elaboration de cahier de charge pour un … · critère de justification du choix de...

Avant-projet sommaire d’une Centrale Hybride CPS/Diesel

THEME :

ELABORATION DE CAHIER DE CHARGE ELABORATION DE CAHIER DE CHARGE ELABORATION DE CAHIER DE CHARGE ELABORATION DE CAHIER DE CHARGE POUR UN CSP HYBRIDEPOUR UN CSP HYBRIDEPOUR UN CSP HYBRIDEPOUR UN CSP HYBRIDE

Membre de groupe Encadreur

FREITAS Hans DONGBE Rodrigue KABORE Serge Dimitri Dr. Yao AZOUMAH MUHIIRWA Bandu léon NSUNFO TIAM Jean Calvin

Etudiants en Master 2 Energie


Table des matières Introduction ............................................................................................................................................ 3

Étude géographique de Kamboisé ........................................................................................................... 4

Critère de justification du choix de l’emplacement de la centrale hydride sur le site de Kamboisé(K2) . 4

Les Principes de fonctionnement des capteurs Fresnel ............................................................................ 6

Les principes de fonctionnement d’une centrale solaire à concentration avec un générateur diesel (centrale hydride) .................................................................................................................................... 7

Description de la centrale Hybride CSP/Diesel ..................................................................................... 7

Qu'est-ce que le CSP? ...................................................................................................................... 7

Qu'est-ce que le groupe électrogène............................................................................................... 8

Le Cycle Organique de Rankine. ....................................................................................................... 9

Les principes d’une centrale solaire à miroir plan .................................................................................... 9

Le champ solaire .................................................................................................................................. 9

La concentration ............................................................................................................................ 10

La réception du rayonnement ........................................................................................................ 10

Le transport et le stockage de la chaleur. ....................................................................................... 10

La transformation thermoélectrique de l’énergie récoltée ............................................................. 11

Dimensionnement ................................................................................................................................. 11

Identification et dimensionnement des composants de la centrale. ....................................................... 11

Description du Processus de production Electrique du CSP ................................................................ 11

Dimensionnement des composants de la centrale CSP. ..................................................................... 13

Généralité. ..................................................................................................................................... 13

Choix du turbo alternateur à cycle organique de Rankine............................................................... 13

Dimensionnement du champ de capteur Solaire ............................................................................ 15

Choix et dimensionnement du tube absorbeur. ............................................................................. 17

Dimensionnement des conduites de circulation d’eau. .................................................................. 17

Choix et dimensionnement de la tour de Refroidissement ............................................................. 18

Fournisseurs des composants de la centrale CSP ............................................................................... 19

IMPACT ENVIRONNEMENTAL D’UNE CSP (de 40KW) à MIROIR DE FRESNEL ........................................... 19

Conclusion ............................................................................................................................................. 20

Bibliographie ......................................................................................................................................... 21


Introduction La croissance constante de la consommation d’énergie sous toutes ses formes et les effets polluants associés, principalement causés par la combustion des énergies fossiles, sont au cœur de la problématique du développement durable et du soin de l’environnement dans une discussion pour l’avenir de la planète. Le secteur de la génération électrique est le premier consommateur d’énergie primaire et les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles. Il est techniquement et économiquement capable de faire des efforts importants pour réduire les atteintes de l’activité humaine sur le climat et l’environnement. Une des possibilités est d’accroître le taux de production d’électricité à partir de ressources de type non-fossiles et renouvelables. D’autre part, le processus de libéralisation des marchés électriques, qui a démarré il y a quelques années, permet le développement d’une offre nouvelle pour la production d’électricité. Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas être raccordés au réseau de transport d’électricité, la connexion est alors faite directement au réseau de distribution. Ces comportements particuliers se sont progressivement développés et sont maintenant définis sous le nom de Génération Décentralisée. En effet, dans la plupart des pays en voie de développement les réseaux électriques existant, en concernent souvent exclusivement que les grands centres urbains. Les zones rurales sont donc souvent exclues, entravant ainsi leur développement. D’où la nécessité d’une génération décentralisée en utilisant le système hybride pour subvenir les besoins énergétiques. Les centrales solaire a concentrations, notamment celle les miroirs de Fresnel de par le coût inférieur des miroirs, sa conception facile et sa durabilité seront sans doute une solution adéquate pour des pays en voie de développement notamment les pays Africains qui font parties des régions les plus ensoleillées au monde. La quasi-totalité du continent Africain se trouve dans la ceinture solaire (régions typiques pour les CSP avec rayonnement solaire direct ‘Direct Normal Irradiation (DNI)’, d’au moins 2000 kWh/m2/an voir 2800kWh/m2/an pour les meilleurs sites) voir figure. Ce dans cette perspective que le 2iE à travers son Laboratoire Énergie Solaire et Économie d’Énergie (LESEE), veut mettre sur un CSP hydride base sur la technologie des miroirs de Fresnel sur le site de Kamboisé (situe au Burkina Faso, au nord de Ouagadougou). Notre travail consiste à élaborer un cahier de charge pour la CSP hydride, spécifiquement à indentification des différentes composantes de la centrale et leurs fournisseurs et à leurs dimensionnements. Ensuite effectuer une étude approfondie en fonction de l’aspect technico-économique et environnemental, de centrale hydride.


Fig 1. Source http://eosoeb.larc.nasa

Étude géographique de Kamboisé L’implantation de la centrale solaire pure hydride sur le site de kamboiséK2 nécessite une étude minutieuse et précise. Le choix de notre emplacement sera basé sur les cinq crinières suivantes :

L’ensoleillement de la zone (mesure obtenu par la station météo du site K2) La topographie de la zone (sa surface ne doit pas être trop accidentée) La présence d’eau a proximité pour le bon fonctionnement de la centrale Absence des zones d’ombre (arbres, bâtiments, etc.) Sa proximité au réseau de distribution (pour la réduction des pertes d’énergies due au

transport).

Critère de justification du choix de l’emplacement de la centrale hydride sur le site de Kamboisé(K2)

Ensoleillement

Un ensoleillement de 1800 kWh/m2/an est le seuil minimum estimé nécessaire pour implantation d’un CSP. D’après les données de la station météo située sur le site de Kamboisé, nous notons des ensoleillements moyens journaliers importants de


4.72 kWh/m².jr et Direct Normal Irradiation (DNI) moyen acceptable. (Voir tableau de bulletin de relevé de note). Cela nous laisse dire que le site de kamboisé pourrait bien accueillir en son sein l’implantation d’une centrale solaire à concentration. Mais néanmoins les données sont celle d’une seule années et il serait importants de mener a bien la collections des données pour avoir un ensoleillement du site sur plusieurs année.

Mois Rayonnement

Globale (W/m²) Rayonnement Diffus (W/m²)

Température (°C) HR(%)

Ensoleillements (kWh/m².jr)

janv-11 451,8 441,0 22,6 21,7 4,52 févr-11 440,6 356,1 28,7 15,6 4,41 mars-11 497,7 330,1 32,7 22,6 4,98 avr-11 499,8 353,9 33,4 26,5 5,00 mai-11 480,9 288,0 32,2 49,7 4,81 juin-11 463,8 304,5 29,7 63,5 4,64 juil-11 443,1 283,7 27,5 73,9 4,43

août-11 407,7 238,1 26,5 79,2 4,08 sept-11 480,7 304,7 27,7 73,6 4,81 oct-10 540,5 581,7 28,3 66,7 5,41 nov-10 472,0 452,1 28,1 41,6 4,72 déc-10 481,2 441,0 24,3 28,4 4,81

Ensoleillement moyen du site de Kamboinsin (kWh/m².jr) 4,72

Topographie Le site de kamboisé en générale a une pente moyenne de faible valeur (environ 0,11%) globalement dirigé vers l’est. Voir fig 2.

La présence d’eau à proximité

Ce critère est capital pour l’emplacement de notre centrale sur le site de kamboisé ceci pour assurer le renouvellement de l’eau au niveau notre tour de refroidissement et du réservoir de système.

Absence des zones d’ombre

Tout comme la présence d’eau à proximité, la centrale sera situé dans un espace totalement ouvert dépourvu de tout ombre (arbres, bâtiments ect.) ceci enfin d’éliminer tous facteurs pouvant perturber la rayonnement solaire au niveau de nos capteurs.

Sa proximité au réseau de distribution


Il est nécessaire d’étude ce critère ceci enfin de réduire les pertes en énergies due au transport.

En somme, la Centrale à concentration solaire, sera située dans une zone du site K2. Elle occupera une superficie de plus de 4000m², et sera à proximité d’une source d’eau pour les besoins de refroidissement, de renouvellement du fluide circulant dans le circuit primaire. C’est une zone situé à une distance moyenne de 100m des logements estudiantins, mais à 500m de la station hygrométrique. L’illustration est sur la photographie suivante :

Le choix a été fait en fonction de :

La proximité du point d’eau, la disponibilité de la réserve en eau L’éloignement par rapport au logement estudiantin pour des raisons de sécurité L’aplanissement ou topographie du terrain L’ensoleillement du milieu

Nous avions voulu porter le choix sur un site proche de la station hygrométrique, mais la disponibilité du point d’eau poserait une petite complication, du faite que ce point d’eau proche de site est déjà utilisé pour les besoins en eau des étudiants du site K3. Avec les récentes constructions, ses capacités ont été plus sollicitées et pour éviter des risques de contamination qui pourraient survenir il serait judicieux de l’éloigner quitte à dépenser dans le transport d’énergie.

Les Principes de fonctionnement des capteurs Fresnel Collecteurs à miroir de Fresnel est composé des capteurs plans orientés suivants un axe Nord-Sud mobile de façon à suivre la course du solaire tout en le long de la journée qui concentrent le rayonnement solaire vers un tube absorbeur se trouvant en hauteur. Le fluide caloporteur s'écoule à travers les récepteurs et se chauffe et/ou se vaporise en circulant dans ce tube horizontal. L’énergie solaire est transmise au fluide caloporteur (eau), il se transforme progressivement en vapeur. Comme tout corps qui s’échauffe, l’absorbeur émet un

Topographie du sol avec une pente environ 0.11%

Forage existant


rayonnement sous forme d’infrarouge qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant. Le principe est donc comparable à celui des collecteurs cylindro-paraboliques mais cette technologie permet de réduire les coûts grâce à une structure simplifiée et l’utilisation de miroirs plans. Avantage :

Les miroirs plans sont plus simples à fabriquer et meilleur marché que les paraboliques et cylindro-paraboliques Moins de prise au vent, infrastructure moins importante qu’une centrale à capteurs cylindro-paraboliques

Inconvénients : Performances optiques inférieures d’environ 30% par rapport aux réflecteurs paraboliques et cylindro-paraboliques

Les principes de fonctionnement d’une centrale solaire à concentration avec un générateur diesel (centrale hydride)

Description de la centrale Hybride CSP/Diesel

Qu'est-ce que le CSP?

Les CSP (Centrale Solaire Pure) sont des systèmes de production de chaleur et/ou d'électricité utilisant des centaines de miroirs pour concentrer les rayons du soleil vers un tube appelé collecteur. Cela permet d’atteindre des températures de fluide caloporteurs allant de 100 à 1000 º C. Il existe deux grandes familles de collecteurs :


1) Les collecteurs simples: il s’agit principalement de collecteurs plats ou munis de tube sous vide. Ces systèmes ne permettent d’atteindre que des températures de l’ordre de 150°C. Ces collecteurs sont souvent utilisés pour le chauffage et la production d’eau à faible température (90°C100°C) mais elle pourrait aussi être utilisée pour produire de l’électricité à l’aide d’un cycle organique de Rankine (ORC).

2) Les collecteurs à concentration : Ces collecteurs sont composés d’un réflecteur asservi qui suit le trajet du soleil et un tube contenant le fluide caloporteur. Le principe de fonctionnement est assez simple : la lumière est réfléchie par le réflecteur vers le tube qui se trouve sur sa focale. Il existe plusieurs types de concentrateurs :

o Collecteurs à miroirs cylindroparaboliques o Collecteurs à miroir de Fresnel o Collecteurs paraboliques o Tour solaire

Qu'est-ce qu’un groupe électrogène

Un groupe électrogène est un dispositif autonome capable de produire de l'électricité. La plupart des groupes sont constitués d'un moteur thermique qui actionne un alternateur. La puissance d'un groupe électrogène s'exprime en VA (Volt Ampère), kVA (kilo Volt Ampère) ou MVA (méga Volt Ampère) selon la puissance.

Les groupes électrogènes sont utilisés soit dans les zones que le réseau de distribution électrique ne dessert pas, soit pour pallier une éventuelle coupure d'alimentation électrique.

Généralité

La centrale électrique à implanter sur le site K2 du 2iE à Kamboisé est une centrale hybride composée d’un Centrale solaire à concentration (CSP) de type collecteur à miroir de Fresnel devant produire une puissance de 40 kWe et d’un groupe électrogène Diesel de 100 kVA.

Les deux générateurs sont couplés et permettent 3 trois modes de production électrique :

- CSP uniquement (Ensoleillement suffisant) - Groupe Electrogène uniquement (Absence d’ensoleillement) - Groupe Electrogène + CSP (Ensoleillement insuffisant ou forte demande)

Le besoin d’un groupe électrogène qui sera couplé à la centrale thermique solaire (CSP) se justifie par le fait que la production de la centrale solaire est assujettie à la présence d’ensoleillement. En cas d’absence ou d’insuffisance d’ensoleillement, la centrale thermique sera incapable de couvrir les besoins électriques. Le groupe électrogène viendra alors en secours pour assurer la continuité du service. La puissance imposée du groupe électrogène est de 100 KVA. Le groupe et la centrale solaire sont couplés ensemble à l’aide d’un système de jeux de barre qui permet de choisir le mode de fonctionnement voulue. Il est envisageable revalorisé les pertes thermiques à l’échappement du groupe pour une utilisation dans le cycle Organique de Rankine afin d’améliorer le rendement global du système.


Le Cycle Organique de Rankine.

La transformation de la puissance thermique en puissance mécanique se fera grâce à une turbine à Cycle Organique de Rankine (ORC). Dans le cycle organique de Rankine on utilise la détente d’un fluide de travail à grande masse molaire pour produire de l’énergie mécanique dans la turbine. La détente d’un tel fluide est plus efficace que celle de la vapeur d’eau à petit échelle (La puissance mécanique relativement faible inférieur 1 MW).

Le champ solaire produit de la vapeur d’eau saturante surchauffée à une température entre 200°C et 250°C. Cette vapeur est envoyée dans un échangeur permettant la vaporisation du fluide de travail (évaporateur).

Le fluide sous pression qui est vaporisé dans l’évaporateur est injecté dans la turbine. Après une détente dans la turbine, le fluide traverse un régénérateur pour son pré refroidissement puis un condenseur où il perd sa chaleur latente en se condensant. Une fois condensé, le fluide de travail est comprimé et passe par le régénérateur, dernière étape du cycle.

L’utilisation d’une turbine à cycle de Rankine est particulièrement intéressante pour le CPS à implanter Kamboinsé compte tenu du niveau de puissance électrique à produire (40 KWe).

Les principes d’une centrale solaire à miroir plan

Un système solaire thermodynamique ou centrale solaire à concentration est l’ensemble des techniques qui visent à transformer l’énergie rayonnée par le soleil en chaleur à température élevée puis celleci en énergie mécanique (et ensuite en énergie électrique) à travers un cycle thermodynamique avec la meilleure efficacité possible. L'installation typique est constituée de trois éléments principaux : le champ solaire, le système de transfert de la chaleur et le système de génération électrique.

Le champ solaire Le champ solaire est la partie réceptrice de l'installation : la radiation solaire y est transformée en énergie thermique. Sa taille dépend de la puissance désirée et de la température du fluide caloporteur en sortie.


La concentration Elle est assurée par les collecteurs qui sont des composants de base du champ solaire. On va mettre en place des miroirs plan, mobile orienté suivant un axe NordSud permet de concentré les rayonnements solaire le long de la journée sur un tube récepteur fixe. (Pour assurer le mouvement de suivi du soleil on va monter les miroirs plans sur dispositif permettant de suivre la course du soleil « des tracteurs solaire »).

La réception du rayonnement Le réception de flux solaire est assuré par un tube absorbeur fixe situé a environ 7 à 8 mètres de haut par rapport au miroir plan. Dans ce tube absorbeur circulent de l’eau chauffé jusqu’à vaporisation complète. A la sortie du tube absorbeur, nous avons de la vapeur saturante et surchauffé d’une température de l’ordre de 200°C à 250°C qui sera utilisé pour faire fonctionner une turbine à Cycle Organique de Rankine (ORC).

Le transport et le stockage de la chaleur.

Le transport de la chaleur (vapeur saturante et surchauffé) s’effectue de la sortie du tube récepteur fixe, aux canaux en acier inox isolé vers la turbine à Cycle Organique de Rankine (ORC). Le réel problème pour les CSP est le stockage de chaleur. De façon générale, les différentes réalisations classées dans cette filière ont toutes, jusqu’à aujourd’hui, utilisé comme fluide caloporteur (et éventuellement calostockeur) des huiles de synthèse ou des huiles minérales de différentes provenances et de différentes performances. Toutes ces huiles ont en commun les qualités suivantes :

état liquide pour toutes les températures utiles, capacité calorifique convenable autorisant le stockage à chaleur sensible dans de bonnes

conditions, viscosité suffisamment faible pour un pompage aisé sous climat chaud.

Mais dans notre projet, compte tenu du fait qu’on a une centrale hydride, on n’aura pas besoins de faire du stockage de chaleur. En cas de déficience du rendement de production démangé (passage nuageux, heure d’ensoleillement basse) par CSP, la générateur diésel couplé par un jeu de barre au réseau permet d'assurer une production continue.


La transformation thermoélectrique de l’énergie récoltée Cette transformation se fait le plus souvent de manière tout à fait conventionnelle grâce à une turbine à vapeur d’eau couplée à un alternateur. Comme nous avons une puissance de 40 kWe à la sortir de l’alternateur, on va utiliser un cycle de Rankine organique.

Dimensionnement

Le dimensionnement de notre centrale consiste a tout d’abord a identification des différents composants du système ainsi que leurs fournisseurs diverses. Ceci enfin d’assurer le bon fonctionnement de notre système.

Identification et dimensionnement des composants de la centrale.

Description du Processus de production Electrique du CSP La centrale CSP à miroir de Fresnel transforme d’énergie thermique capté sur le champ solaire en énergie mécanique grâce à une turbine à cycle organique de Rankine (ORC). La puissance mécanique produite par la turbine est transmise à un alternateur qui transforme cette puissance mécanique en puissance Electrique. Les performances de la centrale dépendent du bon dimensionnement des composants de la centrale afin de récupérer le plus d’énergie possible à chaque transformation.

La Partie CSP de la centrale comporte trois circuits de fluide distincts échangeant uniquement de la chaleur :

Le circuit de fluide caloporteur transporte la vapeur d’eau produite dans le tube absorbeur au niveau du champ solaire jusqu’à l’évaporateur de la turbine ORC. Là il cède sa chaleur au fluide de travail une première fois pour vaporiser ce dernier. Après cette étape le fluide caloporteur passe par le régénérateur pour préchauffer le fluide travail venant du condenseur de la machine ORC. Après cette étape la vapeur d’eau condensée est envoyée dans un réservoir où il sera refoulé à l’aide d’une pompe dans le tube absorbeur.

Le circuit de fluide travail transport un fluide frigorigène dont les changements de phase permet la production de la puissance mécanique au niveau de la turbine. (Voir description du cycle organique de Rankine)

Le circuit de fluide de refroidissement transporte de l’eau passant par le condenseur de la machine à cycle de Rankine pour y récupérer la chaleur latente de condensation du fluide de travail. Un fois passé dans le condenseur, l’eau est envoyée dans une tour de refroidissement à eau en circuit pour y être pulvérisé afin


de libérer la chaleur latente de vaporisation absorbé au condenseur de la machine ORC.

Sur le circuit de fluide caloporteur il sera installé une récupérateur de chaleur à l’échappement du groupe Diesel afin de revaloriser la chaleur contenue dans les fumée d’échappement. Le récupérateur sera placé après la pompe de refoulement dans le circuit de fluide caloporteur. Ainsi en cogénération l’eau condensé contenué dans le réservoir est réfoulé par la pompe. Elle passe par le récupérateur où elle est préchauffé avant d’être envoyé dans le tube absorbeur. Quand le groupe ne fonctionnement pas la récupérateur est shunté grâce à une vanne à trois voies et une clapet anti-retour placé respectivement à l’entrée et à la sortie du récupérateur. (voir Annexe1).


Dimensionnement des composants de la centrale CSP.

Généralité.

La puissance électrique nette qui devra être produite pour la centrale CSP est de 40 Kw. La centrale comporte des équipements auxilliaires qui fonctiomment à l’électricité. Il faudra alors prévoir la part de puissance consommé par ces équipement auxilliaires. Nous estimons à 7% de la puissance nette produite par la centrale, la part de puissance consommé par les équipements auxilliaire. Cela nous ramène à une puissance Brute à produite d’environ 42,8 Kwe.

Choix du turbo alternateur à cycle organique de Rankine

La machine à cycle organique de Rankine constitue le cœur du système. Cela implique que sont choix influe beaucoup sur les choix de autres composants du circuit. Il est donc le composant qui doit être choisie en premier. La plus part des machines à cycles de Rankine sont constitué d’une turbine déjà couplé à un alternateur.

Le critère de choix le plus essentiel pour le choix de la machine à cycle de rankine est la puissance nominal électrique produite par le turbo-alternateur. Ainsi dans notre cas notre choix portera sur une machine ayant une puissance nominal d’environ 48 Kwe.

La machine qui à été indentifier pour être intallé dans notre système est un turbo alternateur Green Machine Series 4000 de marque Electratherm.


Caractéristique du Green Machine Series 4000

Puissance Electrique Nominal : 30-65 KW à 380-500V/3 phase/50-60

hz Facteur de puissance : 97% Type d’alternateur : A induction Type de Turbine : Turbine à Vis jumellé Rendment de la Turbine : 75% Rendement de l’alternateur : 91% Rendement thermodynamique global : >8% (fonction de ΔT entre les sources

chaudes et froides)

Fluide de Travail : R245FA (PentaFluoropropane) Source chaude : Eau chaude à 88-116°C Températeur de refroidissement : Eau à 4-38°C Dimensions (largeur x longueur x hauteur) : 198 cm x 244 cm x 226 cm Poids 2 495-2 950 Kg Niveau d’emission de CO2 : Zéro

Paramètre de fonctionnement de la Centrale à pour une puissance à 48 Kwe

Le rendement minimal thermodynamique de la Machine ORC est de 8%.

Pour une puissance de 48 Kwel à produire la puissance mécanique produite par le cycle sera alors égale à:

Pm=48/(0,75*0,91) = 70,33 KW

La puissance thermique à fournir dans le cycle sera alors égale à:

Pth=48/(0,08*0,91*0,75) = 879,13 KWth

La puissance thermique est fournir par del’eau chaude à une température de 110°C. Le débit volumique du fluide caloporteur circulant dans le circuit est de 12l/s.

Pour le dimensionnement de notre système, nous admettrons 5% de pertes thermique globale. Cela nous donne une puissance brute thermique à produire égale à :

Pthg = Pth*(1+0,05) = 879,13*1,05= 923,08 KW th

La variation de température est dans ces conditions sera :

ΔΔΔΔT= Pthg /(Cp*ṁ)= 923,08/(4,18*12)= 18,40°C

Pour une température à la sortit tu tube absorbeur de 110°C l’eau reviendra dans le tube absorbeur à une température 91,6°C

Dans ces condiotions de condition de fonctionnement de la machine ORC, la puissance thermique à retirer au condenseur se donc égal à :


,=,−,=−=

Paramètre de Fonctionnement du CSP Puissance Electrique

Paramètre de la source chaude Paramètre de

refroidissement

KWe Temp(°C) Puissance (KWth)

Débit (l/s) Temp source

froide (°C)

Puissance réjetée(KWth)

48 110 879,13 12 25 808,8

Dimensionnement du champ de capteur Solaire

La ressource solaire.

D’après les données relevées dans la station de météorologie implantée par le LESEE sur le site K2 nous avons les valeurs d’ensoleillement moyen mensuel ci-dessous

Mois GHI(W/m²) DNI(W/m²) Janvier 451,8 441,0 Février 440,6 356,1 Mars 497,7 330,1 Avril 499,8 353,9 Mai 480,9 288,0 Juin 463,8 304,5 Juillet 443,1 283,7 Août 407,7 238,1 Septembre 480,7 304,7 Octobre 540,5 581,7 Novembre 472,0 452,1 Décembre 481,2 441,0 Moyenne annuelle 471,7 364,6

.

Choix et dimensionnement des champs de miroir de Fresnel

Le champ de miroir de Fresnel choisi pour la production de la puissance thermique nécessaire au fonctionnement de la centrale est le module NOVA-1 du constructeur NOVATECH.

Le rendement optique aux conditions de référence1 données par le constructeur du module est d’environ 60,21%.

1

40 °C températureambiante

Tableau 2 : Valeurs d’ensoleillement mensuel sur site K2


Calculons la surface de miroir à installer pour obtenir la puissance thermique brute

Données :

Pthg= 923,08 KW th

ηopt = 60,21 %

DNI = 364, 6 W/m²

A(m²) = PA(m²) = PA(m²) = PA(m²) = Pthg thg thg thg /( /( /( /( ηηηηoptoptoptopt*DNI) *DNI) *DNI) *DNI) ⇒ A= 923, 08 /(0,6021*0,3646) =4204,88 m⇒ A= 923, 08 /(0,6021*0,3646) =4204,88 m⇒ A= 923, 08 /(0,6021*0,3646) =4204,88 m⇒ A= 923, 08 /(0,6021*0,3646) =4204,88 m²²²²

A=A=A=A=4204,884204,884204,884204,88m²m²m²m²

Le module NOVA-1 à une surface de réflexion primaire de 513,6 m cela nous permet de calculer le nombre total de module nécessaire.

NNNNmodulemodulemodulemodule====4204,88 4204,88 4204,88 4204,88 /513,36 = /513,36 = /513,36 = /513,36 = 8,188,188,188,18 modulesmodulesmodulesmodules

Nous ramènerons ce nombre à 8 modules soit une surface totale de réflecteurs de 4108,8 m².4108,8 m².4108,8 m².4108,8 m².

Configuration du champ de réflecteur.

Il existe 4 modes de configuration possible d’installations des modules de réflecteur.

ConfigurationConfigurationConfigurationConfiguration Longueur Longueur Longueur Longueur du champdu champdu champdu champ

Largeur du Largeur du Largeur du Largeur du champchampchampchamp

DébitDébitDébitDébit CCCCommentaireommentaireommentaireommentaire

1 string de 8 modules en série

359,4 m 16,56 m 12 l/S Longueur du champ très important.

Sensibilité à la pente Perte thermique dans le tube de retour importante

2 strings de 4 modules en série

179,2 m 38,12 m 6 l/s dans par string

Longueur du champ assez important

Sensibilité à la pente du terrain

4 strings de 2 modules en série

89,6 m 81,24 m 3 l/s par string

Bonne répartition spatial des modules

Correction de • 100 °C température de fluide entrant • 270 °C températurede fluide sortant • 278 KW de puissance thermique produite • 900 W/m² direct normal radiation • 30 ° au zénith

• 10 ° à l’azimut


répartition des débits et perte de charge.

8 strings de 1 module

44,8 m 167,48m 1,5 l/s par

String

Déséquilibre de pression dans les tubes absorbeur

Largeur trop important

La configuration de 4 string de 2 modules en série est la configuration la mieux adapter pour notre central. Cette configuration offre une meilleure occupation du terrain. En plus il n’est pas nécessaire d’effectuer trop de travaux de nivellement pour l’implantation des modules.

Choix et dimensionnement du tube absorbeur.

Le tube absorbeur retenue pour le projet est le tube absorbeur SCHOTT PTR 70. Le tube est composé d’un tube absorbeur est acier avec une absorptance de 95 % et d’une émissivité de moins de 10%. Le Diamètre de ce tube est de 70 mm. Le tube d’acier est enveloppé dans un tube de verre à vide de 125mm de diamètre extérieur. Le coefficient de transmission du tube de verre est de 96%. Pour notre projet il faut une longueur totale de tube absorbeur d’environ 360 m

Estimation des pertes thermique dans le tube absorbeur.

Les pertes au niveau du tube absorbeur sont d’essentiellement des pertes par rayonnement. Pour estimer ces pertes nous avons estimons l’émissivité du tube absorbeur à 10%. La température ambiant est d’environ estimé est d’environ 35°C la température moyenne du fluide dans le tube égale à Tm = (110-93,6) = 101,8 °C.

Pray(W/m)= ε*σ*S*(Tm4 – Tam4)

Pray= 0,01*5.670 × 10-8 *0,07*3,14*(374,954-308,154)=13,40 W/m

Pray= 13,40 W/m

La puissance total perdu par rayonnement dans le tube absorbeur est estimé à

Ptray=390*13,40= 5226,7 W soit environ 0,63% de la puissance global thermique

Dimensionnement des conduites de circulation d’eau.

A la sortie du tube absorbeur l’eau chaude suivra des conduites en acier inoxydable pour rejoindre la machine ORC et ensuite revenir au tube absorbeur. Le diamètre de tube de circulation d’eau est de 70mm. La longueur total de tube pour l’installation est estimé àLa conductivité thermique de l’acier est de 44 W/m K


Choix et dimensionnement de la tour de Refroidissement

Puissance à extraire à l’absorbeur = 808,17 KW

Température d’eau de refroidissement = 25°C

Le condenseur de la machine ORC de notre centrale condense le fluide de travail issu de la détente dans la turbine. Pour condenser le fluide de travail il faut lui retirer sa chaleur latente de vaporisation. Cela implique un rejet de puissance thermique dans le condenseur qui doit être dissipé dans le milieu extérieur. Pour réaliser cette action nous avons décidé d’utilisé un système de refroidissement à eau. Cela consiste à faire passer de l’eau dans le condenseur à un débit approprié. Cette eau sera refroidie dans une tour de refroidissement. Il en existe de deux types essentiellement :

Les tours ouvertes Les tours fermées

Avantages Inconvénients Tour ouverte

Plus efficace Moins encombrant Moins chère

Risque de corrosion Introduction de grain de sable et

poussière.

Tour Fermé Pas de corrosion Protéger contre la

poussière

Plus encombrant Faible efficacité relative Cout relativement élevé

Pour le choix de notre tour de refroidissement, nous optons pour une tour ouvert plus performante et relativement moins chère. Pour la protection contre les poussières et la corrosion il suffit d’utilisé des conduites en plastiques et de protéger les équipements sensibles (pompe, Echangeur) à la présence d’impuretés dans l’eau de refroidissement en installant des crépines et des filtres.

Nous choisissons la tour de refroidissement KT 800 MULTI. La puissance nominale de refroidissement de cette tour est de 1015 KW. Le débit nominal d’eau de la tour de refroidissement est de 175m3/h.

Calculons la variation de température de l’eau de refroidissement

ΔT= Pr/(Cp*ṁeau)= 808,8 /(4,18*40,6) =4,76°C


Fournisseurs des composants de la centrale CSP

composants Fournisseurs Module de miroir de Fresnel NOVATECH SOLAR (Allemagne)

Tube récepteur fixe SCHOTT (Allemagne) Tour de refroidissement MULTI (Allemagne) Pompe suppresseur GRUNDFOS (France) Echangeur de chaleur / Machine à ORC ELECTRATHERME (USA) Cannaux acier inox POUCHARD (France) Générateur dièsiel 100 kVA GERSET (France)

IMPACT ENVIRONNEMENTAL D’UNE CSP (de 40KW) à MIROIR DE FRESNEL

L'impact environnemental constitue aujourd'hui un critère de choix important dans la Sélection de technologies concurrentes. Compte tenu du fait de l’absence de déplacement de population, de la semi-déserté du site, d’absence de risque de contamination des nappes d’eau environnante, nous pouvons dire que la présente construction n’affecte pas grandement l’environnement. Cependant des travaux de mouvement de terre, le transport des câbles électriques pourrait pousser à une légère destruction du couvert végétal. Les opérations d’entretien à savoir, débroussaillement, exploitation de la ligne sont aussi des risques de destructions du couvert végétal. Nous avons aussi l’impact de la combustion de diesel sur la qualité de l’air locale, mais notons que cet impact est minime car le générateur diésel devrait emmètre moins de CO2 dans la nature vue qu’un système de récupération de la chaleur au niveau de l’échappement permet non seulement à améliorer l’efficacité du système mais aussi d’une façon indirecte a réduire le taux de polluants. Néanmoins la réduction des gaz à effet de serre procurer par l’utilisation du solaire, la réduction de la consommation électrique du site de kamboinsin, l’utilisation d’énergie propre, l’inscription du projet dans le cadre du développement durable, la création d’un site d’intérêt touristique du faite de l’innovation et de la première du projet sont des avantages assez pertinents pour concevoir une telle technologie.


Conclusion

En définitif sur notre travail, nous constatons que la ressource solaire est abondante en Afrique qui reste paradoxalement pauvre sur plusieurs plans et surtout sur le plan énergétique. La raréfaction des ressources énergétiques fossiles et de la demande sans cesse croissante en énergie obligent les uns et les autres à se tourner vers des nouvelles sources d’énergie dites Renouvelables tels que les centrales solaires à concentration. Etant donné que les énergies fossiles possèdent un rendement considerable en produisant de l’énergie secondaire, d’où la nécessité d’utiliser un système hybride pour répondre à besoins énergétique. Il est donc aujourd’hui impératif de réfléchir sur ces nouvelles technologies pour pouvoir réduire considérablement les coûts d’investissements et permettre ainsi une appropriation de ce type de technologie aussi bien par les pays du Nord que par ceux du Sud. Il s’agira donc d’une option réaliste et prometteuse qui mérite d’être soutenue par les principaux organismes de recherche et les Etats africains qui doivent maîtriser la demande énergétique du continent, l’efficacité énergétique, évaluer les impacts environnementaux des projets énergétiques et la réduction des émissions de gaz à effet de serre à la source et enfin la maitrise de la géopolitique mondiale de l’énergie.


Bibliographie

Dr. Yao AZOUMAH, cours Solaire Thermique, Master 2 au 2iE, 2009/2010

Cours sur les centrales solaires à concentration, Université de Liège Faculté des sciences appliquées

Pr. Yézoumah COULIBALY. LES CYCLES ET MACHINES A VAPEUR D’EAU cours photocopié, 20082009.

Energies renouvelables : Le Maroc apprécié pour son savoir faire, http://www.lematin.ma/Actualite/Express/Article.asp?id=125546 Quoilin Sylvain, les centrales solaires à concentration, SQ70925, mai 2007, www.labothap.ulg.ac.be.

www.solitem.de

http://www.dlr.de/ET/ff_rinne.htm http://www.ag-solar.de/de/themen/projekt.asp

www.fabrikderzukunft.at)


ANNEXE 1

Schémas du système CSP


ANNEXE 2 : Caractéristique du Module NOVA-1


ANNEXE 3 : Corrélation de calcul du rendement optique des miroirs

elaboration de cahier de charge pour un … · critère de justification du choix de...

Documents