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Dimensionnement de centrales solaires

Cyril Caliotcyril.caliot@promes.cnrs.fr

Gilles Flamantgilles.flamant@promes.cnrs.fr

Ouarzazate 25-27 mai 2016

Téléchargement SAM (NREL)

Logiciel de performances

optiques

1. Soltrace (NREL, freeware)

2. Tonatiuh (CENER, opensource)

3. Solstice (Promes, opensource 2017)

Etude de la disposition des héliostats à PS10

Radialeétagée

Biomimétique

Comparaison de résultats : PS10

Modélisation de centrale solaire

• SAM (NREL/Sandia Lab, freeware)– System (solar) Advisor Model (Fortran)– Technologies : PT, CR, DS et CPV– Basé sur des modèles américains (Excelergy, Solergy, Delsol, …)– Champ d’héliostat modélisé avec Delsol3– Cylindro-P: modèle empirique et physique (nouveauté 2010)

• GREENIUS (DLR)– Technologies : PT, DS et CR (récepteur atmosphérique, 2010)– Modèles simplifiés utilisés par des professionnels– Capacités limitées avec la version gratuite

• TRNSYS (~4600 € HT/cpu)– Environnement de simulation dynamique des systèmes– Librairie STEC développée pour le CSP

Logiciels

• Modélisation physique :– Flexibilité dans le changement des paramètres et des propriétés des

composants – Étude de sensibilité pour étudier l’influence de paramètres sur le

système completo Empilement des imprécisions des modèles

• Modélisation empirique :– Haute fidélité pour les gammes de validité des corrélationso Pas de prédiction en dehors de la gamme de validité.

Modélisation de centrale solaire

• Modélisation physique avec SAM :

– Régime instationnaire pour prendre en compte la capacité thermique du fluide caloporteur et du réseau de conduite

– Large choix de composants (récepteurs, collecteurs, fluide, etc.)– Temps de calcul cours pour réaliser des études paramétriques.– Modèles implémentés :

• Collecteur (pertes optiques) • Récepteur (pertes thermiques)• Pertes de charge dans le réseau de conduites du champ solaire• Inertie thermique du fluide caloporteur et des composants• Stockage • Échangeurs de chaleur• Cycle de génération de puissance • Pertes parasites• Contrôle de la centrale

Modélisation de centrale solaire

Le modèle du collecteur détermine le flux solaire incident grâce aux données météo, la localisation de la centrale, la position du soleil (date et heure).

Pertes variables dans le temps Pertes constantes

Modèle du collecteur

Tube sous vide

Modèle 1D du récepteur

Enveloppe du tube cassée

Choix du champ solaire

SAM : 3 configurations de champs solaires

Modèle de pertes de charge

Calcul des pertes de charge pour une vitesse fixée : - Alimentation et retour - Récepteurs, - Expansion et rétrécissement de tube- Coudes, Vannes, Connectiques (joints à rotule)

Bilan thermiqueau noeud (SCA)

Augmentation de température supposée linéaire dans un SCA (nœud)

Bilan thermiqueau noeud (SCA)

Prendre en comptel’inertie

Tin étant connue, on résout pour T moyen au noeud

Bilan thermiqueau noeud (SCA)

La temperature initiale et d’entrée sont connues : - boucles sur les noeuds et - boucles sur le temps

Bilan thermiquealimentation

Bilan thermique en transitoire des conduits d’alimentation et de retour

Cycle thermodynamique

Le modèle du cycle (EES) utilise un modèle de régression pour capturer l’impact de paramètres sur les performances (puissance générée) en dehors du régime nominal : - Température chaude du fluide caloporteur- Débit du fluide caloporteur- Pression au condenseur- …

S. Klein. Engineering Equation Solver (EES) for Microsoft Windows Operating System: Commercial and Professional Versions. Online at www.fchart.com, 2010.

Refroidissement

Le refroidissement humide (température humide) et sec (température sèche)

Refroidissement

Influence du type de refroidissement (écart de 20°C au condenseur) sur les performances (efficacité du cycle)

Modèle de stockage

Modèle de stockage

Nombre d’heures de fonctionnement en régime nominal de la turbine : capacité thermique de stockage

Terme de correction pour des températures de stockage différente des température d’entrée et sortie du champ solaire

Volume de stockage

Modèle de stockage

Modèle de stockage

Modèle d’échangeur

Dans le cas d’un stockage indirect un échangeur est modélisé par la méthode ε-NUT en configuration d’échangeur à contre-courant pour la charge et la décharge.

Pertes parasites

Consommation électrique parasite

Tracé des résultats

Load factor = �������������� =

=énergie produite sur une période

énergie produite sur la période mais en fonctionneement en régime nominalyUn multiple solaire ~1.3 assure que le générateur d’électricité est utiliséefficacement durant l’année (~2, TES 6h)

Trouver un compromis entre - Coût (collecteurs et stockage)- Revenue (augmentation de la production, flexibilité

démarrage pour les pics de demande)

Relation entre le facteur de capacité et stockage thermiqueen heures pour plusieurs multiples solaires

Modélisation de centrale solaire

Coût &Ressource

L’ensoleillement est un paramètre crucial :

- Le choix du site

- La conception de la centrale

- La rentabilité économique de la centrale

Source: DLRHow to get bankable meteo data?DLR solar resource assessmentRobert Pitz-Paal et al.