Modélisation dynamique d'un système autonome de production d'électricité forme du couplage d'un capteur solaire à concentration ponctuelle et d'un moteur à cycle de Stirling

Abstract

Ce travail de thèse porte sur la filière thermodynamique et vise à caractériser un mode de conversion spécifique de l'énergie solaire pour la production d'électricité. Il s'agit d'étudier un système autonome de production d'électricité formé du couplage d'un capteur solaire à concentration ponctuelle et d'un moteur à cycle de Stirling placé en son foyer. Pour atteindre cet objectif, le travail proposé est présenté en quatre chapitres. Après une introduction succincte sur la conversion de l’énergie solaire en électricité, le principe de fonctionnement des centrales solaires thermodynamiques et leurs avantages et inconvénients, nous avons présenté certains termes relatifs aux technologies solaires à concentration. Dans le premier chapitre, et après une description bien détaillée des systèmes parabole-Stirling et leurs composants, l’état de l’art et des lieux ainsi que le développement historique et technologique de cette sorte de conversion de l’énergie solaire ont été présentés. L’utilisation de données météorologiques fiables et compatibles est indispensable à l’évaluation des performances de systèmes solaires, le deuxième chapitre de cette étude a été consacré à l’évaluation de la ressource solaire. L’acquisition des données météorologiques nécessaires notamment le rayonnement solaire direct est un problème sérieux en Algérie, car seule la station météorologique de Tamanrasset assure ça mais les données ne sont pas à la portée des chercheurs Algériens. Une situation pareille nous a poussé à utiliser la base de données METEONORM pour acquérir les données météorologiques nécessaires pour notre étude. Pour justifier cette situation, une étude comparative entre les données mesurées par la station installée à l’unité de recherche de Ghardaia et celles issues du METEONORM a été effectuée Le chapitre suivant a pour objectif d’établir une modélisation dynamique d’un système parabole-Stirling. Le modèle global élaboré est formé de trois sousmodèles, chacun représente une étape de la chaine de conversion solaire-électricité, tout en permettant d’étudier d’une manière correcte les phénomènes thermiques et les différentes déperditions associées à chacune de ces étapes. Le premier sousmodèle est consacré à modéliser un concentrateur parabolique par un code de calcul puissant et fiable. Dans ce sens, le concentrateur parabolique qui se trouve au niveau du CDER a été choisi et le code de calcul SOLTRACE a été utilisé pour abouter cette tache. Les sorties de ce sous-modèle sont utilisées comme entrées au second sous-modèle relative au récepteur solaire. L’objectif est d’avoir un modèle performant permettant d’étudier le comportement thermique en premier lieu et de dimensionner un récepteur solaire adéquat en deuxième lieu. Dans le but d’aborder les difficultés de la modélisation des moteurs Stirling, un moteur Stirling délivrant une puissance nominale de 600 kW a été modélisé en utilisant la méthode découplée adiabatique dans laquelle les phénomènes de transfert de chaleur sont étudiés par l’approche quasi-stationnaire. Le modèle global développé nous a permet d’étudier et de simuler le comportement de ce système sous différents conditions climatiques. Le dernier chapitre de cette étude a eu pour objectif pour étudier le potentiel technico-économique du système parabole-Stirling en utilisant le code de calcul dit: Solar Advisor Model (SAM) développé par National Renewable Energy Laboratory (NREL). La première partie s’intéresse à évaluer les performances énergétiques et les indicateurs économique de deux scénarios de développement du système parabole-Stirling EURODISH den trois sites typiques et représentatifs de chaque zone climatique de l’Algérie (Alger, Becher et Tamanrasset). Les résultats de la simulation montrent que la production décentralisée de l’électricité qui est actuellement en plein essor peut être économique par le système EURODISH mais quand il atteint le stade de maturité (fabrication de Plus de 500 systèmes). La deuxième partie de ce chapitre est s’intéressée à étudier la viabilité économique de la technologie parabole-Stirling pour la production centralisée de l’électricité sous différents climats Algériens. A cet effet, une centrale de 100MW a été proposée, le logiciel SAM a été utilisé et les mêmes trois sites ont été maintenus. Les valeurs des indicateurs économiques obtenues sont très encourageantes à introduire et implanter cette technologie en Algérie notamment dans le grand Sud.