía en PS10: Receptor y Ciclo Vapor Saturado, Operación a Potencia Nominal (25% a Almacenamiento)

48.3 MW48.3 MW

35.8 MW

Potencia Útilsobre Campo de Heliostatos

11.9 MW

Conducc

iones

=98.8

%

Perdidas2.0% Reflexión2.0% Radiación3.0% Convección3.6 MW

Generación

(*) DNI: Direct Normal Irradiation = Ensoleillement direct normal , instantané [W/m 2] ou annuel [kWh/m2/an]

cas de la centrale PS10 (Espagne)

138

Centrale a moteur Stirling•Production d’électricité directement au foyer d’une «parabole» par un moteur Stirling (+ alternateur)•Unités autonomes et automatiques de 10 à 25 kWe : rendement global : 20 à 25 %

•Taille: 10 –25 kW•Modulaire•Peu d’applications en exploitation•Applications en direct compétition avec le photovoltaïque


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Centrale a moteur Stirling


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140

Les caractéristiques d’un système à MS

•Haute performance•Taux de concentration élevé•Haute température•Modularité•Pas de consommation d’eau•Possibilité d’hybridation avec une autre source d’énergie (biomasse, gaz, etc.) pour fournir de l’énergie à la demande, le rendant dispatchable.


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Les différences qui existes entre

ces technologies


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• •La montée en puissance de la technologie CSPva entrainer l’augmentation de la capacité installée

• •Levelised Cost Of Energy (LCOE)* –est le facteur déterminant dans l’établissement du leadership de la technologie CSP vis-à-vis des autres technologies du renouvelable

• •La fléxibité autour des éléments clés (composants, superficies, eau, etc.) sont les clés de succès pour le CSP

• •Le potentiel de stockage d’énergie de la plupart des technologies CSP représente un avantage comparatif indéniable vis-à-vis des autres technologie du renouvelable (PV ou Eolien)

• •La technologie CSP est la seule qui est aujourd’hui dispatchable et répond parfaitement aux contraintes des compagnies d’électricité


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143

Projets mondiaux et nationaux


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144

Feuilles statistiques


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C’ est une centrale électrique hybride, la première de ce type. Elle est construite près de Hassi R'Mel. La centrale combinera une matrice de miroirs paraboliques concentrant la puissance solaire de 30 MW, sur une aire de 180 000 m2, en conjonction avec une centrale à turbines à gaz de 120 mégawatts, réduisant ainsi les émissions de CO2, comparé à des centrales électriques traditionnelles.

Ainsi que d'autres centrales ont été déjà programmées 2 centrales sur le même principe, programmées pour 2013 Il s’agit, à l’Est de l'algerie, de la Centrale de Maghaïr dans la wilaya d’El-Oued et, et à l’Ouest, de la Centrale de Naâma dans la wilaya d’EL-Bayad. ainsi que 4 centrales sur la période 2016-2020 de 300 MW chacune

La centrale électrique mixte de Hassi R'mel le 15 juillet 2011


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http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hybride

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hassi_R'Mel



http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89missions_de_CO2

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89missions_de_CO2

146

Intégration des CSP dans la

production mondiale d’électricité


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La recherche

•Gisement solaire : utilisation des données satellites pour avoir des cartes précises d’ensoleillement (conception) : recherche académique

•Production d’électricité par concentration (transferts radiatifs, thermodynamique) : recherche académique–Cycles thermodynamiques performants (Stirling…)–Hybridation solaire, industrialisation des composants–Optimisation des conceptions de centrales (optique géométrique)–Procédés de stockage–Récepteurs à air à hautes températures


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Ce qu’on doit retenir !!!


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Que le soleil est une source d’énergie éternelle.

Que l’Algérie dispose d’un immense potentiel solaire qui peut lui seul alimenté tous le globe terrestre en électricité.

Qu’on peut offrir des milliers d’emplois au jeunes.

Qu’on peut réduire et peut être stopper nos exportations pétrolière et gazière.

Qu’on adoptant ce chemin, on peut faire de l’Algérie un pays riche et puissant.

Que cela demandera un investissement gigantesque et assez de temps pour convaincre les hommes d’affaires de s’investir dans ce domaine.


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Merci

Documents

Present CSP 12-04-2012