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CHAPITRE V Éléments de la mutualisation énergétique

Introduction

La consommation de la maquette émulant des héliostats d’une centrale solaire hélio-thermodynamique à tour, dans tous leurs états (veille, poursuite, hautes vitesses...) permet de définir un profil énergétique annuel, grâce aux équations de rotation des axes qui ont été établies au chapitre III. Les meilleures commandes pour la minimisation de la consommation en poursuite ont été déterminées dans le chapitre IV. Sur un héliostat, en général, deux hacheurs sont utilisés et il a été en particulier mis en évidence l’importance du convertisseur statique dans la consommation globale.

Dans ce dernier chapitre, le bénéfice du concept de mutualisation de l’alimentation des deux axes est évalué. Il s’agit ici de remplacer la structure classique d’un convertisseur par axe, par une structure nouvelle, avec un seul hacheur pour les deux axes plus un dispositif d’aiguillage. Pour valider cette solution innovante, les profils annuels d’un héliostat équipé d’un seul hacheur et d’un héliostat équipé de deux hacheurs seront comparés. Le dimensionnement du générateur solaire et du stockage peut ensuite être mené à partir du TCB (Taux de Couverture du Besoin, qui est le rapport entre l’énergie demandée par un système et celle fournie par le générateur) afin de couvrir la consommation énergétique annuelle. Ce dimensionnement est effectué grâce aux enregistrements de données solaires précises du Lycée Victor Hugo de Colomiers, dont la maquette toulousaine est distance de 15 kms seulement. Il est supposé que les données climatiques sont semblables. Il est évident que l’implantation d’une centrale solaire à concentration à Toulouse n’est pas judicieuse, mais le dimensionnement a été effectué avec des données météorologiques correspondant au lieu d’expérimentation, le laboratoire LAPLACE. Il faudra donc adapter le dimensionnement à la localisation de chaque centrale réelle en tenant compte de ses données climatiques propres. Il est rappelé que

Chapitre V 160

l’objectif est de minimiser autant que possible la taille du panneau et du stockage pour minimiser le coût global sur un champ et donc le coût du kWh produit. Les stratégies de commande des héliostats s’organisent autour d’une correction angulaire fixe pour l’étude. La mutualisation, en fin de chapitre, en guise d’ouverture, s’orientera vers une approche d’une commande originale, calculée en fonction de l’impact de la tache solaire sur le récepteur afin de générer les mouvements qui sont juste nécessaires, adaptés à la position de chaque héliostat par rapport à la tour et générer ainsi des économies d’énergies significatives.

V.1. Dimensionnement du générateur

V.1.1. Consommation de la maquette

Deux profils se distinguent pour les héliostats des centrales solaires à concentration : un profil de jour, pendant lequel les héliostats poursuivent le Soleil et un profil de nuit, pendant lequel les équipements électroniques sont en veille. Bien que le champ reste en veille, la centrale peut continuer à produire de l’électricité par restitution des la chaleur accumulée dans le circuit thermodynamique primaire. Parallèlement, les héliostats en tant que systèmes électriques continuent donc à consommer à moindre puissance la nuit, d’où la nécessité de stockage, dans des batteries en l’occurrence. L’architecture des deux solutions est décrite sur la figure V.1 suivante.

Fig.V.1. Schéma fonctionnel des moteurs et de la carte d’aiguillage

V.1.1.1. Consommation diurne

En journée, la batterie doit fournir la puissance nécessaire pour alimenter la carte d’aiguillage, le hacheur ou les hacheurs.

Elément Veille En poursuite Batterie 7,3 W Variable

Carte aiguillage 2,3 W 2,9 W Codeurs 0,0 W 0,6 W Hacheur 5,0 W Variable Moteur 0,0 W Variable

Table V.1. Consommation des éléments de l’héliostat pendant la journée

Éléments de la mutualisation énergétique 161

La carte d’aiguillage alimente les codeurs et le hacheur alimente le ou les moteurs. Selon la Table V.1, en veille, la puissance fournie par batterie est de 7,3 W qui est la somme de la consommation du hacheur en veille (5,0 W) et de la carte d’aiguillage (2,3W). Dans la stratégie de minimisation de la consommation par la commande de la maquette, les codeurs ne seront alimentés que lorsque les moteurs sont en poursuite. Donc les codeurs ne sont pas alimentés toute la journée mais seulement lorsque l’axe est en rotation. En mode poursuite, à la consommation de la carte d’aiguillage (2,9 W) est donc ajoutée la consommation des codeurs (0,6 W). La puissance utilisée par les moteurs et le hacheur sont variables selon la méthode de régulation choisie (cf. chapitre précédent). La batterie qui délivre toute la puissance de la maquette est de rendement variable selon qu’elle soit en charge ou décharge et selon son état de charge. Les modes de poursuite des axes sont effectués en alternance. Le temps de réponse désiré pour la rotation des axes, c'est-à-dire pour changer la position de la tache solaire sur la cible, est d’environ 1,0 s. Aujourd’hui, les corrections des axes des héliostats sur la centrale THEMIS, alternent avec une période de 6 à 30 s selon le moment de la journée. Pour satisfaire les corrections, le temps de la journée, 24h, est divisé en périodes de 4,0 s pendant lesquelles, l’axe d’azimut est sollicité dans les 2 premières secondes et l’axe d’élévation dans les 2 autres secondes (cf. Fig. V.2). Pendant environ 1,0 s suivant le changement de la référence position, le moteur est en poursuite et après, la maquette est en veille jusqu’à atteindre un temps de 2,0 s. À partir de cet instant, le moteur de l’autre axe se met en fonctionnement. Selon le même principe que sur la centrale THEMIS, les corrections de position sont effectuées sur la maquette à chaque fois que l’erreur sur la position idéale du moteur atteint 500 points.

Fig. V.2. Alternance de la commande des moteurs des axes

Chapitre V 162

Cette position idéale est celle du moteur telle qu’elle devrait être en suivi permanent avec une erreur nulle à chaque instant, cf. chapitre II. Il est rappelé ici que le suivi en permanence n’est pas nécessaire puisque le mouvement du Soleil est assez « lent » de par la petitesse des angles. La figure V.2 est un exemple illustratif qui n’est pas représentatif de la réalité, mais n’a pour but de ne montrer que l’alternance des rotations. En effet, les corrections sont souvent beaucoup moins fréquentes que sur celles décrites en exemple.

V.1.1.2. Consommation nocturne

La nuit, le dispositif est en veille et donc sa consommation correspond à celle de la carte d’aiguillage (2,3 W). Ce temps de torpeur nocturne est au plus long en hiver (plus de 16 heures) et a contrario au plus court en été (moins de 10 heures). Ces amplitudes varient en fonction de la latitude de la centrale. La figure V.3 mesure le temps de veille sur l’année pour un héliostat situé en face de la tour et faisant un angle de 45° avec le récepteur. Lorsque le Soleil atteint 5°, au dessus de l’horizon, les axes se sont déjà placés en position à grande vitesse pour le poursuivre. Dans l’hémisphère Nord, les latitudes maximales d’implantation n’excèdent pas 45°. Au-delà rares sont les zones sur la surface de la terre où la radiation directe excède 2000 kWh/m² par an. Plus les latitudes se rapprochent de l’équateur, plus cette amplitude du temps de veille est faible. De surcroît, les saisonnalités sont moins prononcées et la production reste stable. Ceci permet un meilleur lissage annuel de l’alternance entre cycle nocturne et cycle diurne. Cependant, le climat équatorial, n’est cependant pas la panacée de la concentration solaire car la fréquence de pluies y est trop élevée. C’est aussi le cas dans les zones tropicales en saison des pluies. Les zones désertiques telles que le Sahara ou la Vallée de la mort en Amérique du Nord sont des zones optimales dans l’hémisphère Boréal. Ainsi, la figure V.3 se place dans un cas quasi extrême, puisqu’il s’agit de la latitude toulousaine (42° Nord). Dans l’hémisphère Austral, les courbes seraient inversées. La figure V.4 présente le temps global du aux deux ralliements (en début et en fin de journée) sur l’année. Le temps de ralliement en élévation est presque constant sur l’année. Mais celui en azimut est plus marqué en été car l’amplitude de la course du Soleil est plus grande (d’est en ouest).

Fig. V.3. Temps de veille nocturne

9.0010.0011.0012.0013.0014.0015.0016.0017.00

1/1 2/3 1/5 30/6 29/8 28/10 27/12

Tem

ps d

e ve

ille

(h)

Jour (de l'année)

Éléments de la mutualisation énergétique 163

Fig. V.4. Temps de ralliement quotidien

Donc le temps ralliement global est plus grand en été (8 minutes) qu’en hiver (6 minutes 20 secondes), mais varie peu finalement selon les saisons. Ces ralliements se font à haute vitesse (~34000 points/s) et à une puissance de 25,3 W. Ces ralliements ne sont pas nocturnes mais soit :

ils concluent la fin de veille de nuit, en début de journée pour atteindre la position de poursuite,

ils débutent la consommation nocturne en ralliant la position de veille. Pour illustrer ces consommations, au 22 décembre 2010 (présenté en Fig. V.5), un des jours les plus courts de l’année, la consommation de veille s’étend jusqu’à 9 heures du matin et reprend vers 17 heures (heure de Paris), pour un héliostat placé en face d’une tour de 100 m et à 100 m de distance (45° de hauteur angulaire). Au 22 juin (cf. Fig. V.6), un des jours les plus longs, l’héliostat commence à poursuivre le Soleil un peu avant 6 heures et se remet en position de repos peu après 20 heures (heure d’hiver, soit 21 heures heure d’été).

Fig. V.5. Consommation de la maquette émulant

celle d’un héliostat au 22 décembre 2010

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

1/1 2/3 1/5 30/6 29/8 28/10 27/12

Tem

ps d

e ra

lliem

ent

(min

)

Chapitre V 164

Fig. V.6. Consommation de la maquette émulant

celle d’un héliostat au 22 juin 2010 En considérant que le temps de travail moyen en été soit de 15 heures en moyenne contre 11 heures en hiver, l’héliostat fonctionne 4 heures de plus, soit 25 % en saison estivale. La consommation minimale du 22 décembre est de 99,1 Wh et de 137,5 Wh au 22 juin. Cette consommation correspond logiquement à la variation de la longueur des jours. La consommation annuelle de l’héliostat autonome n’utilisant qu’un seul hacheur est présenté en figure V.7 et comparé à un héliostat utilisant 2 hacheurs.

Fig. V.7. Profil annuel de la consommation quotidienne

de la maquette émulant celle de l’héliostat

V.1.1.3. Générateur solaire

Un système autonome nécessite un système de production in situ et un stockage pour les moments de la journée ou les jours où l’énergie primaire vient à manquer. Les centrales solaires sont situées dans des zones où la radiation solaire est élevée. Donc, il est intéressant de l’utiliser par une production photovoltaïque. Les générateurs sont

90

110

130

150

170

190

210

1/1 2/3 1/5 30/6 29/8 28/10 27/12

Con

som

mat

ion

quot

idie

nne

(Wh)

1 Hacheur

2 Hacheurs

Éléments de la mutualisation énergétique 165

souvent associés à des régulateurs MPPT (Maximum Power Point Tracker) dont l’objectif est d’optimiser la production en maximisant le produit courant-tension de sortie du panneau quelle que soit la radiation solaire ou la charge. La puissance fournie par un module photovoltaïque incliné d’aire Am (m²) de rendement ηg sous une radiation solaire globale Gβ (W.m-2) est [NOT 10]:

(V.1)

Le rendement du panneau est variable selon la température du module θm (°C) et la radiation globale Gβ [EVA 81] selon l’équation (V.2) :

( (

)) (V.2)

où ηr est le rendement de référence du générateur photovoltaïque, ηpt est le rendement maximum du convertisseur MPPT, β est le coefficient de température (β ≈ 0,048 °C-1 pour un module en silicium [EVA 81]), θr est la température de référence du module et Gβ,ref , la radiation globale de référence. Les paramètres β, γ, θr et ηr sont donnés par le fabriquant. Le coefficient γ sans dimension est de 0,12 [EVA 77]. Ainsi, le générateur photovoltaïque possède un meilleur rendement par faible température et faible radiation (un dilemme !). Bien-sûr plus la radiation est élevée plus grande sera la production, et c’est ce qui est le plus important. La radiation de référence Gβ,ref est généralement de 1000 W.m-2 et θr la température de référence 25°C. La température de module dépend elle-aussi de la température ambiante [EVA 87] et la radiation globale selon l’équation (V.3) :

(

) (V.3)

où θa (°C) est la température ambiante, NOCT (°C) est la Température Nominale d'utilisation des Cellules, donnée par le fabriquant.

Pour le dimensionnement, les données enregistrées par le Lycée Victor Hugo de

Colomiers sont utilisées. Dans la région toulousaine, l’implantation d’une centrale ne serait pas a priori très pertinente. D’ailleurs, peu de sites en France permettent une production stable d’énergie solaire concentrée, hormis dans l’extrême sud des Pyrénées et les Alpes du sud-est. En Allemagne par exemple, la centrale de Jülich [DLR 13], est une centrale expérimentale qui n’a pas vocation à produire de l’électricité continuellement. Également, l’objectif dans les travaux effectués dans le cadre de cette thèse est la minimisation de la consommation d’un héliostat par la commande. Donc, l’objectif n’est pas de dimensionner le système énergétique pour une centrale pour une centrale particulière mais de définir et valider une méthodologie générale.

Chapitre V 166

V.1.1.4. Stockage

En stockage, des batteries au plomb seront envisagées, solution traditionnelle pour des questions de coût. D’autres options seront possibles à l’avenir telles que des supercondensateurs ou du stockage par hydrogène. Pour les supercondensateurs, l’option est plausible dans une certaine mesure dans les zones à forts ensoleillements, où les moteurs sont alimentés en permanence directement par le Soleil sans puiser dans le stockage. Mais à Toulouse, les conditions climatiques ne sont pas optimales et les consommations de veille restent élevées. Les batteries sont des éléments électrochimiques aux comportements non-linéaires qui varient selon les technologies et les conditions climatiques. Le coefficient d’autodécharge ν d’une batterie au plomb est très faible sur les échelles de temps de rotation des axes (quelques secondes), et vaut 0,2 % de la charge par jour [YAN 08]. Une batterie au plomb a un rendement à la charge moyen ηc de 85 % [STE 96] et un rendement à la décharge ηd également de 85 % [MAN 89]. Sur une période de temps δt, si la batterie est en charge, c'est-à-dire si, l’énergie produite par le générateur photovoltaïque est supérieure à celle consommée par la maquette, le stock S au temps t de la batterie évolue selon l’expression (V.4) [MUS 99]:

(

∫

) (V.4)

C (W) est la consommation de la maquette qui dépend de son état (veille, poursuite, mise en position en haute vitesse) et du choix de la régulation si elle est en mode poursuite. Cette consommation est intégrée sur le temps δt. Donc S(t) est la somme de la charge S au temps t- δt pondérée par l’autodécharge et la production solaire en sus, pondérée du rendement de charge. En décharge, l’équation d’évolution du stock S est :

( ∫

) (V.5)

Dans ce cas, la batterie est source d’énergie soit seule (la nuit) soit en appoint du

générateur solaire (jour nuageux). La période δt est variable (cf. Fig. V.4, Fig. V.5): égale à 2,0 s (cf. Fig. V.2) en mode poursuite, de quelques secondes à quelques minutes en mode mise en position (haute

vitesse), de quelques heures en mode nocturne (variable selon la saison).

Le MPPT (STECCA 2010, cf. Annexe H) utilisé sur la maquette permet une

décharge profonde maximale de la batterie de 50 % afin de ne pas accélérer sa fin de vie. Donc, l’état de charge de la batterie sera compris entre 50 % et 100 %.

Éléments de la mutualisation énergétique 167

Fig. V.8. Consommation moyenne par déplacement (1000 points)

V.1.2. Taux de couverture du besoin (TCB)

V.1.2.1. Préalable

Pour le dimensionnement d’un panneau solaire et d’un système de stockage, les mesures du chapitre IV seront réutilisées. Les consommations de veille de nuit, de ralliement et de veille en mode poursuite diurne sont identiques et indépendantes des modes de régulation choisis. La figure V.8, résume les consommations moyennes par régulation suivant l’axe (azimut ou élévation). Les consommations sont classées par grandeur. Les meilleurs résultats sont ceux de la synthèse classique associée à un PI (Proportionnel Intégral) ou un RE (Retour d’État) ainsi que ceux des plans d’expériences associés à une rampe ou un échelon pour un PI (cf. Fig. V.8). A partir de cette table de consommation et des données d’ensoleillement de Colomiers, l’évaluation de puissance crête (Wc) et du stockage (Ah) peut être menée pour un système autonome. Le Taux de Couverture du Besoin (TCB) a été approché [NEG 94] et [MON 10]. Il se défini par un

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Synthèse PI Rampe

Synthèse PI Cubique

Synthèse PI EchelonSynthèse RE Cubique

Synthèse RE Rampe

Synthèse RE EchelonPlans PI Cubique

Plans PI Echelon

Plans RE Echelon

Plans RE Cubique

Plans RE Rampe

Opitmisation PI Echelon

Optimisation LQ Cubique

Optimisation LQ Echelon

Optimisation LQ Rampe

Plans PI Rampe

Optmisation PI Rampe

Optimisation PI Cubique

Optimisation RE Rampe

Optimisation RE Cubique

Optimisation RE Echelon

Consommation (J)

Elevation Azimut

Chapitre V 168

coefficient compris entre 0 et 1 (0 et 100 %) Le TCB est égal à 0 lorsque la demande énergétique de l’héliostat n’est jamais fournie. Ceci correspondrait au système sans panneau solaire ni batterie. Ce taux est de 1 lorsque toute la demande énergétique a été couverte par le générateur autonome (panneau et système de stockage). Donc, plus le générateur photovoltaïque est grand et plus le système de stockage est important, plus la couverture du besoin tend vers 1 (ou 100 %).

Fig. V.9. Schéma de l’algorithme de calcul du TCB ([MON 10])

La figure V.9 schématise l’algorithme utilisé pour le calcul du TCB à Toulouse

grâce aux données solaires du Lycée Victor Hugo de Colomiers. L’objectif est définir la méthode de calcul identifiant le « coût » en dimensionnement pour obtenir ou s’approcher des 100 % de couverture du besoin annuel, tout en minimisant la taille du générateur et du stockage pour une question de coût et d’impact environnemental (cf. chapitre II). La figure V.10 montre le TCB pour la consommation d’un héliostat dont les éléments ont été mutualisés (1 seul variateur et mise en veille des codeurs). Le générateur a une puissance comprise entre 0 Wc et 120 Wc (N.B : 100 Wc correspond, à titre indicatif, à un panneau solaire de surface comprise en général entre 0,8 m² et 1,4 m² selon la technologie, la latitude et l’implantation). Le stockage est compris entre 0 Ah et 60 Ah (sous 24 V). Le TCB de ce même héliostat dont la consommation n’a pas été mutualisée est représentée en figure V.11.

Éléments de la mutualisation énergétique 169

Fig. V.10. Taux de couverture du besoin avec mutualisation (TCB 0-100 %)

Fig. V.11. Taux de couverture du besoin sans mutualisation (TCB 0-100 %)

Dans ce cas, il apparaît que la couverture n’atteint jamais les 100 %, alors que

c’était le cas pour l’héliostat dont la consommation a été mutualisée. Donc, en certains instants dans l’année, les héliostats ne pourraient pas poursuivre le Soleil alors qu’ils le feraient s’ils n’avaient été équipés que d’un seul hacheur ; bien que le générateur soit de 200 Wc et le stock initial de 60 Ah. Ceci montre l’intérêt de mutualiser les éléments de consommation en utilisant un seul convertisseur et de n’alimenter les codeurs que lorsque le moteur tourne. Donc pour généraliser ces résultats, la partie suivante traite des dimensionnements pour l’ensemble des régulations.

V.1.2.2. Taux de couverture du besoin généralisé

Il est possible d’ores et déjà d’établir le dimensionnement annuel adéquat pour chaque référence et chaque régulation pour rendre la maquette à 100 % autonome avec ou sans mutualisation. Premièrement, la figure V.12 présente la puissance de générateur

Chapitre V 170

(Wc) et de stockage (Ah) permettant une totale autonomie de la maquette avec mutualisation de l’alimentation des axes et une alimentation des codeurs uniquement lorsque les moteurs sont en poursuite.

Fig. V.12. Puissance crête nécessaire pour un TCB de 100 % avec mutualisation

Les courbes décroissent et traduisent logiquement la tendance suivante : plus la capacité des batteries est élevée, plus la puissance du générateur décroît. Les meilleurs résultats sont incontestablement ceux des régulations et références suivantes (soit 8 modes), ci-après :

Synthèse classique de PI ou RE pour les trois types de référence (Échelon, Rampe et Cubique),

Plans d’expériences pour PI avec référence cubique ou en échelon.

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Puiss

ance

(Wc)

Stock (Ah)

Optimisation RE Echelon

Optimisation RE Cubique

Optimisation RE Rampe

Optimisation PI Cubique

Optimisation PI Rampe

Optimisation LQ Echelon

Optimisation LQ Rampe

Plans PI Rampe

Optimisation LQ Cubique

Optimisation PI Echelon

Plans RE Cubique

Plans RE Echelon

Plans RE Echelon

Plans PI Echelon

Synthèse RE Echelon

Plans PI Cubique

Synthèse PI Echelon

Synthèse RE Rampe

Synthèse RE Cubique

Synthèse PI Rampe

Synthèse PI Cubique

Éléments de la mutualisation énergétique 171

Pour une capacité batterie définie (Ah) dans chacun des 8 modes mentionnés ci-avant, la puissance crête du générateur est plus petite que celle des 13 autres modes pour assurer l’autonomie. La puissance crête nécessaire pour ces 8 configurations optimales permet une couverture du besoin de 100 % pour :

un générateur de 100 Wc et un stockage de 40 Ah, un générateur de 90 Wc et un stockage de 50 Ah, encore de 85 Wc pour un stockage de 60 Ah...

Fig. V.13. Puissance crête nécessaire pour un TCB de 100 % sans mutualisation

Ces résultats font écho à la classification des énergies moyennes de rotation de la figure V.8. De même les dimensionnements les plus contraignants sont ceux du retour d’état RE associés aux trois références (Échelon, Rampe et Cubique). La figure V.13 présente les résultats de dimensionnement sans mutualisation et avec une alimentation continuelle des

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

35 40 45 50 55 60

Puiss

ance

(Wc)

Stcok (Ah)

Optimisation RE Echelon

Optimisation RE Cubique

Optimisation RE Rampe

Optimisation PI Cubique

Optimisation PI Rampe

Optimisation LQ Echelon

Optimisation LQ Rampe

Plans PI Rampe

Optimisation LQ Cubique

Optimisation PI Echelon

Plans RE Cubique

Plans RE Echelon

Plans RE Echelon

Plans PI Echelon

Synthèse RE Echelon

Plans PI Cubique

Synthèse PI Echelon

Synthèse RE Rampe

Synthèse RE Cubique

Synthèse PI Rampe

Synthèse PI Cubique

Chapitre V 172

codeurs. Les résultats suivent les mêmes tendances que ceux sans mutualisation en ce qui concerne la classification des meilleurs résultats. Mais, il est notable que pour une même capacité de stockage fixe, les puissances crêtes nécessaires pour une autonomie parfaite sont fortement augmentées par rapport à celles nécessaires avec mutualisation. Cette fois-ci pour les 8 meilleurs modes, le TCB est de 100 % pour :

un générateur de 175 Wc et un stockage de 40 Ah (au lieu de 100 Wc), un générateur de 155 Wc et un stockage de 50 Ah (au lieu de 90 Wc), encore de 145 Wc pour un stockage de 60 Ah (au lieu de 85 Wc)...

Fig. V.14. Gain de la Synthèse classique PI Rampe sur la taille du générateur

photovoltaïque par rapport aux autres configurations

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

Synthèse PI Rampe

Synthèse PI Cubique

Synthèse PI Echelon

Synthèse RE Rampe

Synthèse RE Cubique

Synthèse RE Echelon

Plans PI Cubique

Plans PI Echelon

Plans RE Echelon

Plans RE Cubique

Plans RE Echelon

Optimisation PI Echelon

Optimisation LQ Cubique

Optimisation LQ Echelon

Optimisation LQ Rampe

Plans PI Rampe

Optimisation PI Rampe

Optimisation PI Cubique

Optimisation RE Rampe

Optimisation RE Cubique

Optimisation RE Echelon

Réduction de la puissance du générateur (%)

Sans mutualisation Mutualisation

Éléments de la mutualisation énergétique 173

La surface des panneaux correspondante serait assez conséquente (de 1 m² à 2 m²) par héliostat. Pour les autres modes, notamment pour ceux de l’optimisation, avec un stockage de 45 Ah, un générateur de 200 Wc ne serait pas suffisant. La meilleure configuration est la synthèse PI classique associée à une rampe avec mutualisation. Il constitue un cas de référence pour la figure V.14. Sur l’histogramme horizontal, y est illustré le gain sur la puissance crête du générateur obtenue pour une capacité de stockage de 60 Ah par rapport aux autres configurations avec ou sans mutualisation. La meilleure configuration est la synthèse classique PI associée à une référence en rampe, avec mutualisation (en bleu sur la figure), d’où un gain de 0 %. Les gains apportés par ce cas de référence par rapport aux autres configurations varient de 0 % à 30 % selon la méthode de régulation et la référence avec mutualisation. D’une manière globale, les résultats d’optimisation hors ligne de la consommation des moteurs sont les moins adaptés pour la diminution de la taille du générateur photovoltaïque. Le gain sur la taille du générateur apporté par la mutualisation varie de 42 % à 55 %, ce qui permet d’en justifier l’usage en accompagnement d’une carte d’aiguillage. En effet, la puissance crête donc la taille du panneau nécessaire, y est presque divisée par deux. Donc l’usage d’un seul hacheur associé à une alimentation raisonnée des codeurs est démontré pour la réduction de la consommation de l’héliostat et par conséquent, pour la taille du générateur et du stockage.

V.1.2.3. Cas pratique

Pour l’autonomie la maquette, les caractéristiques de la partie précédente permettent de dimensionner un générateur photovoltaïque et un stockage en batterie. Ainsi, 12 panneaux solaires ont été installés sur le toit du laboratoire avec l’aimable participation de M. Durrieu, technicien du laboratoire LAPLACE et qui pose gracieusement sur la photo de la figure V.15.

Fig. V.15. Installation de 120 Wc (à droite Olivier Durrieu)

Chapitre V 174

Chacun de ces panneaux a une puissance crête de 10 Wc et leur tension nominale est de 17,5 V (FVG 36P, cf. annexe I). Ils sont branchés en parallèle par série de deux. Cela permet d’obtenir un générateur modulable de puissance croissante de 20 Wc à 120 Wc. Ces panneaux solaires alimentent 10 batteries (AGM Solar Kit, cf. annexe J) de capacité 22 Ah (12 V) grâce au régulateur MPPT. Les batteries sont aussi connectées en série deux à deux permettant un stockage modulaire de 22 Ah à 110 Ah (sous 24 V). Cela permet de travailler avec un générateur hybride suivant 30 configurations (5 en stockage et 6 en puissance crête). Ces 30 configurations permettent d’évaluer le TCB correspondant à Toulouse pour les différents modes de régulations et de référence. La Table V.2 recense la couverture du besoin en fonction du stockage et de la puissance du générateur pour une régulation du type Synthèse PI classique associée à une rampe avec mutualisation en bleu ou en vert.

TCB (%) Capacité stockage Générateur

photovoltaïque 22 Ah 44 Ah 66 Ah 88 Ah 110 Ah

20 Wc 34,6 10,0 35,2 10,5 35,8 10,9 36,4 11,3 37,0 11,8 40 Wc 77,0 49,4 78,8 50,1 80,3 50,5 81,9 50,8 83,2 51,3 60 Wc 89,3 73,5 90,9 75,5 92,6 76,6 94,3 77,8 96,0 78,8 80 Wc 97,3 83,7 98,9 86,3 99,6 87,3 100 88,5 100 89,6 100 Wc 99,3 90,2 100 91,8 100 93,0 100 94,1 100 95,3 120 Wc 99,8 95,3 100 97,5 100 98,6 100 99,0 100 99,6

Mutualisation Table V.2. TCB des configurations modulables pour une régulation

Synthèse classique PI Rampe (avec et sans mutualisation)

Ce générateur permet l’autonomie globale de la maquette avec mutualisation à partir de 80 Wc pour le générateur et 44 Ah pour le stockage. Avec mutualisation 10 des 30 configurations de générateurs et de stockage permettent l’autonomie parfaite. En revanche, sans mutualisation, le TCB n’atteint jamais 100 %.

V.2. Commande par placement de la tache solaire

V.2.1. Principe

Jusqu’à présent les corrections de position d’un axe d’héliostat sur la centrale THEMIS s’effectuaient lorsque l’erreur angulaire entre la position réelle sur un axe et la position idéale excédait en absolu 0,15 mrad à l’image de la maquette. Selon, l’emplacement des héliostats, la réflexion de la tache solaire sera plus ou moins dispersée sur le récepteur. Pour le cas d’une centrale dont la disposition fut décrite au chapitre III et rappelée dans la figure V.16, la tour étant placée à l’origine. Les héliostats sont dispersés sur un périmètre grossier de 600 m de long et 400 m de large.

Éléments de la mutualisation énergétique 175

Fig. V.16. Placement des miroirs (en m)

La tour est supposée de 100 m de hauteur. Le récepteur de la centrale y est

légèrement incliné vers le champ héliostatique comme cela apparaît au sommet de la tour THEMIS de la figure V.17. L’impact lumineux de tous les héliostats selon leur position est illustré en figure V.18. Il est supposé que chaque héliostat est de réflexion parfaite, bien que cela ne soit pas le cas dans la réalité, mais varie de 90 % à 95 % (cf. chapitre I). La radiation solaire directe est considérée égale à 1000 W/m². Chaque héliostat génère une ellipse sur le récepteur incliné (supposé de 30°, pour l’illustration). Plus les héliostats sont éloignés de la tour, plus la tache est dispersée, plus le flux surfacique est dilué. Les 9 héliostats pointent vers le même point, mais le flux global n’est donc pas uniformément réparti sur le récepteur. Certains héliostats réfléchissent même en partie en dehors du récepteur. Au centre, le flux est supérieur à 7000 W/m² alors qu’au delà de 60 cm du centre, le flux est divisé par 2. Le récepteur, ici, a une surface de 4 m². Dans des centrales avec de très grands champs héliostatiques, il est nécessaire de faire pointer les héliostats vers des points différents du récepteur pour mieux répartir le flux, au risque de surchauffer en certaines zones.

Fig. V.17. Récepteur incliné pointant vers le champ héliostatique

de la centrale THEMIS [WIK 2013]

0

100

200

300

400

-300 -200 -100 0 100 200 300

Chapitre V 176

Fig. V.18. Répartition du flux sur le récepteur par réflexion

des 9 héliostats de la figure V.16 La dispersion des flux engendrée par les héliostats éloignés est grande. Les

surfaces varient du simple au quadruple et donc le flux en est autant de fois réduit par rapport aux héliostats faisant face et proches. Sur la centrale THEMIS, la commande des héliostats assure que les angles sur chaque axe ne dépassent pas une erreur de 0,15 mrad sur le pointage idéal, alors que le Soleil est en mouvement.

Fig. V.19. Erreur maximale (en m) sur la réflexion du centre de la tache en fonction de la

position de l’héliostat dans le champ héliostatique

Éléments de la mutualisation énergétique 177

Fig. V.20. Centrales PS10 et PS20 en Andalousie [WIK 2013]

Or, la figure précédente laisse présager qu’une telle tolérance angulaire n’aura pas

le même effet, selon que l’héliostat fût proche ou éloigné du récepteur. Pour une tolérance de 0,15 mrad sur une centrale dont la tour est de 100 m de haut. Sur la figure V.19, apparaissent les erreurs maximales induites en mètre (sur la déviation du centre de la tache) selon la répartition des héliostats du champ. Deux tendances apparaissent. L’erreur finale en mètre sur le récepteur grandit plus l’héliostat est éloigné de la tour et plus il est excentré. Sur la figure V.19, les erreurs sont inférieures à 0,5 m sur une aire très vaste (du bleu marine au bleu turquoise sur la figure). Les zones où les erreurs sont supérieures à 0,5 m apparaissent en jaune et rouge sur le schéma. Ceci justifie, par exemple la répartition (« en coquille ») des héliostats de la manière telle qu’elle est exposée en Andalousie sur les centrales PS10 et PS20 (cf. figure V.20.). Finalement, une erreur de 0,15 mrad permet une correction très (voire trop) fine vis-à-vis de l’erreur « réelle » sur le récepteur, d’autant plus pour les héliostats proches de la tour. Il serait peut-être plus intéressant de ne plus fixer arbitrairement la tolérance angulaire. Cette tolérance angulaire a un impact direct sur la consommation finale de l’héliostat par la fréquence de correction induite. Il pourrait s’avérer plus raisonnable de rejeter l’arbitraire d’une manière plus éclairée en fonction de l’erreur métrique sur le récepteur. Il s’agirait donc de considérer le problème inverse : fixer une tolérance sur le pointage en mètre sur le récepteur et obtenir l’erreur angulaire de tolérance émanent par héliostat. Il serait possible par exemple de définir une « fenêtre de travail » ou de pointage sur le récepteur ou plutôt un point central d’impact lumineux avec une aire de tolérance autour. Cette fenêtre dépendrait de la taille du récepteur et donc de la puissance de la plateforme. Une erreur de 0,5 m par exemple entraîne une tolérance angulaire par héliostat telle que décrite en figure V.21. Il y apparaît clairement que les erreurs maximales tolérées sur l’axe d’azimut et d’élévation sont bien plus élevées que 0,15 mrad sur une grande partie du champ. A proximité de la tour (moins de 100 mètres), les corrections angulaires y seraient de plus de 4 mrad, soit plus de 27 fois 0,15 mrad.

Chapitre V 178

Fig. V.21. Réglage angulaire optimal pour une erreur de centre de visée de 0,5 m en

fonction de la position de l’héliostat dans le champ héliostatique

V.2.2. Répartition de la consommation

Ce paragraphe montre qu’en utilisant une fenêtre de travail métrique plutôt qu’une tolérance angulaire fixe, les corrections angulaires n’auront pas la même fréquence. Ainsi, un héliostat à proximité de la tour consommera moins qu’un éloigné ou excentré. Ce paragraphe constitue une approche complémentaire aux points traités précédemment dans cette thèse et une amorce de perspective. La méthode de correction par erreur angulaire fixe peut engendrer dans le meilleur des cas, des corrections trop fréquentes et une surconsommation mais en assurant un bon suivi et une tache solaire qui reste dans la limite surfacique du récepteur. Dans d’autres cas, cela pourrait engendrer des pointages en dehors du récepteur. Les consommations annuelles des héliostats selon une correction angulaire de 0,15 mrad et selon une correction métrique (0,5 m) sont comparées en Table V.3 pour une tour de 100 m de haut et dont le récepteur est incliné à 30°. La répartition des héliostats est celle telle que décrite en figure V.16. Les consommations sont plus élevées sur les côtés plutôt que en face de la tour. Pour rappel, α est l’angle entre l’axe « héliostat-tour » et l’axe « Nord-Sud », il est supposé négatif lorsque l’abscisse est négative (cf. Fig. V.16).

α = -45° α = 0° α = 45° Erreur 0,5 m 0,15 mrad 0,5 m 0,15 mrad 0,5 m 0,15 mrad ε = 60 ° 120,9 1638,6 87,9 1579,0 130,6 1712,2 ε = 45 ° 85,5 1864,3 65,5 1747,0 87,7 1905,0 ε = 30 ° 75,1 2121,2 64,1 1986,8 75,0 2150,3

Table V.3. Consommation des moteurs selon les méthodes de correction (en Wh)

Éléments de la mutualisation énergétique 179

L’angle ε est l’angle entre le plan horizontal du lieu et l’axe « héliostat-tour » ou encore la hauteur angulaire de la tour vue depuis le miroir. Les consommations selon la méthode métrique sont de 10 à 20 fois inférieures à celles de la méthode angulaire. La Table V.4 présente le gain théorique calculé sur la consommation des moteurs grâce aux relevés du chapitre IV. Quelle que soit leur position sur le champ, l’énergie économisée est supérieure à 92 %, ce qui est considérable. La méthode de correction angulaire fixe s’affranchit de toute connaissance préalable telle que la hauteur de la tour, l’inclinaison du récepteur ou l’éloignement. En effet, seule la connaissance de l’axe de pointage désiré et l’erreur avec l’axe réel de pointage est suffisante. Cette méthode ne dépend pas de la position de l’héliostat et tout le champ est régi par cette même tolérance. Pour la méthode de correction métrique, le schéma des corrections dépend de la position de l’héliostat et de l’inclinaison du plan du récepteur.

Table V.4. Gain relatif de la consommation des moteurs

Cette méthode demande une recherche préalable de dispersion de la tache. Ensuite, cette erreur métrique induit une correction angulaire fixe adaptée à chaque héliostat selon sa position. Cette correction sera plus faible à proximité de la tour qu’en s’éloignant. En outre, ces résultats montrent l’importance du choix de la méthode de correction. La correction métrique est bien meilleure que la correction angulaire du point de vue de la consommation énergétique. Mais, hélas les moteurs ne sont pas les seuls éléments qui consomment l’énergie stockée par la batterie. L’impact de la réduction de la consommation des moteurs sur la consommation annuelle globale est développé en Table V.5. Les moteurs finalement consomment peu par rapport au reste des éléments électroniques : carte d’aiguillage, codeurs et surtout le hacheur qui à lui seul contribue à plus de 70 % de la consommation globale. Il est donc recommandable en pratique d’utiliser un hacheur qui consomme peu. La relative baisse de moins de 5 % sur la consommation totale sur toutes les positions, dépend de la technologie utilisée. La recherche d’une structure de conversion d’énergie à meilleur rendement est donc une perspective de ces travaux.

α = -45° α = 0° α = 45° ε = 60 ° 3,6 % 3,5 % 3,7 % ε = 45 ° 4,1 % 3,9 % 4,2 % ε = 30 ° 4,7 % 4,4 % 4,8 % Table V.5. Gain sur la consommation

globale

α = -45° α = 0° α = 45° ε = 60 ° 92,6 % 94,4 % 92,4 % ε = 45 ° 95,4 % 96,3 % 95,4 % ε = 30 ° 96,5 % 96,8 % 96,5 %

Chapitre V 180

Conclusion

L’étude de la mutualisation de l’alimentation des axes a montré que l’utilisation d’un hacheur au lieu de deux, ainsi que l’alimentation raisonnée des codeurs, diminuait la consommation de l’héliostat. Ceci était certes prévisible sans calcul mais, les proportions sont telles que les panneaux solaires voient leur puissance crête divisée jusque par deux pour un même stockage. L’étude est effectuée à Toulouse et n’est évidemment pas représentative du comportement d’une centrale solaire à concentration réelle, mais présente un intérêt méthodologique qui démontre l’importance du choix de la commande pour la diminution de la taille du générateur et de la capacité de stockage. Pour cette, étude un Taux de Couverture du Besoin (TCB) a été défini pour un cas avec ou sans mutualisation. Ainsi, à TCB égal, entre la meilleure commande et la plus défavorable, le gain sur la puissance crête est de 30 %. Le gain apporté par la mutualisation et le choix de la commande permet un gain de 42 % à 55 % sur la taille du générateur. En considérant qu’un champ héliostatique puisse être composé de milliers d’héliostats, le coût financier n’en est que grandement soulagé. L’utilisation d’un second variateur pourrait aussi se justifier par la redondance. Ainsi, si un des deux variateurs venait à faillir, le second prendrait le relais et éviterait la perte d’un héliostat et de la part de puissance lumineuse qui lui est due (0,1 % en moyenne, pour un champ de 1000 miroirs par exemple). Mais les proportions restent faibles. Un employé sur le site pourrait veiller au remplacement rapide de la pièce. Enfin, la méthode de correction angulaire fixe doit être adaptée à chaque position des héliostats. En effet, la réflexion des taches d’impact sur le récepteur varie très fortement en surface du récepteur suivant l’excentricité et l’éloignement de la tour. Une telle méthode réduit considérablement la consommation de l’héliostat, de 20 à 30 fois, tout en obtenant un impact tolérable sur la tour. La diminution de l’énergie consommée par l’héliostat est fondamentale pour la diminution de la taille du panneau et des batteries car elle permet de réduire le coût de l’autonomie. Ainsi, les éléments de veille doivent aussi consommer le moins possible car leur part dans l’énergie globale peut être très élevée. En perspective immédiate, un travail de recherche est mené dans la thèse de Nicole Suclla Fernandez de l’université : Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro en collaboration avec le laboratoire LAPLACE. La recherche s’oriente sur une modulation de la référence de position de la maquette, c'est-à-dire sur l’amplitude de la consigne (en rad) et sur un temps variable, et non plus limité à 1 s. Il s’agit donc de minimiser la consommation globale d’un héliostat également sur la stratégie de poursuite en optimisant via des algorithmes génétiques. L’objectif est d’obtenir l’amplitude et le temps optimaux (qui actuellement sont de 0,3 mrad ou 1000 points en 1 s).

Conclusion générale et perspectives

L’énergie solaire est une des seules ressources capable de couvrir durablement les besoins en énergie primaire de l’humanité. Quelques technologies permettent de convertir celle-ci en ressource secondaire : panneaux photovoltaïques, panneaux thermiques et concentration solaire. Les centrales solaires à tour sont d’un enjeu considérable dans le remplacement des celles qui utilisent des ressources fossiles. En témoignent les nombreux projets en cours. Les avantages de cette technologie sont surtout ceux d’être une ressource stable, à rendement correct (supérieur à 20 %) et de pouvoir produire de nuit. L’implantation des centrales est optimale dans les déserts chauds cependant (à l’instar du Projet DESERTEC). Ceci constitue à la fois un avantage et un inconvénient. En effet, d’une part, l’impact visuel est minimisé mais d’autre part, de très longs câbles sont nécessaires pour l’acheminement sur les lieux de consommation. Le constat de l’énergie solaire est sans équivoque, cette ressource est largement sous-exploitée actuellement.

Les centrales s’appuient sur de vastes champs héliostatiques qui sont souvent reliés au réseau électrique local. Les conditions d’ensoleillement permettent de les rendre autonomes via des panneaux solaires et un système de stockage. D’un point de vue environnemental, l’analyse de cycle de vie a démontré l’intérêt de cette initiative sur les quatre catégories principales d’impact : la santé humaine, le réchauffement climatique, les ressources et l’écosystème. Les résultats sont en faveur de l’héliostat autonome. Une des faiblesses de l’ACV réside dans son approche des effets des déchets nucléaires. Aucun modèle n’est encore établi mais laisse envisager des impacts élevés. Ainsi, une ACV appliquée à un mix énergétique tel que le français est difficilement comparable à celui d’autres pays. Cependant, malgré cette nuance, un héliostat autonome a moins d’impact environnemental d’autant plus s’il évite d’utiliser l’énergie électrique d’origine nucléaire du réseau. L’énergie solaire en général a une empreinte carbone un peu élevée vis-à-vis des autres énergies renouvelables (éolien ou hydraulique) mais elle constitue l’unique ressource avec la géothermie capable de subvenir avec importance aux besoins énergétiques mondiaux.

La minimisation de la consommation d’un héliostat a été menée de manière homothétique au sein du laboratoire LAPLACE. La détermination des paramètres des axes qui reproduisent l’azimut et l’élévation ont permis de valider un modèle de simulation à partir de synthèses classiques. Tout comme pour un système réel, la

Conclusion générale 182

maquette possède les mêmes caractéristiques de vieillissement. Ainsi, les régulateurs classiques ont pu montrer de légères variations d’une position à l’autre sur un axe mais la robustesse des commandes en vitesse et en position ont été assurées pour des références en échelon, en rampe et cubique.

Cette démarche a permis de lancer des stratégies évolutionnaires hors-lignes pour améliorer la consommation du système à partir de modèles, via le réglage des paramètres internes (gains) et externes (forme et caractéristiques des références) des lois de commande. Les résultats furent satisfaisants en ce qui concerne les moteurs dont l’énergie a été effectivement réduite bien que la consommation globale augmentât. Cette difficulté a mis en évidence l’importance du choix du hacheur dont les rendements ne sont pas automatiquement meilleurs pour une consommation plus faible du moteur. La minimisation de l’énergie du moteur conduit à de faibles courants, qui sont des points de fonctionnement où l’autoconsommation du hacheur surpasse l’économie énergétique apportée par le moteur. Les héliostats fonctionnent suivant des régimes de courants élevés ou faibles sans intermédiaire. En perspective, il serait possible de développer un convertisseur qui s’adapte à ce genre de système et assurer un rendement optimal sur ces deux modes. Ainsi, les stratégies d’évolution dont l’objectif étaient de réduire la consommation de la maquette ont été moins performantes que de simples synthèses en proportionnel intégral ou en retour d’état.

Les plans d’expériences ont permis d’obtenir des résultats énergétiques intéressants par limitation des nombres d’essais et pourraient être mis en œuvre sur site réel. En outre, contrairement à la recherche hors-ligne, un critère supplémentaire a été requis, à savoir la poursuite de la consigne (ITAE). En effet, en fixant un objectif de la consommation, la meilleure solution consiste à la non-rotation. En perspective, d’autres méthodes de régulation pourraient être comparées telles que les commandes RST, H2 ou H∞. Par ailleurs, l’augmentation du nombre de niveaux des facteurs et l’utilisation des surfaces de réponses sont des pistes intéressantes pour l’optimisation de toutes les lois de commande.

Grâce à la mutualisation de la consommation des moteurs, une alimentation ajustée des codeurs, les panneaux solaires et les batteries diminuent en taille de façon considérable. De surcroît, l’autoconsommation du hacheur est élevée par rapport aux autres éléments électroniques. N’en n’utiliser qu’un seul, réduit de 42 % à 55 % la taille du générateur solaire pour l’autonomie et en utilisant la meilleure stratégie de commande. Une réduction telle est égale à la surface totale des panneaux nécessaires équipant chacun des milliers d’héliostats d’une centrale solaire, sans mentionner la réduction sur le coût. En ce qui concerne la consommation globale d’un héliostat elle est diminuée de 29 % (optimisation RE, retour d’état) dans le cas le plus défavorable jusqu’à 37 % (synthèse classique PI, proportionnel intégral) dans le plus favorable, pour la seule part due à l’utilisation d’un seul hacheur au lieu de deux. L’optimisation de la référence conduit à participer jusqu’à 20 % à la réduction de la consommation d’un héliostat (plans d’expériences). Cependant, dans le cas de la synthèse classique PI, le gain du à la référence est nul.

Conclusion générale 183

La consommation certes faible de moteurs en comparaison de celle des hacheurs, peut être divisée par 20 en modifiant les stratégies de poursuite. Sur les centrales solaires, les héliostats corrigent leurs positions suivant une tolérance angulaire fixe. Les corrections angulaires fixes sont les mêmes sur tous les héliostats. Si cette tolérance est reportée sur l’erreur métrique de la tache sur le récepteur, la consommation est donc considérablement réduite. Cette perspective implique cependant une adaptation héliostat par héliostat pour déterminer son seuil de tolérance. En perspective immédiate, un travail commun est en cours avec la thèse de Nicole Suclla Fernandez. L’objectif est de faire varier l’amplitude de la référence en position des héliostats sur un temps de correction variable afin d’obtenir le meilleur point de fonctionnement.

Malgré une réduction par 20 fois de la consommation du moteur, l’impact sur la consommation globale (moteurs, hacheurs, codeurs...) d’un héliostat varie de 4,8 % à 11,6 % entre la pire commande et la meilleure commande étudiées. Pour une poursuite des travaux, un hacheur adapté pourrait être développé et ainsi envisager une réduction considérable l’énergie demandée par l’héliostat. À cet effet, plusieurs héliostats pourraient être alimentés par un même générateur autonome. La question des tranchées se poserait à nouveau cependant. Combien d’héliostats peuvent être reliés entre eux sans augmenter l’ACV et perdre finalement l’intérêt de l’autonomie? Enfin, l’utilisation d’un hacheur adapté permettrait d’envisager de nouveaux systèmes de stockage tels que les supercondensateurs dont le stockage serait suffisant pour la poursuite. De plus leurs cycles de charge et décharge sont plus adaptés aux demandes en courants ponctuels en poursuite.

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Annexes

Annexe A. Hacheur centrale THEMIS Annexe B. Héliostat autonome (Almería) Annexe C. Transformateur (ACV) Annexe D. Moteur (maquette) Annexe E. Codeur incrémental Annexe F. Hacheur (maquette) Annexe G. Mesures Chapitre IV Annexe H. MPPT Annexe I. Panneau solaire Annexe J. Batteries

Annexes 198

Annexe A. Hacheur centrale THEMIS

Annexes 199

Annexes 200

Annexe B. Héliostat autonome (Almería)

Annexes 201

Annexe C. Transformateur (ACV)

Annexes 202

Annexes 203

Annexes 204

Annexes 205

Annexe D. Moteur (maquette)

Annexes 206

Annexe E. Codeur incrémental

Annexes 207

Annexes 208

Annexe F. Hacheur (maquette)

Annexes 209

Annexe G. Mesures Chapitre IV

Fig. Mesures pour une synthèse classique 2 PI en butée 1*

Annexes 210

Fig. Mesures pour une synthèse classique 2 RE en butée 1*

*Références :

en rouge : échelon en vert : rampe en bleu : cubique

Annexes 211

Annexe H. MPPT

Annexes 212

Annexe I. Panneau solaire

Annexes 213

Annexes 214

Annexe J. Batteries

Annexes 215

Annexes 216

Annexes 217

Abstract

Heliostats of solar thermodynamic plants can be numerous. Long cables cross the field to supply two motors per heliostat, which actually enable the double rotation to track the Sun on the azimuth side and elevation side. The main objective of this research is to evaluate the possibility of using autonomous heliostats with a photovoltaic generator, in order to avoid these kilometers of cables. In the first part of the research, a life cycle assessment is compared between the classical architecture and the autonomous heliostat. Then, an optimization of the consumption per heliostat by the control on a single rotation is tracked. The most significant change is the use of one chopper for the two motors instead of two. At least, the research focuses on the impact on the size of the photovoltaic generator and storage capacity on a whole year according the optimization on a single rotation. Keywords: Hybridization, Mutualization, Control, Energetic autonomy, Optimization, Designs of experiments

Résumé

Les centrales à concentration utilisent la radiation solaire directe pour produire de la chaleur et, comme dans la plupart des cas, de l’électricité par transformation de cette chaleur. Les centrales dites « à tour » sont associées à un vaste champ héliostatique dont l’alimentation se fait généralement par de longs câbles à l’intérieur de tranchées qui peuvent mesurer plusieurs kilomètres. Pour pallier cette solution, la thèse s’inscrit donc dans l’évaluation de la mise en place d’héliostats autonomes énergétiquement via un générateur solaire et un stockage électrochimique (batteries). Le dimensionnement de ce système est optimisé par la commande des deux moteurs des héliostats (azimut et élévation) en vue de minimiser leur consommation globale. L’impact environnemental global est également comparé par rapport à la solution des tranchées grâce à une analyse de cycle de vie. Cette recherche est effectuée au sein du laboratoire LAPLACE de Toulouse en collaboration avec le laboratoire PROMES d’Odeillo. Mots clés : Hybridation, Mutualisation, Commande, Autonomie énergétique, Optimisation, Plans d’expériences