Download - FFFFFFFFFFbibliothèque - IMT Mines Albidelatorr/these_proviso... · 2010. 10. 7. · Le moteur Stirling. 67 4.3.2 Exploration des v arian tes du moteur Stirling. 70 4.3.3 Le moteur

N attribué par la bibliothèque⊔⊔⊔⊔⊔⊔⊔⊔⊔⊔

THÈSEPrésentée àL'Université de Pau et des Pays de l'AdourÉole Dotorale des Sienes Exates et de leurs AppliationsParMuriel TARDIEU ALAPHILIPPEPour obtenir le grade deDoteurSpéialité : ÉnergétiqueReherhe d'un nouveau proédé de onversionthermodynamique de l'énergie solaire, en vue deson appliation à la ogénération de petitepuissaneSoutenane prévue le 18 déembre 2007Direteur de Thèse : Pasal Stou�s, Professeur, UPPAMémoire provisoireAprès avis de :MM. André LALLEMAND Professeur � CETHIL � INSA, Lyon RapporteurJean-Jaques BEZIAN Enseignant-herheur HDR � RAPSODEE � Eoledes Mines d'Albi RapporteurDevant la ommission d'examen formée de :MM. Abdelaziz MIMET Professeur � Université Abdelmalek Essaidi � Té-touan Maro ExaminateurMohand TAZEROUT Professeur � DSEE � Eole des Mines de Nantes ExaminateurAlain FERRIERE Chargé de reherhe CNRS � PROMES � Odeillo ExaminateurJean CASTAING Maître de onférenes � LaTEP � Université de Pau Examinateur-LASVIGNOTTES et des Pays de l'AdourYoussef ZERAOULI Maître de onférenes � LaTEP � Université de Pauet des Pays de l'Adour ExaminateurPasal STOUFFS Professeur � LaTEP � Université de Pau et des Paysde l'Adour Examinateur� 2007 �

Table des matièresPrinipales notations 17Introdution 21I Contexte 251 Historique 272 La ressoure solaire 332.1 Notions d'Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2 Le Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3 Evaluation du potentiel solaire sur terre . . . . . . . . . . . . . 362.3.1 Les repères spatiaux d'un lieu terrestre . . . . . . . . . . 362.3.2 La position du soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.3.3 Temps Solaire Vrai : repère temporel . . . . . . . . . . . 392.3.4 Les surfaes réeptries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.3.5 La mesure du rayonnement reçu au sol . . . . . . . . . . 412.3.6 Les di�érentes soures de données solaires . . . . . . . . 44II La onversion thermodynamique de l'énergie solaire :Etat de l'art et prospetives 473 Les apteurs solaires 513.1 Les apteurs plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.1.1 Prinipe de fontionnement . . . . . . . . . . . . . . . . 513.1.2 Appliations à la onversion solaire thermodynamique . . 523.2 Les apteurs sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2.1 Prinipe de fontionnement . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2.2 Appliations à la onversion solaire thermodynamique . . 54

4 TABLE DES MATIÈRES3.3 Les apteurs à onentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.1 Prinipe de fontionnement . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.2 Les onentrateurs linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3.3 Les onentrateurs pontuels . . . . . . . . . . . . . . . . 583.3.4 Les onentrateurs paraboliques omposés . . . . . . . . 583.3.5 Les héliostats ou ré�eteurs plans . . . . . . . . . . . . . 604 Mahines génératries d'énergie méanique 634.1 Classi�ation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2 Adaptation à la onversion solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3 Les mahines thermiques et leur adaptabilité à la onversionsolaire de petite puissane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.3.1 Le moteur Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.3.2 Exploration des variantes du moteur Stirling . . . . . . . 704.3.3 Le moteur Erisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.3.4 Exploration des variantes du moteur Erisson . . . . . . 754.3.5 Les miro-turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.3.6 Les moteurs à vis ou à palettes . . . . . . . . . . . . . . 764.3.7 Exploration des variantes de moteur à système rotatif oudynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775 Etat de l'art des systèmes de onversion existant dans la gammede puissane < 50 kW et ré�exion sur des voies d'investigation 795.1 Installations à forte onentration . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.2 Installations sans onentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.3 Installations à faible ou moyenne onentration . . . . . . . . . 835.4 Ré�exion sur l'exploration de nouveaux systèmes de onversiondans la gamme de puissane < 50 kW . . . . . . . . . . . . . . . 83III Etude d'un nouveau proédé 856 Analyse énergétique 876.1 Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876.2 Première approhe théorique simpli�ée . . . . . . . . . . . . . . 886.2.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916.2.3 Disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.3 Analyse énergétique d'un système global . . . . . . . . . . . . . 94

TABLE DES MATIÈRES 56.3.1 Les apteurs solaires Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . 946.3.2 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986.3.3 Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.3.4 Résultats et disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1057 Analyse exergétique du système 1237.1 Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1237.2 Analyse exergétique simpli�ée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247.3 Analyse exergétique du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257.4 Analyse exergétique de l'éhangeur-réhau�eur . . . . . . . . . . 1298 Analyse des performanes 1338.1 Etude omparative ave et sans stokage par matériau à han-gement de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1348.3 Caratéristiques de l'installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1348.4 Con�guration de base, sans stokage . . . . . . . . . . . . . . . 1348.5 Con�guration ave stokage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1368.6 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409 Dimensionnement de systèmes adaptés à di�érents lieux géo-graphiques, analyse des performanes 1439.1 Objetifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1439.2 Caratéristiques du système étudié et paramètres hoisis pourl'évaluation des performanes en terme d'énergie produite . . . . 1449.2.1 Le système de onversion thermodynamique . . . . . . . 1449.2.2 Les données d'ensoleillement . . . . . . . . . . . . . . . . 1449.3 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1459.3.1 Les équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1459.3.2 Méthodes de onduite de l'installation énergétique . . . 1469.4 Résultats obtenus pour le site de Font-Romeu . . . . . . . . . . 1479.4.1 Données solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479.4.2 Conduite " à yle thermodynamique variable " . . . . . 1489.4.3 Conduite " à yle thermodynamique onstant " . . . . . 1559.5 Résultats obtenus pour le site de Tamanrasset . . . . . . . . . . 1629.5.1 Données solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1629.5.2 Conduite " à yle thermodynamique variable " . . . . . 1629.5.3 Conduite " à yle thermodynamique onstant " . . . . . 163

6 TABLE DES MATIÈRES9.5.4 Performane annuelle ave une onduite " à yle ther-modynamique onstant " . . . . . . . . . . . . . . . . . 1649.5.5 Etude omparative ave un onentrateur orienté selon2 axes à TH = 925 K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1709.5.6 Etude omparative ave une avité réeptrie moins per-formante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.6 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17310 Etude expérimentale 17710.1 Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17710.2 Contexte expérimental du laboratoire LaTEP . . . . . . . . . . 17810.3 Desription des bans d'essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17910.3.1 Le apteur Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18310.3.2 Desription de l'instrumentation . . . . . . . . . . . . . . 18310.3.3 Fontionnement du apteur Soleil-Vapeur . . . . . . . . . 18510.3.4 Exploitation des données d'ensoleillement . . . . . . . . . 18910.3.5 Détermination de la puissane solaire inidente sur unonentrateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19010.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19110.5 Ban d'essai du moteur et du ouplage apteur/moteur . . . . . 19710.6 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Conlusion 201Bibliographie 210

Table des �gures1.1 La mahine solaire expérimentée en 1884 par J. Erisson . . . . 281.2 Centrale à tour Thémis - Frane arrêtée en 1985 . . . . . . . . . 291.3 Colleteurs ylindro-paraboliques à Almeria . . . . . . . . . . . 301.4 Dish Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.1 Trajetoire de la Terre autour du Soleil . . . . . . . . . . . . . . 342.2 Vue satellite du passage du jour à la nuit . . . . . . . . . . . . . 342.3 Struture du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4 Distribution spetrale du rayonnement solaire à l'entrée de l'at-mosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5 E�ets de l'atmosphère sur la distribution spetrale du rayonne-ment solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.6 Dé�nition des oordonnées Longitude Latitude . . . . . . . . . . 382.7 Dé�nition des angles hauteur azimut . . . . . . . . . . . . . . . 382.8 Dé�nition des oordonnées horaires . . . . . . . . . . . . . . . . 392.9 Dé�nition des angles pour une surfae réeptrie plane élémen-taire quelonque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.10 Ehanges radiatifs dans l'atmosphère et sur terre . . . . . . . . . 422.11 Pyrhéliomètre permettant de mesurer le rayonnement solairediret normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.12 Deux pyranomètres, l'un mesurant le rayonnement global hori-zontal, l'autre le rayonnement di�us horizontal . . . . . . . . . . 442.13 Carte de Frane des durées annuelles d'insolation et d'irradia-tion reçues sur une surfae horizontale . . . . . . . . . . . . . . 462.14 Ensoleillement global annuel dans le monde ( k W h /m2 an ) . . 463.1 Vue en oupe d'un apteur plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2 Capteur sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.3 Conentrateur linéaire SPG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.4 Prinipe du onentrateur parabolique omposé . . . . . . . . . 59

8 TABLE DES FIGURES3.5 Conentrateurs paraboliques omposés . . . . . . . . . . . . . . 603.6 La tour de la entrale PS10 de Séville inaugurée en 2006 . . . . 613.7 Prototype onentrateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.1 Cyle thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.2 "Caryotype" ou artographie des 8 ritères . . . . . . . . . . . . 674.3 "Caryotype" minimum du moteur Stirling . . . . . . . . . . . . 684.4 Shéma de prinipe d'un moteur Stirling . . . . . . . . . . . . . 684.5 "Caryotype" d'un moteur Dish-Stirling . . . . . . . . . . . . . . 694.6 "Caryotype" d'un Stirling 2PH1C ou moteur de Malone . . . . . 704.7 Shéma de prinipe du moteur de "Malone" . . . . . . . . . . . 714.8 "Caryotype" d'une variante du moteur Stirling "2P2C" HDT . . 714.9 "Caryotype" d'un moteur Stirling LDT . . . . . . . . . . . . . . 734.10 "Caryotype" du moteur Erisson historique . . . . . . . . . . . . 734.11 Shéma de prinipe d'un moteur Erisson . . . . . . . . . . . . . 744.12 "Caryotype" minimum d'un moteur Erisson . . . . . . . . . . . 754.13 "Caryotype" minimum d'un système à miro-turbines . . . . . . 764.14 "Caryotype" minimum d'un système rotatif . . . . . . . . . . . 764.15 Moteurs à palettes CEA, d'une puissane de 3 kW . . . . . . . . 775.1 Exemple de la tehnologie Solar Dish/Stirling - PROMES/CNRSOdeillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2 Le moteur GUE-HWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.3 Mahine de pompage solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.4 Moteur Stirling solaire sans onentration SUNPULSE . . . . . 826.1 Evolution des rendements en fontion de la température du�uide pour di�érentes valeurs de αc orrespondant à la teh-nologie ylindro-parabolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926.2 Evolution des rendements en fontion de la température du�uide pour di�érentes valeurs de αc orrespondant aux teh-nologies parabolique ou héliostat . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.3 Shéma de prinipe du ouplage d'un onentrateur solaire etd'un moteur thermique en yle ouvert . . . . . . . . . . . . . . 956.4 Capteur Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956.5 Prinipe de fontionnement du apteur Soleil-Vapeur . . . . . . 966.6 Repère Oxy du apteur Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . . . . 976.7 Repère Oxy du apteur Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . . . . 98

TABLE DES FIGURES 96.8 Paramètres du apteur de taux de onentration géométriqueαC = 58,7 - logiiel Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.9 Paramètres du apteur de taux de onentration géométriqueαC = 31,3 - logiiel Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.10 Seond étage du apteur Soleil-Vapeur : CPC et éhangeur-réhau�eur adapté au �uide "air" . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.11 Diagramme (T, s) Température Entropie du yle de Joule . . . 1026.12 Evolution des puissanes méaniques maximales à l'arbre pourles deux apteurs testés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.13 Ẇnet en fontion de ṁ et β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.14 Ẇnet en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de β . . . . . . . 1096.15 Températures Th et Trh en fontion de ṁ pour di�érentes valeursde β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.16 Rendement du apteur en fontion de ṁ pour di�érentes valeursde β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.17 ηglobal en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de E ave β = 3, 21136.18 ηglobal en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de E aux βoptimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.19 Th et Trh en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de E aux βoptimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.20 Ẇnet en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de T0 aux βoptimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.21 Ẇnet en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de ηc aux β op-timaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.22 Ẇnet en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de ǫr ave β = 3, 21196.23 Ẇnet en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de ǫr aux β op-timaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.24 ηglobal en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de E et deηmeca,CE aux β optimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.25 Ẇnet en fontion de ṁ pour di�érentes valeurs de ηsi,CE aux βoptimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1217.1 Diagramme de Grassman du proédé . . . . . . . . . . . . . . . 1287.2 Rendement énergétique de l'éhangeur-réhau�eur en fontionde la température d'entrée Trh et du débit massique de l'air . . . 1297.3 Rendement exergétique de l'éhangeur-réhau�eur en fontionde la température d'entrée Trh et du débit massique de l'air . . 130

10 TABLE DES FIGURES7.4 Destrution d'exergie dans l'éhangeur-réhau�eur en fontionde la température d'entrée Trh et du débit massique de l'air . . 1308.1 Con�guration de base, sans stokage . . . . . . . . . . . . . . . 1358.2 Rayonnement solaire diret sous inidene normale au ours dela journée type onsidérée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1358.3 Puissane à l'arbre en fontion du débit d'air pour di�érentesvaleurs du rayonnement solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1368.4 Puissane instantanée à l'arbre et débit d'air au ours d'unejournée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1378.5 Con�guration de base, ave stokage . . . . . . . . . . . . . . . 1378.6 Puissanes thermiques éhangées par l'air dans l'éhangeur-réhau�eurQ̇H et dans la uve de stokage Q̇S au ours de la journée . . . . 1398.7 Températures Th en sortie d'éhangeur-réhau�eur ave et sansstokage, Ths et fration massique du MCP dans la uve destokage au ours de la journée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409.1 Elairement normal et réel reçu par le apteur à Font-Romeupour une journée type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479.2 Evolution de l'énergie életrique journalière produite par un sys-tème omprenant un apteur de 4 m de longueur à Font-Romeu,en fontion du rapport de pression du moteur Erisson . . . . . 1489.3 Evolution de la température d'air TH en sortie de réhau�eurau ours d'une journée type de juillet à Font-Romeu . . . . . . . 1509.4 Evolution du débit massique instantané d'air ṁ au ours d'unejournée type de juillet à Font-Romeu . . . . . . . . . . . . . . . 1519.5 Puissane életrique instantanée produite par un système équipéd'un onentrateur de 4 m de longueur au ours d'une journéetype de juillet à Font-Romeu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519.6 Pro�l des températures d'air et de paroi le long de l'éhangeurréhau�eur à midi solaire et à 9 h (ou 15h) au ours d'unejournée type de juillet à Font-Romeu . . . . . . . . . . . . . . . 1529.7 Evolution des températures d'air TH en sortie de réhau�eurau ours d'une journée type de juillet et d'une journée type dejanvier à Font-Romeu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1539.8 Evolution du débit massique instantané d'air ṁ au ours d'unejournée type de juillet et d'une journée type de janvier à Font-Romeu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

TABLE DES FIGURES 119.9 Puissane életrique instantanée produite par un système équipéd'un onentrateur de 4 m de longueur au ours d'une journéetype de juillet et d'une journée type de janvier à Font-Romeu . 1549.10 Pro�l des températures d'air et de paroi le long de l'éhangeurréhau�eur à midi solaire et à 9 h (ou 15h) au ours d'unejournée type de janvier à Font-Romeu . . . . . . . . . . . . . . . 1549.11 Evolution de l'énergie életrique journalière produite en fontionde la température maximale du yle, lorsqu'on adopte un yleonstant, à Font-Romeu en juillet . . . . . . . . . . . . . . . . . 1559.12 Evolution de la température d'air TH en sortie de réhau�eur auours d'une journée type de juillet à Font-Romeu, selon qu'onfontionne à yle optimal ou à yle onstant . . . . . . . . . . 1569.13 Evolution du débit massique instantané d'air ṁ au ours d'unejournée type de juillet à Font-Romeu, selon qu'on fontionne àyle onstant ou à yle variable . . . . . . . . . . . . . . . . . 1579.14 Evolution de la puissane életrique instantanée produite auours d'une journée type de juillet à Font-Romeu, selon qu'onfontionne à yle onstant ou à yle variable . . . . . . . . . . 1579.15 Pro�l des températures d'air et de paroi le long de l'éhangeurréhau�eur à midi solaire et à 9 h (ou 15h) au ours d'unejournée type de juillet à Font-Romeu en fontionnement à yleonstant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1589.16 Evolution de la température d'air TH en sortie de réhau�eur auours d'une journée type de janvier à Font-Romeu, selon qu'onfontionne à yle optimal ou à yle onstant . . . . . . . . . . 1609.17 Evolution du débit massique instantané d'air ṁ au ours d'unejournée type de janvier à Font-Romeu, selon qu'on fontionne àyle onstant ou à yle variable . . . . . . . . . . . . . . . . . 1609.18 Evolution de la puissane életrique instantanée produite auours d'une journée type de janvier à Font-Romeu, selon qu'onfontionne à yle onstant ou à yle variable . . . . . . . . . . 1619.19 Elairement normal et réel reçu par le apteur à Tamanrassetpour une journée type, le 1er juillet et le 1er janvier . . . . . . . 1629.20 Evolution de l'énergie életrique journalière produite en fontionde la température maximale du yle, lorsqu'on adopte un yleonstant, à Tamanrasset, le 1er janvier . . . . . . . . . . . . . . 164

12 TABLE DES FIGURES9.21 Evolution de la température d'air TH , du débit massique d'airṁ et de la puissane életrique instantanée Ẇelec produite auours d'une journée type de janvier à Tamanrasset, selon qu'onfontionne à yle onstant ou à yle variable . . . . . . . . . . 1659.22 Ensoleillement 15e journée des mois de janvier à juin � Taman-rasset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1669.23 Ensoleillement 15e journée des mois de juillet à déembre � Ta-manrasset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1679.24 Evolution de la température d'air TH , du débit massique d'airṁ et de la puissane életrique instantanée Ẇelec produite auours d'une journée type de juin à Tamanrasset, selon qu'onfontionne ave un suivi solaire selon 1 ou 2 axes . . . . . . . . . 1749.25 Evolution de l'énergie életrique journalière produite en fontionde la température maximale, en yle onstant, à Tamanrasset,le 1er janvier, ave une avité réeptrie moins performante . . . 17510.1 Vue d'ensemble de la zone solaire - juin 2006 . . . . . . . . . . . 17910.2 Vue d'ensemble du ban d'essais ave le apteur Soleil-Vapeur . 17910.3 Vue d'ensemble du ban d'essais ave le onentrateur à am-poule sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18010.4 Détails des vérins pneumatiques sur la monture (2D) utiliséepour le apteur à ampoule sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . 18010.5 Shéma de prinipe du ban d'essai des apteurs solaires . . . . 18110.6 Détail du poste mobile de ontr�le-mesure du débit et de lapression de l'air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18210.7 Vue du préhau�eur d'air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18210.8 Vue de l'éhangeur-réhau�eur instrumenté avant montage surla ligne foale du onentrateur Soleil-Vapeur . . . . . . . . . . 18310.9 Photographie du ban d'essai du apteur Soleil-Vapeur . . . . . 18310.10Photographie des pyranomètres qui mesurent les rayonnementsglobal et di�us horizontaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18510.11Interfae entre les rayons solaires et le onentrateur Soleil-Vapeur : vues de fae et pro�l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18610.12Suivi solaire : angles et plans de référenes . . . . . . . . . . . . 18710.13Position du soleil aux di�érentes heures de la journéee vue de-puis le lieu d'implantation du onentrateur, pour δ = 23◦ . . . 18810.14Position du soleil aux di�érentes heures de la journéee vue de-puis le lieu d'implantation du onentrateur aux équinoxes (δ = 0)189

TABLE DES FIGURES 1310.15Ré�exion des rayons solaires sur la ligne foale pour un angled'inidene i nul (R1) et pour i di�érent de zéro (R2) . . . . . . 18910.16Elairement normal et élairement inident sur un onentrateurorienté selon un axe, exemple de Font-Romeu . . . . . . . . . . 19110.17Elairement horizontal mesuré et élairement inident en W m−2en fontion du temps lors des essais à débit important . . . . . . 19310.18Elairement inident en W m−2 en fontion du temps lors desessais à débit réduit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19310.19Températures de la paroi de la avité réeptrie en fontion dutemps lors des essais à débit important . . . . . . . . . . . . . . 19410.20Températures de la paroi de la avité réeptrie en fontion dutemps lors des essais à débit réduit . . . . . . . . . . . . . . . . 19410.21Températures d'air en entrée et sortie du réhau�eur en fontiondu temps lors des essais à débit important . . . . . . . . . . . . 19510.22Températures d'air en entrée et sortie du réhau�eur en fontiondu temps à débit réduit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19510.23Evolution du rendement global du apteur en fontion du tempslors des essais à débit important . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19610.24Evolution du rendement global du apteur en fontion du tempsà débit réduit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19610.25Comparaison des rendements globaux expérimentaux et théo-riques du apteur lors des essais à débit important ( � : para-mètres de référene de l'étude théorique, △ : nouveaux para-mètres, • : points expérimentaux) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19810.26Comparaison des rendements globaux expérimentaux et théo-riques du apteur lors des essais à débit réduit ( � : paramètresde référene de l'étude théorique, △ : nouveaux paramètres, • :points expérimentaux) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19810.27Comparaison des résultats expérimentaux et théoriques lors desessais à débit important ( � : paramètres de référene de l'étudethéorique, △ : nouveaux paramètres, • : points expérimentaux) 19910.28Comparaison des résultats expérimentaux et théoriques lors desessais à débit réduit ( � : paramètres de référene de l'étudethéorique, △ : nouveaux paramètres, • : points expérimentaux) 19910.29Shéma de prinipe du ban d'essai du moteur Erisson - S.Soubaq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

14 TABLE DES FIGURES

Liste des tableaux5.1 Tableau réapitulatif des ombinaisons apteur/moteur pourdi�érents niveaux de température de �uide . . . . . . . . . . . . 846.1 Tableau des aratéristiques du système modélisé . . . . . . . . 1006.2 Températures, puissanes et rendements au point optimal defontionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.3 Caratéristiques au point optimal de fontionnement pour dif-férentes longueur de apteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167.1 Tableau des résultats de l'analyse exergétique au point de fon-tionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1278.1 Tableau des performanes sans stokage . . . . . . . . . . . . . . 1378.2 Tableau des aratéristiques du yle ave stokage . . . . . . . 1389.1 Tableau des variations de la puissane életrique journalière pro-duite par unité de longueur de onentrateur solaire . . . . . . . 1489.2 Tableau des performanes journalières d'un système équipé d'unapteur de 4 m de longueur à Font-Romeu au ours d'une jour-née type de juillet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1509.3 Tableau des performanes journalières d'un système équipé d'unapteur de 4 m de longueur à Font-Romeu au ours d'une jour-née type de janvier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1529.4 Tableau des performanes journalières d'un système équipé d'unapteur de 4 m de longueur à Font-Romeu au ours d'une jour-née type de juillet, à yle onstant . . . . . . . . . . . . . . . . 1569.5 Tableau des performanes journalières d'un système équipé d'unapteur de 4 m de longueur à Font-Romeu au ours d'une jour-née type de janvier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1599.6 Tableau des aratéristiques du moteur Erisson . . . . . . . . . 1619.7 Tableau des aratéristiques de l'éhangeur . . . . . . . . . . . . 162

16 LISTE DES TABLEAUX9.8 Tableau des performanes en fontion de β . . . . . . . . . . . . 1639.9 Performanes journalières d'un système équipé d'un apteur de4 m de longueur, fontionnant en yle variable à Tamanrassetau ours d'une journée type de janvier (1er janvier) . . . . . . . 1639.10 Tableau des performanes journalières d'un système équipé d'unapteur de 4 m de longueur, fontionnant en yle onstant àTamanrasset au ours d'une journée type de janvier (1er janvier) 1689.11 Performanes mensuelles d'un système équipé d'un apteur de15 m de longueur, fontionnant en yle onstant à TH = 875K à Tamanrasset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1699.12 Tableau des aratéristiques du moteur Erisson à 875 K . . . . 1699.13 Tableau des aratéristiques de l'éhangeur à 875 K . . . . . . . 1709.14 Performanes mensuelles d'un système équipé d'un apteur de15 m de longueur, fontionnant en yle onstant à TH = 925K à Tamanrasset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1719.15 Tableau des aratéristiques du moteur Erisson à 925 K . . . . 1719.16 Tableau des aratéristiques de l'éhangeur à 925 K . . . . . . . 1719.17 Performanes mensuelles d'un système équipé d'un apteur de15 m de longueur orienté selon 2 axes, fontionnant en yleonstant à TH = 925 K à Tamanrasset . . . . . . . . . . . . . . 1729.18 Performanes mensuelles d'un système équipé d'un apteur de15 m de longueur à avité réeptrie moins performante, fon-tionnant en yle onstant à TH = 800 K à Tamanrasset . . . . 176

Prinipales notationsSymbole Desriptiona Azimut, [degrés℄Aa Surfae d'ouverture d'un apteur à onentration, [m2℄Ac Surfae d'absorbeur d'un apteur à onentration, [m2℄cp,air Chaleur spéi�que de l'air à pression onstante, [ J.kg−1.K−1 ℄DM Diamètre hydraulique, [m℄E Elairement, [W.m−2℄Ea Elairement solaire reçu par la surfae d'ouverture, [W.m−2℄Ec Elairement moyen reçu par la surfae de l'absorbeur, [W.m−2℄Ėexair Flux d'exergie transféré à l'air, [W℄

˙ExD Taux de destrution d'exergie, [W℄F Fateur de formeh Hauteur angulaire, [degrés℄hconv Coe�ient de transfert par onvetion forée à l'extérieur del'éhangeur-réhau�eur, [W.m−2.K−1]hfree Coe�ient de transfert par onvetion naturelle à l'extérieurde l'éhangeur-réhau�eur, [W.m−2.K−1]Ib,n Rayonnement en inidene normale, [W.m−2]Is Elairement inident normal à la surfae d'ouverture duonentrateur, [W.m−2℄Kr Coe�ient de perte par transfert thermique de la avité réep-trie, [W.m2.K−1℄Kx Coe�ient de transfert thermique de l'éhangeur réhau�eur,[W.m2.K−1℄louL Longitude, [degrés℄LN−S Largeur d'ouverture Nord-Sud du premier étage du onentra-teur, [m℄lpup Largeur de la pupille de sortie du CPC, [m℄

18 Prinipales notationsṁ Débit massique de l'air, [kg.s−1]PM Périmètre mouillé, [m℄PMT Périmètre haud à l'intérieur de l'éhangeur-réhau�eur [m℄Pr Nombre de PrandtlP0 Pression ambiante, [Pa℄Q̇r Puissane thermique transmise vers l'éhangeur réhau�eur,[W℄Q̇s Puissane thermique reçue par la surfae d'ouverture duonentrateur, [W℄Re Nombre de Reynoldss Entropie massique du �uide de travail, [J.kg−1.K−1℄Sc Surfae d'ouverture du apteur, [m2℄SP Setion de passage de l'air à l'intérieur de l'éhangeur-réhau�eur, [m2℄St Nombre de StantonSr Surfae déperditive de la avité réeptrie, [m2℄Sx Surfae d'éhange de l'éhangeur-réhau�eur, [m2℄T Températue du �uide de travail, [K℄Ta(x) Température de l'air à l'intérieur de l'éhangeur-réhau�eur [K℄Tair(x) Température de l'air à l'intérieur de l'éhangeur-réhau�eur [K℄TC Température de soure haude, [K℄TF Température de soure froide, [K℄Tp(x) Temérature de la paroi de la avité réeptrie de l'éhangeur-réhau�eur [K℄Tr Température moyenne de la avité réeptrie, [K℄Tx Température du �uide dans l'éhangeur réhau�eur, [K℄T0 Température ambiante [K℄ẆC,i Puissane indiquée de ompression, [W℄ẆC,r Puissane méanique réelle de ompression, [W℄ẆE,i Puissane indiquée de détente, [W℄ẆE,r Puissane méanique réelle de détente, [W℄Ẇinet Puissane nette indiquée, [W℄Ẇnet Puissane méanique nette, [W℄x Coordonnées le long de l'éhangeur-réhau�eur, [m℄X Fration massique liquide du matériau à hangement de phaseZ Nombre de ylindres

17 19Symboles gresα Coe�ient d'absorption de la avité réeptrieαc Taux de onentration géométrique du onentrateurαs Azimut, [degrés℄αx Rapport de la surfae d'éhange du réhau�eur à la surfae dela avité réeptrieβ Rapport de ompressionγ cp/cv

γs Hauteur angulaire, [degrés℄δ Délinaison, [degrés℄ε Emissivité de la avité réeptrieǫr E�aité du réupérateurηc Rendement optique du onentrateurηcapt Rendement thermique du onentrateur et de la avité réep-trieηCarnot Rendement de Carnot du moteur thermiqueηex Rendement exergétiqueηG Rendement global du systèmeηglob Rendement global du système de onversion thermodynamiquesolaireηind Rendement indiqué du moteur thermiqueηII Rendement "seond prinipe" du moteur thermiqueηmeca,E Rendement méanique de détenteηmeca,C Rendement méanique de ompressionηsi,E Rendement isentropique de détenteηsi,C Rendement isentropique de ompressionθr Température adimensionnelle de la avité réeptrieθx Température adimensionnelle du �uide de travail dansl'éhangeur-réhau�eurκx Coe�ient adimensionnel de transfert thermique del'éhangeur-réhau�eurλ Longueur d'ondes, [µm℄µ Visosité dynamique de l'air, [kg.m−1.s−1]µp Visosité dynamique de l'air à la paroi, [kg.m−1.s−1]ν Nombre de Nusselt

20 Prinipales notationsφ Latitude, [degrés℄κ

γ − 1

γκr Coe�ient adimensionnel de perte par transfert thermique dela avité réeptrieρ Coe�ient de ré�exion du onentrateurρr Coe�ient adimensionnel de perte par rayonnement de la a-vité réeptrieσ Constante de Stefan Boltzman, [W.m−2.K−4]τ Coe�ient de transmission du onentrateurω Angle horaire, [degrés℄Indiescr Sortie ompresseur et entrée réupérateurD Di�usE Espae de détenteer Sortie détente et entrée réupérateurexp Résultat expérimentalG ou glob GlobalH Heater ou éhangeur-réhau�eurh Sortie éhangeur-réhau�eur et entrée détentehs Sortie stokage thermiqueK Cooler ou refroidisseurn normalR Régénérateur ou réupérateurrh Sortie réupérateur et entrée éhangeur-réhau�eurrk Sortie réupérateur et rejet dans l'environnementtheo Résultat théorique0 Entrée de l'atmosphère, ou onditions ambiantes

IntrodutionDans le ontexte énergétique et environnemental atuel (épuisement desréserves d'énergie fossile, onstat de plus en plus alarmant des onséquenesde l'e�et de serre à l'éhelle planétaire,. . . ), il devient apital de développerdes tehnologies de prodution d'énergie "propre".On peut observer, depuis es dernières années, la montée en puissaned'une onsiene olletive et politique de plus en plus aiguisée qui se tra-duit, en Frane notamment, par de nouvelles perspetives de reherhe dans ledomaine des énergies renouvelables. L'énergie solaire, renouvelable par exel-lene, présente l'avantage d'être inépuisable à notre éhelle de temps, propre,relativement disponible sur toute la Terre. Cependant, ses ontraintes spé-i�ques omme l'alternane jour/nuit, l'in�uene limatique, le rayonnementsolaire relativement peu onentré et. . ., représentent autant de freins à sondéveloppement.Dans e travail, nous proposons d'étudier un nouveau système de onversionde l'énergie solaire en életriité, en vue de son utilisation pour la ogénérationde petite puissane.Il existe deux grandes voies de onversion onnues de l'énergie solaire enéletriité, l'une "Photovoltaïque", l'autre "Thermodynamique". La voie pho-tovoltaïque qui onsiste à onvertir diretement le rayonnement solaire en éle-triité dans des photopiles a béné�ié de onstants e�orts de reherhe et dé-veloppement depuis les années 1950. Cette �lière, aujourd'hui tehnologique-ment "aboutie", est utilisée ave su

ès pour la prodution életrique de faiblepuissane (site isolé, générateur domestique) ainsi que sur des installationsde plusieurs kW à quelques MW (Le Solarpark d'Arnstein en Allemagne 12MW [1℄). Si ette voie est e�etivement la référene atuelle pour la produ-tion d'életriité de faible puissane, elle présente néanmoins des inonvénientsmajeurs liés à la fabriation des photopiles, reposant sur des tehnologies depointe, hères dans leur mise en oeuvre et relativement énergivores. De plusles photopiles ne sont pas failement reylables.La �lière thermodynamique, plus anienne, n'a pas béné�ié d'e�orts de

22 Introdutionreherhe et développement onstants. On observe au ours du temps des pé-riodes atives suivies de périodes de désintérêts. La rise du pétrole de 1973a relané un ertain intérêt pour ette �lière, renouvelé réemment ave leproblème environnemental et énergétique, désormais inontestable, de l'utili-sation des énergies fossiles. A l'heure atuelle on ompte quelques installationsde très grosses puissanes (>1 MW) dans le monde (USA, Espagne), ainsiqu'une ativité de reherhe aux USA, en Espagne, en Allemagne, en Israëlnotamment. Les réentes réalisations omme par exemple PS10 à Séville enEspagne [2℄, augurent d'un avenir prometteur dans le domaine des grossespuissanes. En revanhe pour les faibles puissanes (

21 23présentée.

24 Introdution

Première partieContexte

Chapitre 1HistoriqueL'énergie solaire, qui est à l'origine de la vie, des yles biologiques, lima-tiques et don des ressoures énergétiques "fossiles" (pétrole, harbon, gaz),et "renouvelables" (biomasse, hydraulique, éolienne,. . .), est exploitée de fa-çon indirete par les hommes depuis les temps les plus aniens et aujourd'huienore de façon intense.On onstate ependant que son utilisation direte pour des appliationsà haute température omme la uisson, le hau�age . . ., est beauoup moinsrépandue. Cei est vraisemblablement lié aux ontraintes spéi�ques de etteénergie, omme l'alternane jour/nuit, la position variable du soleil dans le iel,le rayonnement faiblement onentré (maximum environ 1000 W/m2) soumisaux in�uenes limatiques (nuages). De e fait, l'exploitation du rayonnementsolaire pour les appliations à haute température est onfronté à des di�ultéstehnologiques, liées notamment à la néessité de onentrer l'énergie solaireavant son utilisation.François Pharabod [3℄ retrae l'histoire des di�érentes tehniques de onen-tration qui vont apparaître et se perfetionner au ours du temps. Dès l'An-tiquité les miroirs ardents (miroirs oniques en airain) étaient utilisés pourrallumer "le feu saré" dans la Rome antique. Eulide (300 av J.C.) et Arhi-mède (220 av J.C.) établirent les premières théories des miroirs onentrateursdans leurs traités d'optique, et vers 100 av J.C., Héron d'Alexandrie dérit unemahine anètre des "pompes solaires". Au XVIIIe sièle, Du Fay (1698-1739),de Bu�on (1707-1788), Lavoisier (1743-1794) progressent dans l'approhe ex-périmentale et posent les fondements de di�érentes tehniques :� la double ré�exion (assoiation d'un miroir plan et d'un miroir onave)qui sera utilisée beauoup plus tard pour le four solaire d'Odeillo (DuFay),

28 Chapitre 1. Historique� les héliostats utilisés à partir du XXe sièle dans les entrales à tour (deBu�on),� les lentilles onvergentes utilisés pour la fusion des métaux (Lavoisier).Au XIX e sièle, Augustin Mouhot met au point une haudière solaire plaéeau foyer d'un onentrateur ylindro-parabolique et développe les appliationsméaniques de la haleur solaire, autrement dit "la onversion thermodyna-mique" [4℄. En 1868, John Erisson (1803-1889) onstruit aux Etats-Unis desmahines solaires pour produire une fore motrie, et expérimente un onen-trateur ylindro-parabolique orientable en 1884 (�g.1.1) [5℄.

Fig. 1.1 : La mahine solaire expérimentée en 1884 par J. ErissonA ette époque, Jules Verne et John Erisson se préo

upent déjà de l'épuise-ment des ressoures d'énergie fossile ! Le début du XXe sièle voit des tentativesde réation d'une industrie solaire aux Etats-Unis. Cette dernière ne parvienthélas pas à s'imposer fae au pétrole qui jaillit des sols alifornien et texan. La�n de la seonde guerre mondiale voit la reherhe s'organiser dans des labo-ratoires et 'est en Frane que Félix Trombe ré-investit le premier le domainedes hautes températures à l'Observatoire de Meudon dès 1946. Il fera réaliserdes fours solaires de plus en plus puissants dans les Pyrénées Orientales, àMontlouis (50 kW th en 1952) puis à Odeillo (1 MW th en 1968). En Italie leprofesseur Giovanni Frania réalise une maquette de entrale à tour. La risepétrolière de 1973 ontribuera à un regain d'intérêt pour l'énergie solaire quidurera jusqu'aux années 1980. C'est à ette époque que de grandes réalisationsvoient le jour, à travers le monde :� Des entrales à tour sont onstruites, dans les années 1980 en Italie,au Japon, en Frane la entrale Thémis à Targassone (�g1.2), en Es-pagne, en Israël, dans l'ex URSS. La plus puissante Solar One (10 MW),

29est onstruite en Californie en 1982 [3℄ . Sur ette réalisation les rende-ments de onversion atteignent 20 % à pleine puissane et une moyenneannuelle de 15 %. Une forte oopération internationale favorise la di�u-sion des aquis tehnologiques. Malheureusement ave la omplexité desinstallations, la sortie de la rise du pétrole, les bloages éonomiques,l'exploitation ommeriale tarde à se onrétiser. Malgré es di�ultés,les nombreuses entrales d'essais réalisées à travers le monde permettentd'expérimenter et de valider de nombreuses tehnologies dans les di�é-rents domaines de la ollete, du transfert, du stokage, de la onversion,du ouplage.

Fig. 1.2 : Centrale à tour Thémis - Frane arrêtée en 1985� Dans le même temps, la �lière à olleteur ylindro-parabolique ou àfoalisation linéaire fait l'objet d'une vingtaine de réalisations dans lemonde ave des variantes selon l'orientation des olleteurs : est-ouest,nord-sud, et suivi solaire selon un ou deux axes. L'Agene Internatio-nale de l'Energie onstruit à Almeria en Espagne deux installations àolleteurs ylindro-paraboliques [3℄ (�g 1.3). Ces olleteurs hau�entune huile de synthèse à 295 ◦C, qui après stokage thermique, générela vapeur qui alimente la turbine de 500 kW. Les meilleurs rendementsobtenus sont alors voisins de 10 % à pleine puissane, ils hutent à 2,5 %sur une moyenne journalière.C'est, malgré tout, ette �lière qui onnaîtra les premiers développementsommeriaux à grande éhelle. Dans le désert de Mojave, non loin deLos Angeles, neuf entrales solaires hybrides (ave hau�erie d'appoint)sont onstruites et ra

ordés au réseau életrique par la Soiété LUZentre 1982 et 1990 [3℄. Elles produisent 354 MW. Le rendement rête

30 Chapitre 1. Historique

Fig. 1.3 : Colleteurs ylindro-paraboliques à Almeriaglobal de onversion de l'énergie solaire en életriité atteint 23 % (68% pour le hamps solaire, 37,6 % pour le yle moteur). En moyenneannuelle 53 % de l'énergie solaire inidente est olletée sous forme dehaleur, 14 % onvertie en életriité. La mise sous vide du tube réepteurdans une enveloppe pyrex ainsi que l'utilisation de ouhes séletivespermettent de limiter les pertes thermiques. Le �uide de transfert estainsi porté à 391 ◦C. Il permet de produire de la vapeur à 371 ◦C et100 105 Pa. Malgré le bon fontionnement de es installations, la soiétéLUZ a disparu dans les années 1991, en raison de la remise en ause desdispositions éonomiques mises en plae aux Etats-Unis dans les années1980 pour favoriser l'émergene des énergies renouvelables. Les brevetsont été ependant repris en Israël et en Europe.� La tehnique des olleteurs paraboliques fait l'objet, elle aussi, d'ungrand nombre de réalisations : la on�guration isolée ou Dish Stirlingonsiste à plaer un moteur Stirling au foyer d'une parabole et obtientles meilleurs rendements de onversion ave 29 % pour une puissane de25 kW (�g.1.4) [6℄.En on�guration groupée, l'énergie thermique est réupérée au foyer deplusieurs paraboles puis olletée et onvertie dans un système entraliséonstitué de turbo-alternateurs. Plusieurs de es réalisations e�etuentave su

ès la prodution ombinée de vapeur et d'életriité. Des mi-roirs légers omposés d'une membrane polymère sont expérimentés enCalifornie en 1984 dans la entrale de Warner Spring. Cette entrale de5 MW, omptait 700 apteurs paraboliques onstitués haun de 24 mi-roirs légers. Elle a malheureusement été abandonnée depuis en raison

31

Fig. 1.4 : Dish Stirlingnotamment des di�ultés renontrés sur les ré�eteurs (déhirures).Grâe aux aquis réalisés, les tehnologies à grande éhelle sont aujourd'hui dis-ponibles. On observe à nouveau un intérêt roissant pour toutes es tehniquessolaires. Il apparaît ependant que les systèmes à onentration fontionnantuniquement à partir du rayonnement diret néessitent de nombreux jours deiel lair, et sont de e fait partiulièrement adaptés aux zones désertiques ousemi arides (entre 40 et 15 degrés de latitude).

32 Chapitre 1. Historique

Chapitre 2La ressoure solaire2.1 Notions d'AstronomieL'Astronomie moderne est née ave le savant polonais Coperni (1473-1543) [7℄, lorqu'il publie "De revolutionibus orbium oelestrium libri VI", danslequel il défend la thèse hélioentrique : les planètes dont la Terre tournentautour du Soleil. Quelques déennies plus tard, Kepler (1571-1630) déouvrele aratère elliptique de l'orbite des planètes et énone les lois qui portentson nom. Les grandes avanées dans le domaine de la représentation et dela ompréhension du système solaire se font ave Newton (1643-1727) et lathéorie de la gravitation universelle. Le Soleil est une étoile parmi les entainesde milliards qui onstituent la Voie Latée (amas galatique de l'Univers). LeSoleil tourne autour du entre galatique ave une vitesse de 250 km/h et enfait le tour en 230 millions d'années [7℄, [8℄.La Terre dérit autour du Soleil une orbite elliptique de faible exentriité,ave une période de 365,25 jours. Le plan de ette orbite est appelé plan del'éliptique (�g. 2.1) [9℄. Ainsi la distane Terre-Soleil varie au ours de l'année.C'est au solstie d'hiver, vers le 21 déembre, qu'elle est minimum (147 100000 km), et au solstie d'été qu'elle est maximum vers le 22 juin (152 100 000km). La Terre oupe le plan perpendiulaire au grand axe de son orbite etontenant le Soleil aux équinoxes de printemps (21 mars) et d'automne (21septembre). La Terre tourne sur elle-même ave une période de sensiblement24 h, qui se traduit par la su

ession des jours et des nuits. L'axe de rotationde la Terre (axe des p�les) fait un angle de 23◦27' ave la normale du plande l'éliptique. Cette inlinaison est à l'origine de la variation de la durée desjours et des nuits ainsi que des limats, di�érents selon la latitude des lieux.

34 Chapitre 2. La ressoure solaire

Fig. 2.1 : Trajetoire de la Terre autour du Soleil

Fig. 2.2 : Vue satellite du passage du jour à la nuit2.2 Le SoleilEtoile quelonque, le Soleil revêt une importane primordiale pour leshommes. En e�et sans lui le vie sur Terre n'existerait pas. Le soleil est unesphère de 1,39 109 m de diamètre.La struture du soleil (�g. 2.3) [7℄ fait apparaître quatre zones partiulières :

2.2 Le Soleil 35

Fig. 2.3 : Struture du Soleille noyau, la photosphère, la hromosphère et la ouronne.� Le noyau, de 175 000 km de rayon, délimite la zone ou se produisent lesréations nuléaires de fusion qui dégagent une énergie olossale, originede l'énergie solaire. La température atteind 15 millions de ◦ C. L'énergieproduite se propage par di�usion radiative puis par onvetion turbulentejusqu'à la photosphère d'où elle est di�usée sous forme de rayonnementéletromagnétqiue vers l'espae. La photosphère est une ouhe de 300km d'épaisseur ave une température de 5770 K.� La hromosphère est l'atmosphère du soleil. C'est une ouhe gazeuse quia une épaisseur d'environ 8000 km et une température de 20 000 K.� La ouronne est une région de très faible densité et très haute tempéra-ture (106 K) dans le prolongement de la hromosphère. Il est d'usage dene onsidérer que le rayonnement solaire qui est issu de la photosphèreà T = 5770 K puisqu'elle représente la plus grande soure de radiations.Une énergie olossale est émise par le soleil, soit environ 4 1026 W, maisseule une in�me partie arrive sur Terre. Cei est dû à la grande distanequi sépare la Terre et le Soleil, qui équivaut à une unité astronomiquesoit 1.495 1011 m de sorte que le soleil est vu de la Terre selon un anglede 32'.On dé�nit la onstante solaire E0 = 1353 W/m2 omme la puissanemoyenne reue du soleil par la Terre à l'entrée de l'atmosphère.La distribution spetrale du rayonnement solaire est onnue (�g. 2.4) [7℄. Ononstate que 98 % de l'énergie est rayonnée entre 0,25 et 4 µm. Ce spetre estpar ailleurs très prohe d'un orps noir à 5770 K.Lorsque le rayonnement solaire traverse l'atmosphère terrestre, il subit desmodi�ations onsidérables. La �gure 2.5 [7℄ représente la struture de l'atmo-sphère terrestre ainsi que ses e�ets sur le rayonnement solaire onstitué desrayons X, ultraviolets, visibles, infrarouges, ondes radio.


Fig. 2.4 : Distribution spetrale du rayonnement solaire à l'entréede l'atmosphère2.3 Evaluation du potentiel solaire sur terreL'utilisation de l'énergie solaire sur terre suppose de onnaître le plus préi-sément possible les potentialités loalisées de ette ressoure. Des ouvrages deréférene ([10℄, ainsi que [7℄, [9℄, [11℄) proposent une terminologie ainsi qu'uneapprohe rigoureuse pour l'évaluation du potentiel solaire en un lieu donné quenous avons utilisées dans notre étude. Or, selon les soures, la terminologie dif-fère, ainsi que les aluls qui sont approhés ave plus ou moins de préision.Nous présentons la terminologie ainsi que le détail des aluls que nous avonsadoptés.2.3.1 Les repères spatiaux d'un lieu terrestreTout point de la sphère terrestre peut être repéré par deux oordonnées, lalatitude φ (positive dans l'hémisphère nord, négative dans l'hémisphère sud) etla longitude L (positive à l'ouest, négative à l'est). Le méridien de Greenwihest le méridien origine (L = 0)(�g. 2.6) [7℄.2.3.2 La position du soleilLa position de tout astre et par onséquent du soleil dans l'espae, peutêtre repérée par ses oordonnées horizontales dé�nies par h ou γs , la hauteurangulaire qui est l'angle que fait la diretion de l'astre ave le plan horizontal('est-à-dire tangent au sol) et a ou αs, l'azimut qui est l'angle que fait le plan

2.3 Evaluation du potentiel solaire sur terre 37

Fig. 2.5 : E�ets de l'atmosphère sur la distribution spetrale durayonnement solaire


Fig. 2.6 : Dé�nition des oordonnées Longitude Latitudedu méridien loal ave le plan vertial passant par l'astre. L'azimut est ompténégativement vers l'est, positivement vers l'ouest, sur la sphère éleste (�g.2.7) [7℄.

Fig. 2.7 : Dé�nition des angles hauteur azimutCes oordonnées sont loales, 'est-à dire fontion du lieu d'observation.Néammoins e sont les oordonnées d'usage en énergétique solaire. Il existe unautre système de oordonnées, dé�ni par ω l'angle horaire et δ la délinaison(�g. 2.8), appelé oordonnées horaires.Elles sont semi-loales ar seul l'angle horaire dépend du lieu d'observation.Appliquons es relations au as où l'astre observé est le soleil. La délinaisonδ varie alors de + 23,45 ◦ (22 juin) à - 23,45 (22 déembre). Nous avons hoiside la aluler à partir de la formule approhée [9℄ :

δ = 23, 45 sin [360

365(n − 81) ] (2.1)


Fig. 2.8 : Dé�nition des oordonnées horairesave n numéro du jour de l'année1 < n < 365L'angle horaire ω exprimé en degré est alulé à partir de l'heure solaire vraie(TSV) :ω = (TSV − 12) 15 (2.2)Des relations permettent de passer des oordonées horaires (δ, ω) aux o-ordonnées horizontales (a,h) [11℄.

cos a = (sin φ sinh− sin δ)/ cos φ cos h (2.3)sin a = cos δ sin ω/ cosh (2.4)

si sin a < 0 alors a = − cos−1(cos a)

si sin a > 0 alors a = cos−1(cos a)

h = sin−1(sin φ sin δ + cos φ cos δ cos ω) (2.5)2.3.3 Temps Solaire Vrai : repère temporelLe Temps Solaire Vrai (ou Solar time en Anglais) est le temps donné parles adrans solaires, le seul qui renseigne diretement sur la position du soleildans le iel, midi solaire vrai orrespondant exatement au passage du soleildans le méridien du lieu. Il existe ainsi un lien diret entre le Temps SolaireVrai et l'angle horaire ω qui a été préédemment évoqué.TSV = 12 + 24/360 ω (2.6)(Temps en heure et ω en degrés). Généralement, on dispose du temps légal(TL) utilisé dans les diverses loalisations terrestres. Il est alors néessaire de

40 Chapitre 2. La ressoure solairele onvertir en Temps Solaire Vrai (TSV). Plusieurs opérations sont néessaires.TSV = TL + ET − 4 (L − Lst) − C (2.7)ave : temps exprimé en minutes et fration déimale de minute, L longitudedu lieu en degrés, Lst longitude du méridien de référene situé au entre dufuseau horaire du lieu [9℄ [10℄� Le terme ET ou "Equation du Temps" orrige les irrégularités de ladurée du jour dues à l'inlinaison de l'axe de rotation de la terre sur leplan de l'éliptique et au fait que la Terre ne se déplae pas ave unevitesse onstante sur sa trajetoire elliptique. L'équation du temps estii alulée par la formule approhée suivante :

ET = 9, 87 sin(2 B) − 7, 53 cos B − 1, 5 sin B (2.8)B = (n − 81)

360

365(2.9)(ET en minutes, B en degrés, 1


Fig. 2.9 : Dé�nition des angles pour une surfae réeptrie planeélémentaire quelonqueEn prenant I l'élairement solaire, ~k le veteur unitaire de la diretion dusoleil ainsi que S sa omposante normale à la surfae réeptrie et ~n le veteurunitaire normal à la surfae,~n (sin γ sin i, cos γ sin i, cos i)

~k (cos h sin a, cos h cos a, sin h)on peut érire :S = I ~k .~n (2.10)

S(i, γ) = I [sin i cos h cos(a − γ) + cos i sin h] (2.11)Si la surfae réeptrie est horizontale i est nul. On obtient alors,Sh = I sin h (2.12)Si la surfae est vertiale (i = 90◦) et orientée au sud (γ = 0◦) alors,

Sv = I cos h cos a (2.13)2.3.5 La mesure du rayonnement reçu au solLe rayonnement solaire reçu au solRappelons que le rayonnement émis par le soleil subit des modi�ationsimportantes avant son arrivée sur le sol terrestre. Il est en e�et soumis àdes éhanges radiatifs (ré�exion, absorption/émission) ave l'atmosphère, lesnuages, la Terre (sol, oéan) (�g. 2.10) [11℄, qui le modi�ent qualitativement(spetre, diretion) et quantitativement (puissane).


Fig. 2.10 : Ehanges radiatifs dans l'atmosphère et sur terreOn estime en e�et [11℄ que 20 % de l'énergie solaire primaire entrante estabsorbée par les moléules de gaz, les aérosols, l'eau ondensée de l'atmosphère,e qui provoque le réhau�ement de elle-i, alors que 23 % est diretement ren-voyée vers l'espae par di�usion et ré�exion sur les nuages. Ainsi, en moyennesur le globe terrestre, seulement 57 % de l'énergie primaire solaire entrantedans l'atmosphère atteint le sol. On distingue :� le rayonnement diret (beam radiation) ; il provient en droite ligne dudisque solaire ; il représente en moyenne sur le globe terrestre 30 % del'énergie primaire solaire entrante ;� le rayonnement di�us ; il provient de toute la voûte éleste hors disquesolaire, issu des ré�exions et di�usion dans l'atmosphère ; il représente enmoyenne sur le globe terrestre 27 % de l'énergie primaire solaire entrante,� le rayonnement global, somme de es deux omposantes.En réalité, loalement, l'imbriation des phénomènes qui in�uent sur la res-soure solaire est assez omplexe. En e�et, l'intensité du rayonnement ainsi quela part de rayonnement diret ou di�us varient onsidérablement en fontiondu limat, de l'environnement loal.

2.3 Evaluation du potentiel solaire sur terre 43La ressoure solaire est di�ile à prévoir à long terme du fait de la varia-bilité limatique. Il n'est pas rare que pour un même lieu l'irradiation globaleannuelle au sol, exprimée en kWh/m2 an varie de 20 % d'une année à l'autre.Pour ette raison, les valeurs d'élairement diret et global doivent être mesu-rées et enregistrées durant une période su�samment longue (10 ans, 20 ans),a�n de aratériser le plus �dèlement possible la ressoure potentielle loale.Mesure du rayonnement solaire� Les pyrhéliomètres mesurent le rayonnement solaire diret nor-mal ('est-à-dire provenant diretement du disque solaire et reçu parune surfae normale aux rayons). Ils sont onstitués d'un tube munide diaphragmes et doivent être en permanene pointés vers le soleil. Lerayonnement atteint le fond du tube, dans lequel un réepteur thermiquenon séletif l'absorbe et le transforme en haleur. Il existe de nombreusestehnologies. Equipés de �ltres, ils permettent de mesurer l'énergie reçuedans ertaines bandes spetrales.

Fig. 2.11 : Pyrhéliomètre permettant de mesurer le rayonnementsolaire diret normal� Les pyranomètres sont les instruments les plus ouramment employés.Les pyranomètres doivent être montés horizontalement pour fontion-ner ave la meilleure préision. Ils mesurent le rayonnement globalhorizontal Eglob,h en W/m2 ou bien le rayonnement di�us, ED,h enW/m2 issu de la 1/2 sphère supérieure (voûte éleste), s'ils sont équipésd'une bande ou d'une sphère o

ultant le disque solaire. Il est possible

44 Chapitre 2. La ressoure solairede retrouver la valeur du rayonnement diret horizontal par di�é-rene des mesures e�etuées ave deux pyranomètres, l'un mesurant lerayonnement global et l'autre le rayonnement di�us.Ils fontionnent selon le prinipe suivant : un ourant életrique est générégrâe à une thermopile (ensemble de termoouples), par di�érene detempérature entre une surfae noire qui absorbe tout le rayonnementsolaire visible et une surfae blanhe qui le ré�éhit. La thermopile estprotégée par deux hémisphères qui peuvent être en verre transparent auxlongueurs d'ondes de la bande spetrale (0,3-2,5 µm) ou en quartz dont leseuil de oupure se situe vers 5 µm. Le ourant produit est proportionnelau rayonnement solaire reçu.

Fig. 2.12 : Deux pyranomètres, l'un mesurant le rayonnement glo-bal horizontal, l'autre le rayonnement di�us horizontal� La durée d'insolation est un autre paramètre déterminant pour lesétudes énergétiques solaires. La durée d'insolation orrespond à la pé-riode durant laquelle le disque solaire est visible. Traditionnellement, elleest mesurée par un héliographe, boule de verre qui onentre le rayon-nement solaire en un point d'un papier thermosensible. La longueur dela trae laissée au ours d'une journée orrespond à la durée d'enso-leillement. On renontre aujourd'hui des enregistreurs photoéletriquesomposés de deux ellules photovoltaïques, l'une est exposée au soleil,l'autre à l'ombre. En l'absene du soleil les signaux émis par les deuxellules sont sensiblement égaux. Ils di�èrent dès l'apparition du soleil.2.3.6 Les di�érentes soures de données solairesIl y a sur le globe terrestre en Europe et dans le monde de nombreusesstations de mesures qui olletent des données du rayonnement solaire. Cesstations sont plus ou moins bien équipées : elles mesurent le rayonnement

2.3 Evaluation du potentiel solaire sur terre 45global, quelquefois le rayonnement global et diret, quelquefois seulement ladurée d'ensoleillement ...Les valeurs mesurées peuvent se présenter sous diverses formes : valeursinstantanées, horaires, journalières, moyennes mensuelles ou annuelles. Desgrandeurs synthétiques sont alulées à partir des données instantanées enles intégrant sur une heure ou une journée. Par exemple, l'irradiation globalehoraire Eglob en Wh/m2 à l'heure ti est dé�nie par :E∗glob(ti) =

∫ ti+0,5

ti−0,5

Eglob(t) dt (2.14)Les bases de données solaires ouvrent la plus grande partie de la terre ; ellessont généralement onstituées par des données mesurées au sol, omplétées pardes données estimées notamment à partir des satellites.Il est désormais possible, en e�et, d'évaluer l'énergie solaire reçue annuel-lement sur une région du globe grâe à l'analyse des images satellites de laouverture nuageuse et des sols élairés.Ces valeurs estimées ne sont pas aussi exates que les valeurs issues desmesures au sol. Néanmoins, les satellites o�rent la seule possibilité d'a

éderà des données solaires pour des lieux qui ne sont pas équipés de stations demesure au sol.En Frane, une vingtaine de stations réparties sur le territoire nationalmesurent l'élairement solaire global horizontal (Global Irradiane) Eglob et ladurée de l'insolation. Certaines mesurent aussi le rayonnement diret (DiretIrradiane). Ces données sont arhivées dans la limathèque de Météo Frane.Elles sont a

essibles sous onditions [12℄. La arte de Frane (�g. 2.13) [7℄indique les niveaux d'irradiation en kWh/m2an et la durée d'insolation en h/an.Il apparaît 6 zones di�érentes ainsi que des zones de miro-limat ensoleillésdans les régions de Font-Romeu, La Rohelle et Briançon.Pour l'Europe, il existe plusieurs bases de données solaires a

essibles :� la Commission Européenne a mis réemment en ligne [13℄ des artes dupotentiel d'énergie solaire photovoltaïque, ainsi que des données horairesd'irradiation globale et di�use reçues sur une surfae inlinée selon unangle paramétrable, pour des sites loalisés en Europe, en Afrique etautour de la Méditerranée.� "The european Solar Radiation Atlas" édité en 2000 [11℄ regroupe lesdonnées de 695 stations européennes. La plupart des données sont desmoyennes mensuelles ou journalières.Pour les Etats Unis, le National Renewable Energy Laboratory, NREL [14℄


Fig. 2.13 : Carte de Frane des durées annuelles d'insolation etd'irradiation reçues sur une surfae horizontalepropose des données et des artes d'ensoleillement diret adaptées aux systèmesà onentration.

Fig. 2.14 : Ensoleillement global annuel dans le monde( k W h /m2 an )

Deuxième partieLa onversion thermodynamiquede l'énergie solaire : Etat de l'artet prospetives

49Le prinipe des onvertisseurs thermodynamiques de l'énergie solaire reposesur l'assoiation des deux éléments majeurs que sont le apteur solaire et legénérateur d'énergie motrie.Le premier transforme l'énergie radiative (rayonnement solaire) en ha-leur (énergie thermique). Le seond permet de onvertir l'énergie thermiqueen énergie méanique. Nous présentons ii un état de l'art des systèmes sé-parés puis ouplés de apteurs solaires et de générateurs d'énergie méanique.Nous analysons leur adaptabilité à la onversion thermodynamique de l'énergiesolaire pour les faibles puissanes < 50 kW en proposant notamment une mé-thode d'identi�ation des voies d'investigations possibles à partir de moteursexistants.Nous ne traiterons pas du problème de la prodution de l'énergie életrique,les alternateurs qui permettent de onvertir l'énergie méanique en életriitérestant extérieur au système. De plus, la tehnologie des alternateurs, utiliséeà grande éhelle notamment dans l'industrie, propose des solutions tout à faitadaptées aux di�érents niveaux de puissanes qui nous intéressent ave desrendements de onversion très élevés ( > 90 %).En�n, le stokage et/ou l'hybridation ave une autre soure d'énergie sontindispensables pour permettre la prodution ontinue d'életriité et de ha-leur en l'absene du soleil. Cependant, seul le stokage thermique qui fait par-tie intégrante du proédé sera traité diretement dans l'analyse théorique dessystèmes pare qu'il in�uene les aratéristiques de eux-i ainsi que leurs per-formanes. Les autres systèmes de stokages d'énergie extérieurs au proédéde ogénération omme par exemple le stokage de l'énergie életrique dansdes batteries, ou sous forme d'air omprimé dans des réservoirs, ou méaniquedans des volants d'inertie, ou enore himique . . ., ne seront pas traités.

Chapitre 3Les apteurs solaires et leuradaptabilité à la onversionthermodynamique de faiblepuissane3.1 Les apteurs plans3.1.1 Prinipe de fontionnementLes apteurs solaires plans (�g. 3.1) reposent sur la tehnologie la plussimple. Ils sont onstitués d'une surfae réeptrie noire qui absorbe le rayon-nement solaire inident visible de la bande spetrale (0,3 < λ < 3 µm), diret etdi�us. Au dessus de l'absorbeur, un simple ou double vitrage limite les pertesthermiques onvetives ave l'air ambiant, ainsi que les pertes radiatives grâeà l'e�et de serre qui repose sur la propriété du verre pratiquement opaque dansl'infra-rouge. Une isolation sur la fae arrière du apteur limite les pertes parondution.A partir de e dispositif de base, on trouve un grand nombre de systèmesplus ou moins performants liés à la qualité de l'absorbeur. Dans le as d'unapteur plan, le meilleur absorbeur n'est pas un orps noir, mais plut�t unesurfae séletive fortement absorbante dans le visible et faiblement émissivedans l'infra-rouge.En�n, pour réupérer la haleur et la transporter, on renontre di�érentstypes de �uides aloporteurs, parmi lesquels les plus ourants sont l'air et l'eau.L'avantage de es apteurs réside dans leur simpliité, leur faible oût, et le

52 Chapitre 3. Les apteurs solaires

Fig. 3.1 : Vue en oupe d'un apteur planfait qu'ils absorbent le rayonnement global (diret et di�us). Ils ne néessitentdon pas d'être orientés en permanene vers le soleil. Par ontre ils sont limitésen température ave une température de �uide maximum voisine de 100 ◦C[15℄.La tehnologie du apteur plan à eau est de loin la plus largement utiliséedans des appliations de Chau�e-Eau Solaire Individuel (CESI). Dans les asusuels, le rendement maximum du apteur ηcapt (rapport de l'énergie extraitepar le �uide aloporteur sur l'énergie solaire globale inidente) se situe entre60 et 80 %, et déroît quasiment linéairement lorsque la température du �uideroît.3.1.2 Appliations à la onversion solaire thermodyna-miqueOn trouve peu d'appliations de onversion thermodynamique de l'énergiesolaire à basse température < 100 ◦C. Une valeur faible de la températuremaximale du yle pénalise lourdement le rendement de Carnot (rendementthéorique maximum ηCarnot de onversion de l'énergie thermique en énergieméanique) :ηCarnot = 1 −

TFTC

(3.1)ave TC , température de la soure haude et TF la température du milieuextérieur.Le SUNPULSE, ommerialisé par BSR, fait �gure d'exeption. Il produitde l'életriité à partir de l'énergie solaire non onentrée [16℄ (�g. 5.4). Lalittérature sienti�que fait état de ré�exions et de quelques réalisations no-tamment dans le domaine du pompage solaire [3℄. SUNMACHINE développe

3.2 Les apteurs sous vide 53une mahine motrie destinée à des appliations de pompage. L'énergie nées-saire pour faire fontionner ette moto-pompe est l'énergie solaire illuminantdiretement et sans onentration le ouverle supérieur transparent [17℄ (�g.5.3). Une autre idée réente qui paraît séduisante onsiste à plaer un moteurthermique à basse température (75 ◦C) pour valoriser les surplus d'eau haudeproduite en été par les apteurs thermiques plans destinés à la produtiond'eau haude sanitaire et de hau�age dans les habitations. Dans e as le seulsuroût d'investissement est elui lié au moteur. Cette solution a fait l'objetd'une étude éonomique [18℄. Cette étude onsidère une maison résidentiellede 120 m2 habitée par 4 personnes. La maison, située en Midi-Pyrénées, estéquipée de 20 m2 de apteurs solaires plans permettant de ouvrir 72 % desbesoins annuels en eau haude sanitaire et de hau�age. Du mois de mars aumois d'otobre inlus, les apteurs produisent un exédent d'eau haude, quipermettrait de produire environ 1000 kWh d'énergie életrique. Au oût a-tuel du kWh életrique, ette prodution est bien trop faible pour qu'il y aitun intérêt éonomique quelonque à la valorisation énergétique de e surplusd'eau haude.3.2 Les apteurs sous vide3.2.1 Prinipe de fontionnementLe apteur sous vide (�g. 3.2) est la version la plus performante du ap-teur plan en raison du soin partiulier apporté à l'absorbeur, et surtout grâeà la diminution des pertes thermiques. En e�et, l'absorbeur est plaé à l'in-térieur d'une ampoule de verre ou de pyrex dans laquelle un vide poussé estréalisé (vide de l'ordre 10−3 Pa). Dans es onditions de vide, la plupart despertes thermiques par onvetion et ondution sont supprimées. Les pertesradiatives sont, omme dans la version de base, limitées grâe à l'e�et de serrede l'enveloppe de verre. Dans ertains as, une faible onentration solaire estréalisée, par l'intermédiaire d'un CPC (Conentrateur Parabolique Composé)ou grâe à un dép�t argenté sur une partie intérieure de l'enveloppe. L'énergieest réupérée soit diretement par un �uide aloporteur qui irule à l'intérieurde l'ampoule, ou par l'intermédiaire d'un alodu.L'intérêt de e type de apteur repose sur les performanes qui sont obte-nues. Les températures maximales atteintes sont voisines de 250 ◦C. Le ren-dement du apteur ηcapt est au maximum voisin de 80 % [9℄ et déroît enfontion de la température du �uide. Sa déroissane est ependant beauoup


Fig. 3.2 : Capteur sous videplus faible que pour un apteur plan, notamment ave de bonnes onditionsd'ensoleillement. L'inonvénient majeur est lié à la tehnologie "évoluée" dees systèmes, et don oûteuse. Toutefois, il apparaît depuis es dernières an-nées sur le marhé des apteurs sous vides fabriqués en grande série en Chine,ave des prix de vente plus attratifs.3.2.2 Appliations à la onversion solaire thermodyna-miqueOn trouve de nombreuses appliations de onversion solaire thermodyna-mique utilisant des apteurs sous vide. On les renontre essentiellement dansla gamme des puissanes élevées supérieure au MWe. Assoiés à des onentra-teurs ylindro-paraboliques, les apteurs sous vide jouent le r�le de l'absorbeur.Le �uide aloporteur utilisé varie selon les as. Sur une entrale de LUZ [3℄ de80 MW, le �uide aloporteur est une huile synthétique qui atteint 391 ◦C aveun rendement moyen annuel de onversion d'énergie radiative en haleur de 53%. Cette huile permet de produire de la vapeur à 100 105 Pa et 371 ◦C. Lesystème de onversion d'énergie solaire en életriité a, au �nal, un rendementglobal moyen annuel de 14 %.A Alméria en Espagne, le PSA DISS est une plateforme de test qui aété réalisée en 1997-1998 a�n d'expérimenter la génération direte de vapeurà l'intérieur des tubes sous vides [19℄. Le apteur alimenté en eau liquide à100 105 Pa permet de produire de la vapeur à 450 ◦C. Ave ette vapeur ilest possible de produire de l'életriité grâe à un yle de Rankine, ave un

3.3 Les apteurs à onentration 55rendement total de onversion solaire en életriité de 22,6 % [19℄.Les tubes sous vides paraissent a priori également adaptés à des gammesde puissanes bien inférieures, assoiés ou non à des onentrateurs. Dans lalittérature sienti�que réente, on trouve quelques exemples d'investigationssur ette voie. Un nouveau système de onversion solaire en életriité basé surun yle de Rankine utilisant omme �uide de travail du dioxyde de arbonesuperritique est à l'étude [20℄. Le système onsidéré est onstitué de 5 m2 deapteurs sous vide orientés vers le sud loalisés à Kyoto (Japon), une turbinede détente, deux éhangeurs de haleur l'un à haute température, l'autre àplus basse température étant un éhangeur ondenseur, et une pompe d'ali-mentation. Les températures de CO2 théoriques obtenues en sortie de apteursolaire sont évaluées en moyenne sur l'année à environ 180 ◦C. Les rendementsde onversion solaire en életriité sont évalués à 11,4 %. Les expérienes me-nées sur un prototype réalisé ave des tubes sous vide [21℄ ont permis d'obtenirdu CO2 superritique dans les tubes à une température de 165 ◦C, et une pres-sion de 9 MPa ave un rendement thermique de 65 %.3.3 Les apteurs à onentration3.3.1 Prinipe de fontionnementDans les systèmes à onentration, le rayonnement est reçu par une surfaede grande taille appelée surfae d'ouverture, puis dirigé vers un absorbeur desurfae plus petite. Ce résultat est obtenu grâe à une ou plusieurs ré�exionssur des miroirs, ou à des réfrations (à travers des prismes, ou lentilles). Ilprésente plusieurs avantages :� la diminution de la surfae de l'absorbeur se traduit par une baisse despertes thermiques qui sont proportionnelles à la surfae,� les rendements sont par onséquent plus élevés,� les températures obtenues varient d'une entaine de ◦C à plus de 4000◦C en fontion du taux de onentration.La onentration présente aussi des inonvénients :� sauf dans quelques rares as orrespondant à des faibles taux de onen-tration [9℄, seul le rayonnement diret est utilisé,� le apteur doit être pointé vers le soleil ave une préision plus ou moinsgrande au moyen de systèmes de suivi solaire, selon le degré de onen-tration,� les pertes optiques peuvent être importantes ar elles sont dues aux phé-

56 Chapitre 3. Les apteurs solairesnomènes de ré�exion (qualité des miroirs) ou de réfration, et aux ara-téristiques géométriques du système,� les pertes thermiques peuvent être augmentées à ause du niveau detempérature plus élevé de l'absorbeur,� es apteurs néessitent un entretien régulier a�n de onserver la qualitéoptique des miroirs soumis aux poussières et à l'oxydation de l'environ-nement.Le taux de onentration géométrique, est dé�ni par :αc =

AaAc

(3.2)ave Aa surfae d'ouverture, Ac surfae d'absorbeur.On renontre aussi un taux de onentration de rayonnement CR moinsutilisé dans la pratique, dé�ni par :CR =

EcEa

(3.3)ave Ea, l'élairement solaire reçu par la surfae d'ouverture (rayon perpen-diulaire à la surfae d'ouverture), Ec l'élairement moyen reçu par la surfaede l'absorbeur. Si on dé�nit les oe�ients optiques du miroir : ρ oe�ientde ré�exion, τ oe�ient de transmission et γ fateur d'intereption qui tientompte des défauts optiques du système, alors :CR = τργ αc (3.4)On onstate que, sans pertes optiques, le taux de onentration géométrique

αc et le taux de onentration de rayonnment CR sont égaux.Il existe di�érents systèmes de apteurs à onentration :� les onentrateurs linéaires, à deux dimensions,� les onentrateurs pontuels, à trois dimensions,� les onentrateurs paraboliques omposés,� les héliostats ou hamps de miroirs.3.3.2 Les onentrateurs linéairesIls onentrent le rayonnement autour d'une ligne. Ils sont omposés par dessurfaes ré�éhissantes ylindriques, ylindro-paraboliques ou oniques ainsique par des dispositifs réfrateurs à lentilles de Fresnel linéaire [22℄.Ils sont orientés vers le soleil grâe à des montures mobiles autour d'un oude deux axes :

3.3 Les apteurs à onentration 57� la monture est-ouest : elle permet une rotation autour d'un axe horizon-tal, a�n de suivre les variations de la hauteur du soleil au ours de lajournée. Le problème de e type de monture provient des angles d'ini-denes du rayonnement sur les miroirs qui peuvent être très faibles endébut et en �n de journée.� la monture parallèle à l'axe du monde (axe de rotation de la terre) tourneautour de et axe entre les positions extrêmes du lever et du ouher dusoleil,� La monture altazimutale, tourne autour de deux axes, l'un vertial,l'autre horizontal. Dans e as, le fontionnement est optimal, en ef-fet le rayonnement est toujours perpendiulaire à la surfae réeptriedu apteur.Les systèmes de poursuite simpli�és (mobiles autour d'un seul axe) ne per-mettent pas pour une même surfae d'ouverture de reueillir autant d'énergieque le système à poursuite intégrale (altazimutale) en raison de la rédutionde la surfae de aptation e�ae (e�et osinus), et la rédution de la onen-tration qui provient de l'élargissement de l'image du soleil.Les apteurs ylindro-paraboliquesLes apteurs ylindro-paraboliques ou PTC "Paraboli Trough Colletor"sont les onentrateurs linéaires les plus largement utilisés pour la onver-sion thermodynamique de l'énergie solaire dans des gammes de puis-sanes de plusieurs dizaines de MWth à quelques entaines de MWth.Les températures du travail varient de 270 à 550 ◦C selon les as. Les rende-ments de onversion de apteur ηcapt sont voisins de 70 % en régime nominal[23℄.Dans les installations existantes, la onversion solaire thermodynamiqueest réalisée selon le yle de Rankine. Nous avons déjà évoqué les entrales deLUZ [3℄ et la plateforme PSA DISS à Alméria en Espagne [19℄.L'utilisation de lentilles de Fresnel à onentration linéaire est beauoupmoins ourante, bien que quelques systèmes permettent la prodution d'éle-triité [24℄. C'est le as du système développé par Solarmundo repris par SPG[25℄ qui annone un rendement global de 10 à 12 % sur l'année (�g. 3.3).Une équipe d'une université d'Australie [24℄ a breveté en 1995 un systèmedit "CLFR" (Compat Linear Fresnel Re�etor), ave lequel le rendementglobal solaire életrique s'élèverait à 19 % sur une base annuelle. L'intérêt dees systèmes repose sur leurs oûts inférieurs aux systèmes PTC "Paraboli

58 Chapitre 3. Les apteurs solairesFig. 3.3 : Conentrateur linéaire SPGTrough Colletor".Parmi les onentrateurs linéaires, itons le onentrateur onique [22℄. Unonentrateur de e type a été réemment testé expérimentalement ave del'air omme �uide aloporteur [26℄. La température maximale de l'air obtenueen sortie du apteur est très peu supérieure à 80 ◦C et le rendement pour laonversion solaire en haleur s'élève au maximum à 84 % ave une températurede sortie d'air à 50 ◦C.3.3.3 Les onentrateurs pontuelsLes onentrateurs pontuels (à trois dimensions) reposent sur des dis-positifs ré�etifs qui présentent une symétrie de révolution, parabolique parexemple, autour d'un axe, ou sur des dispositifs réfrateurs à lentilles de Fres-nel irulaires [22℄. Ils onentrent le rayonnement autour d'un point. Ils sontorientés grâe à des montures mobiles autour de 2 axes :� la monture altazimutale,� la monture équatoriale : pour laquelle un des axes de rotation est parallèleà l'axe du monde, l'autre lui étant perpendiulaire.Le apteur parabolique de révolution est le onentrateur pontuel leplus utilisé pour la onversion solaire thermodynamique dans lagamme des faibles puissanes, en partiulier dans tous les systèmes Dish-Stirling. Les rendements de apteur ηcapt sont voisins de 75 %, les puissanesdes installations orrespondent à la gamme 1-100 kWth, les taux de onen-tration de 6000 à 10000 permettent d'obtenir des températures de travail de600 ◦C à 1200 ◦C [23℄.3.3.4 Les onentrateurs paraboliques omposésLes onentrateurs paraboliques omposés (CPC) sont des systèmes parti-uliers en e sens qu'ils ne forment pas d'image du soleil. A l'origine, ils ont

3.3 Les apteurs à onentration 59été développés pour des appliations de physique des hautes énergies. Ce n'estqu'à partir de 1974 qu'ils ont été utilisés pour la onentration solaire [9℄. Ilssont partiulièrement intéressants dans les systèmes à deux dimensions.

Fig. 3.4 : Prinipe du onentrateur parabolique omposéLe CPC (�g. 3.4) est omposé de deux ars de paraboles symétriques, BCet FC' [22℄. Le foyer de la parabole passant par B et C est situé en F et son axeOF est parallèle à BC' et fait un angle θC ave l'axe de symétrie. En C et enC' les tangentes aux ars de paraboles sont parallèles à l'axe de symétrie. Ensupposant les miroirs parfaits, les rayons qui font un angle θ < θC ave l'axede symétrie peuvent atteindre l'absorbeur FB, eux pour lesquels θ > θC sontrenvoyés vers l'extérieur. Le taux de onentration est dé�ni par :αC =

1

sin θC(3.5)Il existe ependant un inonvénient ; en e�et pour un même taux de onen-tration de 10 par exemple, la surfae de miroir du CPC sera deux fois plusimportante que pour un apteur ylindro-parabolique. La solution à e pro-blème onsiste à tronquer le CPC sans pour autant dégrader signi�ativementses performanes. Sur les systèmes réalisés les taux de onentration sont gé-néralement bas, dans la gamme de onentration de 1 à 15. Les températuresobtenues varient de 60 à 300 ◦C [15℄.

60 Chapitre 3. Les apteurs solairesLes appliations du CPC à la onversion solaire thermodynamique sontatuellement peu développées. Le CPC peut être assoié à des apteurs sousvide (�g. 3.5) ou enore à des onentrateurs linéaires (lentille de Fresnel li-néaire [25℄ ou onentrateur ylindro-parabolique [27℄) pour lequel il assure undeuxième étage de onentration. Les niveaux de température peuvent alorsdépasser 300 ◦C. Ces niveaux de température permettent de réaliser un ylemoteur, dont le rendement de Carnot serait voisin de 48 %.

Fig. 3.5 : Conentrateurs paraboliques omposés3.3.5 Les héliostats ou ré�eteurs plansDans beauoup d'installations à haute onentration, en partiulier les fourssolaires et les entrales à tour, on utilise des hamps d'héliostats (miroirs plans)qui dirigent le rayonnement solaire vers un point �xe. Ils doivent être orientésau ours de la journée par des systèmes de suivi solaire mobiles autour de2 axes (monture altazimutale par exemple). Dans ertains as, une deuxièmeré�exion est e�etuée dans un dispositif onvergent. C'est le as par exempledu four solaire d'Odeillo [3℄ [22℄. Les températures peuvent atteindre alors desmilliers de ◦C (1000-4000 ◦C).Dans les entrales à tour (�g. 3.6), le rayonnement solaire est diretementdirigé vers une avité réeptrie située en haut de la tour [2℄. Les températuresde travail atteignent 800 à 1200 ◦C.Même si les appliations ont été jusqu'ii plut�t exlusivement réservées audomaine des grandes puissanes supérieures au MW, on trouve quelques ré-�exions sur l'utilisation du prinipe des héliostats pour les faibles puissanes.Par exemple, un onentrateur basé sur e prinipe a été réalisé pour être ou-

3.3 Les apteurs à onentration 61

Fig. 3.6 : La tour de la entrale PS10 de Séville inaugurée en 2006plé ave un petit moteur Stirling [28℄. Il s'agit d'un système de 4 m2 onstituéde 121 miroirs de 250 mm par 150 mm. Les miroirs sont distribués sur onzerangées. Le taux de onentration obtenu est de 220 et les premiers essaisréalisés sont enourageants. On peut voir une photographie du système sur la�gure 3.7.

Fig. 3.7 : Prototype onentrateur

Chapitre 4Mahines génératries d'énergieméanique : état de l'art etinvestigations4.1 Classi�ationLes mahines génératries d'énergie méanique appartiennent à la grandefamille des onvertisseurs d'énergie [29℄. Elles peuvent être lassées en sous-ensembles distints selon la soure d'énergie utilisée : thermique, hydraulique,pneumatique, éolienne, életrique,. . . Nous nous intéresserons, ii, exlusive-ment aux systèmes "thermiques". Pour fontionner, es mahines réalisent unesu

ession ylique (dans le temps ou dans l'espae) de transformations sur un�uide de travail [30℄. Un yle thermodynamique peut être moteur ou réep-teur. Il est moteur s'il réalise la onversion d'énergie thermique en énergie mé-anique, il est réepteur dans le as ontraire. La su

ession des états du �uidedans une mahine thermique dérit une ourbe fermée dans un diagrammethermodynamique, omme le diagramme (T, s) par exemple. Dans ertains asomme pour les mahines à ombustion interne (moteurs alternatifs, turbinesà gaz à ombustion. . .) le yle se referme sur l'atmosphère : on parle de yleouvert. Cette ourbe est parourue dans le sens des aiguilles d'une montre sile yle est moteur et dans le sens inverse si le yle est réepteur (�g. 4.1)Selon le seond prinipe de la thermodynamique, le yle moteur se produitentre une soure haude (qui fournit de la haleur au yle) et une soure froide(qui prélève de la haleur au yle). On remarque (�g. 4.1) que le �uide subitnéessairement une ompression à basse température et une détente à hautetempérature. C'est l'inverse pour une mahine réeptrie. On peut don lasser

64 Chapitre 4. Mahines génératries d'énergie méanique

Fig. 4.1 : Cyle thermodynamiqueles mahines thermiques selon le type de mahines utilisées pour la ompressionet la détente. Dix ritères de lassi�ation ont été proposés [30℄ :� 1 : MOT, REC selon que l'on a une mahine motrie ou réeptrie� 2 : CD1, CD2 pour une seule eneinte ou deux eneintes distintes pourla ompression et la détente,� 3 : ROT, ALT, DYN selon le type de mahine de ompression et dedétente rotative, volumétrique alternative, dynamique. Dans l'absolu eritère s'applique séparément à la mahine de ompression et de détente.Dans la pratique il n'existe pas, à notre onnaissane, d'exemple onnude mahines motries pour lesquelles la mahine de ompression et dedétente sont de types di�érents.� 4 : OUV, FER selon que le yle est ouvert ou fermé� 5 : EXT, CBI selon que l'apport de haleur est externe ou par ombustioninterne� 6 : IHX, NIX selon la présene ou pas d'éhangeurs de haleur internes(réupérateur, régénérateur)� 7 : 1PH, 2PH selon que le �uide de travail reste monophasique, ou qu'ilest présent sous deux phases dans la mahine� 8 : NOV, VLV selon que les di�érents éléments sont onnetés dire-tement entre eux, ou par l'intermédiaire de lapets, soupapes, vannes,lumières,. . . En d'autres termes, la désignation VLV fait référene à desmahines à �ux disontinu.� 9 : HDP, LDP selon que l'amplitude des variations de pression au seindu �uide de travail est importante (HDP) ou non (LDP ou mahinesthermoaoustiques)� 10 : HDT, LDT selon que la di�érene de température entre les soures

4.2 Adaptation à la onversion solaire 65haude et froide du yle dépasse (HDT) ou non (LDT) une entaine dedegrés.A haun de es ritères peuvent être assoiés des avantages et des inonvé-nients. Ainsi par exemple la on�guration CD1 (une seule eneinte pour laompression et la détente) a l'avantage de la ompaité, mais l'inonvénientd'imposer le même rapport volumétrique pour la détente et pour la ompres-sion. Une mahine OUV, à yle ouvert, n'a pas d'éhangeur ave la sourefroide et don gagne en ompaité. Par ontre un yle fermé FER permetune pressurisation générale de la mahine, l'utilisation d'un autre �uide quel'air, éventuellement un �uide à hangement de phase (e qui réduit drasti-quement l'énergie méanique onsommée pour la ompression). Une mahineNOV (sans lapets ni soupapes) a l'avantage de la simpliité alors que la on�-guration VLV peut permettre une meilleure gestion de la irulation du �uidede travail.4.2 Adaptation de es ritères pour les mahinesdestinées à la onversion thermodynamiqued'énergie solaireA partir de la lassi�ation qui a été proposée pour les mahines thermiques,ertains ritères nous paraissent partiulièrement pertinents pour lasser lesmahines permettant la onversion de l'énergie solaire. Certains de es ri-tères sont, de fait, �xés. En e�et le système est forément un moteur "MOT".D'autre part, l'option CD1 n'a d'intérêt que pour augmenter la ompaité etla légèreté du système énergétique envisagé, généralement au détriment de sesperformanes. La ompaité ou la légèreté de l'installation n'étant pas un ri-tère prioritaire pour les systèmes de onversion de l'énergie solaire (a priori sta-tionnaire), nous ne retiendrons que l'option CD2. Nous hoisissons �nalement7 ritères modulables de la lassi�ation

Download - FFFFFFFFFFbibliothèque - IMT Mines Albidelatorr/these_proviso... · 2010. 10. 7. · Le moteur Stirling. 67 4.3.2 Exploration des v arian tes du moteur Stirling. 70 4.3.3 Le moteur

Top Related