Production décentralisée d’électricité et de chaleur par système Parabole/Stirling : application au système EURODISH

• Auteur / Autrice : François Nepveu
• Direction : Françoise Bataille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur. Énergétique et environnement
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Perpignan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Poggi, Isabelle Verdier, Philippe Lefèvre, Jean-Jacques Bézian, Alain Ferriere
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Stouffs, Michel Feidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion photovoltaïque

Centrales solaires

Énergie solaire

Cogénération de chaleur et d'électricité

Résumé

Dans le cadre du projet européen EnviroDish, un système Parabole/Stirling EURODISH de 10 kW elec est en fonctionnement depuis Juin 2004 à Odeillo au laboratoire PROMES. Dans le cadre de ce projet, l’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel technico-économique de cette micro-centrale solaire thermodynamique. Après une introduction rapide sur le potentiel et l’intérêt de la production d’électricité par une centrale solaire thermodynamique, un état de l’art portant sur les systèmes Parabole/Stirling est réalisé. Dans un second temps, après une description du fonctionnement du système EURODISH, ses performances instantanées, journalières et mensuelles sont présentées sur une période allant de juin 2004 à février 2008. Ce retour d’expérience est mitigé ; d’un côté, le rendement de conversion brut solaire-électricité a atteint des valeurs records à 23. 6 % en instantané et de 22 % en mensuel, et d’un autre côté, le système a souffert d’un manque criant de fiabilité, avec pour la période d’étude, 963 opérations de réparation et de maintenance. Le chapitre suivant présente une modélisation de la conversion énergétique solaire-électricité du module EURODISH. En plus d’aborder les problèmes de la modélisation des différents composants d’un système Parabole/Stirling, l’objectif est d’avoir à disposition un outil performant permettant d’étudier en détail les différents étapes de la conversion solaire- électricité et les pertes énergétiques associées à chacune de ces étapes. Le concentrateur parabolique est modélisé en utilisant le code de calcul de flux solaire SOLTRACE. La confrontation des résultats des simulations à des mesures expérimentales montre que SOLTRACE est un code puissant bien adapté à l’étude d’un concentrateur parabolique. Le récepteur est ensuite modélisé en utilisant la méthode nodale. Une discrétisation fine de l’absorbeur permet de prendre en compte la non-uniformité du flux solaire concentré et d’obtenir ainsi une bonne concordance sur les températures de paroi de l’absorbeur entre les résultats du modèle et des mesures expérimentales. Enfin, la modélisation du moteur Stirling Solo V161 est effectuée à l’aide d’une méthode découplée adiabatique classique dans lesquelles les transferts sont modélisées à partir de l’approche quasi-stationnaire. Une comparaison avec des mesures expérimentales des puissances entrantes et sortantes du système EURODISH montrent que la principale source d’erreur des simulations a pour origine la modélisation d u moteur Stirling. Les écarts sur le rendement du cycle Stirling de l’ordre de 6 % restent cependant largement acceptable. Le modèle est ensuite utilisé pour étudier la sensibilité du système en fonction de différents paramètres géométriques ou physiques. Le dernier chapitre de cette thèse est consacré à l’étude technico-économique d’un système EURODISH appliqué à la cogénération électricité/eau chaude sanitaire. Une modélisation complète du cogénérateur associé à une installation de préparation d’eau chaude sanitaire est réalisée à partir des résultats du chapitre précédent et d’une méthode nodale classique. La ressource solaire est ensuite étudiée sur deux sites, à Vignola en Corse et à Odeillo dans les Pyrénées orientales, à partir de mesures d’ensoleillement direct normal faites sur plus de 5 années. Des simulations réalisées pour des besoins en eau chaude correspondant à un hôtel de 15 chambres du type « été » à Vignola, « hivers » à Odeillo et 4 saisons pour les deux sites, montrent que la valorisation d’une partie des rejets thermiques du moteur Stirling permet d’améliorer de façon remarquable les performances globales du système EURODISH. Le coût normalisé de l’électricité peut, sous certaines hypothèses, descendre sous les 25 c€. KWh -1 , un cogénérateur EURODISH fiabilisé pouvant ainsi représenté un investissement rentable et sansrisque.

Since July 2004, a 10 kW el Dish/Stirling unit is in operation at the PROMES laboratory in Odeillo in France. This system is one of the several country reference units of the EnviroDish project. In the area of this project, the objective of this doctorate is to evaluate the technico-economical potential of this micro-concentrated solar plant. In a first time, after an introduction on the development potential of the concentrated solar plant, a state of art concerning Dish/Stirling systems is achieved. In a second time, the EURODISH system operation is described and the instantaneous, daily and monthly performances and operation experiences of this system are presented on a period from July 2004 to February 2008. In one hand, the solar to electricity efficiency has reached instantaneous and monthly record values for a EURODISH unit of 23. 6 % and 22 % respectively. But in the other hand, the system reliability is too low and 963 breakdowns have been noticed. The next chapter presents a global thermal model of the energy conversion of the EURODISH Dish/Stirling unit, from solar energy to electricity provided to the grid. In addition to study problem linked to the modelling of the parabolic concentrator, solar receiver and Stirling engine, the objective is to develop a tool to evaluate the optical and thermal losses of the system components, to identify the key parameters of the design and to study their influences on the performances of the components according to various operation conditions. The parabolic concentrator behaviour is simulated using the ray-tracing code SOLTRACE. The comparison between simulation results and experimental measurements made in July 2006 by a PROMES/DLR team shows a good agreement and that SOLTRACE is a good code to simulate a parabolic concentrator. Then, a nodal method is used to calculate the heat losses by reflection, thermal radiation, convection out of the cavity and conduction through the ceramic walls. The absorber is divided in 8 control-volumes in order to take into account the inhomogeneous solar flux distribution. Compared to experimental measurements, simulations give results with a good agreement in particular for the absorber temperatures. To complete the global model, a nodal analysis of the Solo V161 Stirling engine is performed using some assumptions to simplify mass equation and energy equation written for each control-volume. A comparison of the model results with experimental measurements of the power input and output of the EURODISH unit shows that the differences are dues to Stirling engine model. A difference of 6 % is calculated for the Stirling cycle efficiency. The last chapter is dedicated to the technico-economical study of a Dish/Stirling based cogeneration system electricity/domestic hot water. In a first time, a dynamic model of the conversion from solar energy to electricity and heat of the EURODISH Dish/Stirling unit coupled to a solar domestic hot water system is built using results of the last chapter and a classical nodal analysis. Then, the hourly Direct Normal Insolation are calculated from DNI measurements data over a period upper than 5 year in two locations in France (Vignola, Corsica island and Odeillo, Pyrenees). Simulations are performed for a domestic hot water supply of 15 rooms corresponding to the consumption of a “summer” hotel in Vignola, a “winter” hotel in Odeillo and a “classical” hotel in both cases. Simulations show that the recovery of the thermal energy evacuated by the Stirling engine could improve performances of the EURODISH dish/Stirling unit. Levelised Electricity Cost reaches 25 c€. KWh -1 under some assumptions and a EURODISH unit based cogeneration system could be a very good investment without economical risk.