Dimensionnement d’une centrale solaire thermodynamique basée sur la technologie de tours solaires
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Date
2025
Authors
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Université Badji Mokhtar Annaba
Abstract
L’étude et l’évaluation de l’impact des paramètres des sous-systèmes des centrales à tour solaire revêtent une importance cruciale dans l’amélioration de leurs performances. L’un des défis majeurs rencontrés dans le champ solaire d’héliostat est la réduction du phénomène de blocage causé par les héliostats adjacents. Le dimensionnement optimal du champ solaire, du récepteur, du sy stème de conversion, ainsi que l’étude de sensibilité des facteurs déterminants, engendrent une améliorationsignificative des performances globales. L’objectif de la présente thèse est d’effectuer un dimensionnement optimal d’une centrale à tour solaire dans le sud algérien. Pour ce faire, il est primordial de mener une étude météorologique sur trois régions du désert algérien répondant aux critères requis pour l’implantation d’une telle centrale. Ensuite, une disposition des héliostats visant à minimiser l’effet de blocage a été conçue en utilisant Matlab pour le calcul de leurs positions, et SolarPilot pour évaluer les performances du champ solaire. Une analyse paramétrique a été réalisée afin d’identifier l’impact des paramètres de conception sur les performances du champ et de générer une disposition optimale. Un dimensionnement du récepteur solaire a ensuite été effectué, prenant en compte l’effet du fluide caloporteur, du matériau de construction des tubesainsi que les paramètres opérationnels et géométriques, en vue de déterminer les options les plus performantes. La modélisation du système de conversion a été réalisée à l’aide d’Aspen Hysys, accompagnée d’une étude comparative de cinq sy stèmes de conversion d’énergie (Rankine, Brayton, Brayton régénératif, Brayton en cascade, et cycle combiné (Brayton-Rankine). Ces systèmes ont été évalués en termes d’efficacité globale, d’efficacité thermique et de puissance électrique nette produite. Les résultats obtenus indiquent que les paramètres géométriques du champ solaire influencent significativement ses performances. La disposition optimale du champ permetune amélioration de 8.3 % par rapport à la disposition initiale. La disposition de 2120 héliostats atteintune efficacité optique de 65.85 % et une efficacité de blocage de 99.03 %. La réduction de la vitesse du vent, de celle du fluide, ainsi que du diamètre extérieur des tubes du récepteur, améliore notablement l’efficacité de ce dernier. Le sodium liquide et l’acier inoxydable se sont révélés particulièrement performants. Parmi les systèmes thermodynamiques analysés, le cycle combiné associé au champ solaire optimisé (2120 héliostats) offre les meilleures performances, avec une efficacité thermique de 63.9 %, une efficacité globale de 34.31 %, et une puissance électrique nette de 77.96 MW. Le cycle de Bray ton régénératif arrive en deuxième position, avec une amélioration de 29% de l’efficacité globalepar rapport au Bray ton classique. En revanche, le système de Brayton en cascade présente des performances réduites, notamment en raison de la complexité accrue liée au nombre plus élevé de composants. En outre, la diminution de la fraction du débit Y (ṁ 1/ṁtot) permet une amélioration de la productivité du système. Enfin, La comparaison de la centrale proposée dans ce travail (C1) et deux autres centrales issues d’une étude antérieure (C2 et C3), montre que (C1) occupe moins d’espace tout en présentant une augmentation de 55.92 % de la puissance électrique nette et une amélioration de plus de 16.14 % de l’efficacité optique et de 58.17 % du rendement thermique par rapport à (C2). D’autre part, des gains sont également notables par rapport à (C3), avec une augmentation de 14.92 % de l’efficacité optique et de 42.32 % du rendement thermique.
Description
Keywords
champ d’héliostats; récepteur central; système de conversion