concentrateursolaire

5/10/2018 concentrateursolaire - slidepdf.com

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Sommaire

I. Introduction :........................................................................................................ 2

II. Différents types de capteurs à concentration : .................................................... 31. Historique :....................................................................................................... 32. Réflecteur cylindro-parabolique : ..................................................................... 53. Réflecteur parabolique :................................................................................... 54. Centrale à tour : ............................................................................................... 65. Capteurs solaires fixes à concentration : ......................................................... 6

III. Dimensionnement d’un prototype : le capteur cylindro-parabolique :............... 71. Le réflecteur : ................................................................................................... 72. L’absorbeur :.................................................................................................... 8

IV. Détermination de l’écart de température du sur le fluide caloporteur dans lecadre d’un concentrateur cylindro-parabolique :......................................................... 9

1. Détermination du flux émis par le soleil et reçu par la parabole :..................... 92. Détermination de la température du fluide caloporteur en sortie duconcentrateur : ...................................................................................................... 12

V. Etude de coût : .................................................................................................. 141. Système de chauffage pour le bâtiment :....................................................... 14

2. Four solaire – cuiseur solaire : ....................................................................... 16

VI. Bibliographie : ................................................................................................ 17



Capteurs solaires à concentration

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I. Introduction :

Développer une alternative aux énergies « épuisables » comme le gaz ou lepétrole est un enjeu majeur du XXIe siècle. Eau, soleil, vent, végétaux, marées,

chaleur de la terre peuvent fournir de l'énergie. Une énergie propre qui favorise undéveloppement durable. Nous allons étudier plus particulièrement l’énergie solairequi permet de récupérer la chaleur du rayonnement solaire au sein d’un fluide,parfois de l’air, le plus souvent de l’eau, par la mise en œuvre de capteurs solaires.Ces techniques peuvent assurer la production d’eau chaude sanitaire ou d’eaudistillée, le chauffage des piscines et des habitations ainsi que le séchage decéréales, par exemple. Pour étudier l’énergie solaire, nous décrirons dans un premier temps les différents types de capteurs solaires à concentration. Puis, nousproposerons un prototype de l’installation nous déterminerons alors le gain detempérature reçu par un fluide caloporteur situé au foyer d’un concentrateur cylindro-parabolique. Enfin, nous considérerons les aspects économiques.




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II. Différents types de capteurs à concentration :

1. Historique :

L'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du cycle des saisons. Elleest donc à l'origine de richesses énergétiques telles que le charbon, le pétrole et legaz. L'énergie solaire est utilisée depuis de nombreux siècles, de façon plus oumoins indirecte pour, par exemple, chauffer.

Depuis l'antiquité, les hommes tentent d'exploiter l'énergie solaire pour desusages exclusivement matériels, tels que le chauffage. C'est aussi à cette époqueque jaillit l'idée d'une conversion de l'énergie solaire en énergie de pompage. Onretrouve cette idée dans les travaux d'Euclide, d'Archimède mais aussi de Hérond'Alexandrie. Le développement des ces techniques va se dérouler du Moyen-Age jusqu'à la Renaissance avec l'ajout du verre dans la réalisation de certaines

constructions ou bien encore l'étude des miroirs ardents ainsi que la construction despompes solaires par Salomon de Caus.

Il faut attendre le XXème siècle pour voir se développer aux États-Unis unesérie de travaux et de réalisations se rapportant à l'énergie solaire. Les laboratoiresde Bell Telephone (États-Unis) vont en 1954 mettre au point la première cellulephotovoltaïque de rendement acceptable (environ 6%), ce rendement sera par lasuite augmenté grâce à la découverte que la photosensibilité du silicium pouvait êtreaugmentée en ajoutant des impuretés et atteindra, au début des années 1960, 15%.

Lors de la course vers l'espace, les photopiles ont fait des progrès

intéressants. En effet les photopiles sont une solution idéale pour combler lesbesoins en électricité des satellites.

En 1973, suite au choc pétrolier, l'énergie solaire subit un essor considérable,c’est à partir de cette période que se développe le recours aux capteurs solaires àconcentration.

Un capteur à concentration est un capteur solaire comportant un systèmeoptique (réflecteur, lentilles, ...) destiné à concentrer sur l'absorbeur le rayonnementreçu (d’où le nom de capteur à concentration). Naturellement ces concentrateursdoivent suivre le mouvement du soleil. En utilisant des réflecteurs afin de concentrer les rayons du soleil sur l’absorbeur d’un capteur solaire, cela permet de diminuer grandement la taille de l’absorbeur, ce qui réduit les pertes de chaleur et augmenteson efficacité à hautes températures. Un autre avantage de ce système est que lesréflecteurs sont sensiblement moins coûteux, par unité de surface, que les capteurs.

Il existe quatre types de capteurs à concentration :

- Réflecteur cylindro-parabolique- Réflecteur parabolique- Centrale à tour

- Capteurs solaires fixes à concentration




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Les capteurs à concentration permettent d’obtenir une température élevée aufoyer, cependant ils n’utilisent que les rayons directs du soleil et il faut que lescapteurs soient orientés en permanence vers le soleil, on utilise en général pour celades systèmes asservis.




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2. Réflecteur cylindro-parabolique :

Un capteur cylindro-parabolique est un capteur à concentration à foyer linéaireutilisant un réflecteur cylindrique de section parabolique. Dans un concentrateur cylindro-parabolique, le fluide caloporteur (eau, huile thermique ou gaz) peut être

porté à environ 400 °C.

fig II.2.a

Systèmes à réflecteur cylindro-parabolique

3. Réflecteur parabolique :

Un capteur parabolique est un capteur à concentration utilisant un réflecteur en forme de parabole de révolution et qui concentre les rayons solaires dans unfoyer ponctuel. Dans les concentrateurs paraboliques, on peut obtenir destempératures élevées (jusqu’à 1500 °C).

fig II.3.a




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4. Centrale à tour :

Un héliostat utilise un ensemble de pointeurs solaires à double axe qui dirigel’énergie du soleil vers un grand absorbeur situé dans une tour. A ce jour, la seuleapplication du capteur héliostat est la production d’énergie dans un système

dénommé «centrale à tour». Une centrale à tour possède un ensemble de grandsmiroirs qui suit le mouvement du soleil. Les miroirs concentrent les rayons du soleilsur le récepteur en haut de la grande tour. Un ordinateur garde les miroirs alignésafin que les rayons du soleil, qui sont réfléchis, visent toujours le récepteur, où latempérature peut dépasser 1000 ºC. De la vapeur à haute pression est générée afinde produire de l’électricité.

fig II.4.a fig II.4.bSystème de centrale à tour

5. Capteurs solaires fixes à concentration :

Les capteurs fixes à concentration utilisent des réflecteurs à composésparaboliques ainsi que des réflecteurs plans afin d’orienter l’énergie solaire vers unabsorbeur d’accompagnement ou une fente à travers un important angled’admission. L’important angle d’admission pour ces réflecteurs élimine la nécessitéd’avoir un système de pointeur solaire. Ce type de capteur comprend des capteursplans à réflecteurs cylindro-paraboliques, des capteurs plans, avec des réflecteursparaboliques de surpression, ainsi que des cuisinières solaires. L’élaboration de cesdeux premiers capteurs a été réalisée en Suède. Les cuisinières solaires sontutilisées dans le monde entier, notamment dans les pays en développement.

Bien que l’énergie solaire est une solution d’avenir, la chute de l’entrepriseLUZ en 1992 (société israëlo-américaine, numéro un du solaire, qui était l'exploitantde neuf centrales thermiques solaires, d'une puissance totale de 350 MW, enCalifornie), remet en question la prise de conscience ces habitants vis à vis desénergies renouvelables.




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III. Dimensionnement d’un prototype : le capteur cylindro-parabolique :

fig III.1.a

1. Le réflecteur :

Le capteur doit permettre de transmettre le plus de chaleur possible aufluide. Pour cela, il faut que la plaque soit métallique car seuls les métaux ont debons coefficient de conduction de la chaleur (cuivre :300, aluminium :200, acier :60).En effet, plus le coefficient de conduction est faible et plus la plaque doit êtreépaisse, ce qui augmente le prix.

Le plus efficace serait une plaque d’inox avec une face polie miroir etprotégée par un film plastique.

Rayon du tuyau =1mmLongueur du tuyau1.2mPosition du foyer :30cm sur l’axe de laparabole.




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2. L’absorbeur :

Afin d’augmenter encore la température du liquide caloporteur, on utilisedes capteurs isolés avec vitrage. Pour cela, l’absorbeur doit être enfermer dans untube de verre vidé de son air (tout en laissant le rayon solaire entrer, la vitre

empêche les rayons infrarouges diffusés de sortir : on réalise ainsi « l’effet deserre »). Le verre, fragile, peut être remplacer par certains matériaux plastiquesayant la propriété de réaliser «l’effet de serre» (c’est le cas de matériaux comme lepolycarbonate, le méthacrylate et le tedlar). L’inconvénient principal des matériauxplastiques est la dégradation de certaines de leurs propriétés, avec le temps pour certains, ou le prix élevé pour d’autres.

Le foyer est un tube de 2 cm de diamètre, de même longueur que leréflecteur (1,20m). Il faudrait utiliser un tube de cuivre (bon coefficient de conduction)peint en noir, ce qui améliore le transfert de chaleur.

L’énergie est ensuite cédée au fluide caloporteur (le plus utilisé est l’eauauquel on ajoute un antigel ; l’huile est aussi beaucoup utilisé) et transférée vers unréservoir de stockage d’énergie.




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IV. Détermination de l’écart de température dusur le fluide caloporteur dans le cadre d’unconcentrateur cylindro-parabolique :

1. Détermination du flux émis par le soleil et reçu par laparabole :

Afin de déterminer le flux solaire reçu par la parabole nous avons besoin deconnaître l’angle entre la perpendiculaire à la courbe et le rayon incident. Nousavons besoins plus particulièrement de connaître le cosinus de cet angle.

Pour cela, appliquons deux fois le théorème d’Al-Kashi dans le triangle FNM :²=²+a²-2acos(i)avec =FMa=MNa²=2²-2²cos()a²=2²(1-cos())a=(2)(1-cos())0.5 cos(i)=a/2cos(i)=1/((2))*(1-cos())0.5

De plus, nous connaissons l’expression de en fonction de :=2pcos()/sin²()Ainsi que l’expression d’un élément de surface dS de la parabole : dS=-

p/sin3()d.

Fig IV.1.a

Afin de calculer la puissance, nous utilisons les paramètres géométriques quenous nous étions fixé.




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fig IV.1.b

Ainsi, la largeur de la parabole nous fixe une ouverture maximale (alpha et ro

c), et la présence au foyer d’un tuyau occulte de la lumière une partie de la surfacede la parabole. Connaissant le rayon du tuyau, nous pouvons aisément déterminer l’angle bêta.

Le calcul de la puissance reçue par le soleil fait intervenir le produit scalairedS.d, élément infinitésimal, de la parabole et du terme source. Pour effectuer cecalcul d’intégral, nous avons fait appel à Matlab, afin d’utiliser la méthode desrectangles. De plus nous effectuons le calcul sur une demie parabole (symétrie) etsur un élément de longueur dx (invariance par translation) ; pour avoir la puissancefinale il nous suffira de restituer la symétrie et l’invariance par translation.

L’algorithme de calcul est donc le suivant :

global p%parametre de la parabolep=0.1; %2p=ro min L=1.2; %longueur de la parabole l=1; %largeur de la parabole r=0.01;% rayon du tuyau au foyer de la parabole n=5000; %maillage lumin=1000; % puissance solaire maximale reçue au sol %Valeur des deux angles limites:

alpha=atan(sqrt(2*p/(l-p/2)));beta=atan(r/(2*p));%valeur de ro associé à l'angle limite alpharoc=2*p*cos(alpha)/(sin(alpha)*sin(alpha));%demi hauteur de la parabole:h=roc*sin(alpha);%demi section d'ouverture de la parabole:s=h*L;

%Calcul de la puissance réçu par une demi parabole (méthode des rectangles)dq=qq(alpha);%initialisation

for i=1:ndq=dq+qq(alpha+i/n*(beta-alpha));




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enddq=dq*(beta-alpha)/n;Q=dq*lumin*s;% restitution de la symétrie:Q=2*Q

Cet algorithme fait intervenir la fonction qq, qui est en fait le produit scalaire dS.d :

function y=qq(teta);global pqq=-sqrt(p)*sqrt((1-cos(teta))/cos(teta))/(sin(teta)*sin(teta))/2;

y=qq;

Nous obtenons le résultat suivant : P=257.9 W




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2. Détermination de la température du fluide caloporteur ensortie du concentrateur :

Maintenant que nous connaissons la puissance reçue par la parabole, nousadmettons que celle ci est intégralement transmise au tube se trouvant au foyer.

Nous allons maintenant déterminer le gain de température pour le fluidecaloporteur circulant dans la conduite.

En première approximation, le transfert de chaleur au niveau du tube est régipar l’équation (en régime permanent) :

Q)z²

T

x²

T](

z

TC^U +

+

=

²²

Avec U=U0 la vitesse (constante) du fluide.^ sa masse volumique.C, sa chaleur massique._, sa conductivité thermique.

Considérant d’ordre 1 tous les termes dans la direction de l’écoulement, etd’ordre `, tous les termes dans la direction normale à l’écoulement, cette équationdevient :

Pz²

T]

z

TC^U +

=

²

0²

=

+

z

TKQ

z²

T

]PQ =

]

CU^K =

z

Tu

=

Aexp(Kz)K

Qu +=

K

Aexp(Kz)K

AzK

QT(0)T(z) ++=

Détermination de la constante d’intégration A, en z=L, la variation detempérature est nulle :

Kexp(KL)

QA =




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Applications numériques :

Z=1.2 mPu=300 WV=3.77 10-6 m3 Tuyau de 1mm de rayon

U0=1m/s_=0.5 W/mKC=2400 J/kg^=1000kg/m3

Re=2000P=79,6 106W/m3

K=48 105 m-1 Q=159,2 106 K.m²A=0

D’où bT=28°C

Détermination des pertes de charges:

_=64/Re=0.032

bp=0.1 bar => pertes de négligeables.

Pour faire augmenter ou diminuer cet écart de température, nous pouvons jouer sur plusieurs paramètres :

• Le débit, plus il sera grand, plus l’écart de température sera faible (etles pertes de charges augmenteront).

• Le diamètre de notre tuyau : plus il sera faible plus l’écart detempérature sera grand (mais les pertes de charges aussi).

• On peut également tenter de construire un tuyau en serpentin afin quele fluide caloporteur passe plusieurs fois dans la ligne focale.

2g

U²

D

L_




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V. Etude de coût :

1. Système de chauffage pour le bâtiment :

Voici ce qu’un constructeur (paradigma) propose à ses clients. Paradigma

est un fournisseur de systèmes de chauffage sanitaire.

Le tube à vide Paradigma se compose de deux tubes concentriques enverre, fermés d'un côté par une extrémité de forme arrondie et soudés ensemble àl'autre extrémité. L'espace entre les deux tubes est vidé de son air ethermétiquement scellé, de façon à créer une isolation par le vide. Afin d'exploiter l'énergie du soleil, le tube intérieur est ensuite revêtu sur l'une de ses facesextérieures d'un revêtement hautement sélectif, qui en fait un absorbant.

fig V.1.a

Ce revêtement est ainsi disposé dans l'espace intérieur protégé par le vide. Ils'agit d'une couche de nitrure d'aluminium déposée par pulvérisation, qui secaractérise par une très faible émission et un excellent pouvoir d'absorption. A ladifférence d'autres types de collecteurs à tube, le vide se trouve toujours enfermédans une enveloppe de verre. Pour renforcer encore l'efficacité du tube, un réflecteur CPC (Concentrateur Parabolique Composé) résistant aux intempéries est disposéderrière le tube à vide. La géométrie particulière de ce réflecteur permet de garantir que la lumière directe et la lumière diffuse viennent frapper la couche absorbantemême si l'angle d'incidence n'est pas le plus favorable. Cette disposition permetd'améliorer le rendement énergétique de façon très importante.

fig V.1.b




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2. Four solaire – cuiseur solaire :Mueller Solartechnik est un fournisseur de four solaire pour les particuliers.

Plusieurs produits sont à la disposition de leurs clients :

•Parabole cuiseur solaire MS-ST5

Le cuiseur solaire MS-ST5 ressemble à n'importe quel cuiseur solairecependant il a une particularité qui est égale à celle utilisée par le four solaire deOdeillo dans les Pyrénées: au lieu d'avoir des segments de miroir rectangulaires, ilse compose de 80 ruptures qui produisent particulièrement chacune une réflexiontrapézoïdale sur le pot dont la plus grande à un diamètre de 12 cm. De cette façon,un petit récipient d'un litre sera suffisamment illuminé.

Le modèle coûte € 214,00 livré, monté. Toutes les indications se réfèrent à uneradiation de 1kW/m² lors d'un ciel dégagé et d'un emploi optimal de l'appareil et desmiroirs.

•Le nouveau cuiseur solaire cylindre parabolique MS-ST4Dans notre programme ce nouveau générateur solaire a été conçu selon le principedu fonctionnement d'une parabole. Un litre d'eau bout en moins d'une heure, si leréflecteur est propre et est aligné correctement.

Un générateur de ce type peut servir de gril à saucisses tout en s'assurantqu'aucune matière grasse ne tâche le miroir. La production énergétique s'élève à 460watts. Le prix TVA comprise s'élève € à 190,00 €. Toutes les indications se réfèrent àune radiation de 1kW/m² lors d'un ciel dégagé et d'un emploi optimal de l'appareil.




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VI. Bibliographie :

http://perso.wanadoo.fr/jean.boubour/captfr.htmhttp://www.energiesolaire.host.sk/http://www.mueller-solartechnik.de/

L’entreprise PardigmaCNRSTechniques de l’ingénieur

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