Modélisation et optimisation des centrales solaires linéaires Fresnel à génération directe de vapeur

Modelling and optimisation of direct steam generation linear Fresnel solar plants

• Auteur / Autrice : Edouard Montanet
• Direction : Sylvain Rodat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur. Énergétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 10/07/2024
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Quentin Falcoz, Jean-Pierre Bedecarrats, Valéry Vuillerme, Pierre Neveu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Py, Benoît Stutz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Centrales solaires

Énergie solaire

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Centrale solaire à concentration Fresnel

Géneration directe de vapeur

Stockage d'énergie

Energie renouvelable

Fresnel concentrator solar plant

Direct steam generation

Energy storage

Renewable energy

Résumé

Ce manuscrit aborde la modélisation numérique d’une installation commerciale utilisant la technologie de concentration solaire linéaire Fresnel pour la production directe de vapeur d’eau à haute pression (70 bars) qui sera valorisée en énergie électrique grâce à un groupe turbo-alternateur de 10 MW. Cette installation nommée centrale solaire eLLO, située sur le plateau Cerdan dans les Pyrénées-Orientales, France, fait suite à l’expérience positive de SUNCNIM sur la conception et la réalisation d’un prototype de concentrateur linéaire Fresnel à génération directe de vapeur à La Seyne-sur-Mer, Var, France. Néanmoins, le changement d’échelle et les premières années d’exploitation révèlent le besoin de redéfinir les sousmodèles utilisés pour le dimensionnement du projet eLLO.Ainsi, le projet de recherche présenté dans ce document a pour objectif de développer un modèle global de la centrale pour étudier ses performances et proposer des pistes d’optimisations de l’installation et des stratégies opératoires. Un modèle optique, développé sur la base de la méthode de lancer de rayons, permet de définir le comportement optique des concentrateurs solaires pour toutes les positions solaires et d’étudier les particularités des champs solaires de la centrale eLLO comme l’orientation et l’inclinaison des concentrateurs, la non-coplanarité des récepteurs solaires ou encore la distribution asymétrique des rayons de cintrage des miroirs. Une étude thermique expérimentale et un modèle numérique permettent de redéfinir la caractérisation des pertes thermiques des récepteurs solaires. La validation de ces études est effectuée en comparant les résultats aux performances optiques et thermiques d’autres concentrateurs solaires linéaires Fresnel développés par des industriels ou des laboratoires. Finalement, ces résultats sont utilisés comme donnée d’entrée du modèle global qui est constitué de l’ensemble des composants et des régulations, du récepteur solaire au groupe turbo-alternateur du cycle thermodynamique de Hirn mis en oeuvre à la centrale. Validé en comparant les résultats numériques aux données expérimentales, le modèle global permet de décrire le comportement dynamique de l’installation industrielle et ainsi de mettre en évidence des pistes d’améliorations du procédé. Les connaissances apportées par le modèle optique et l’étude des pertes thermiques permettent de proposer une stratégie de régulation de la recirculation de l’eau dans les champs solaires ayant pour objectif 80 % de vapeur à la sortie des lignes solaires. Ce document se termine par une analyse des données expérimentales issues de la centrale et la caractérisation de certains indicateurs de performance qui sont, à notre connaissance, une première dans la littérature scientifique pour une installation commerciale.

This manuscript presents the numerical modelling of a commercial plant using Fresnel linear solar concentrator technology for the direct production of high-pressure (70 bar) steam, which will be converted into electrical energy using a 10 MW turbine-generator set. This installation, known as the eLLO solar power plant, located on the Cerdan plateau in the Pyrénées-Orientales, France, follows SUNCNIM's positive experience in designing and building a linear Fresnel concentrator prototype for direct steam generation in La Seyne-sur-Mer, Var, France.Nevertheless, the change of scale and the first years of operation revealed the need to redefine the sub-models used for sizing the eLLO project. The aim of the research project presented in this document is therefore to develop a global model of the power plant in order to study these performances and propose ways of optimizing the installation and the operating strategies. An optical model, developed on the basis of the ray-tracing method, is used to define the optical behaviour of the solarconcentrators for all solar positions, and to study the particularities of the eLLO power plant's solar fields, such as the orientation and inclination of the concentrators, the non-coplanarity of the solar receivers and the asymmetric distribution of the mirrors bending radius. An experimental thermal study and a numerical model are used to redefine the characterizationof solar receiver heat losses. These studies are validated by comparing the results with the optical and thermal performance of other Fresnel linear solar concentrators developed by industries or laboratories.Finally, these results are used as input data for the global model, which comprises all components and controls, from the solar receivers to the turbo-alternator unit of the Hirn thermodynamic cycle implemented at the plant. Validated by comparing numerical results with experimental data, the global model can be used to describe the dynamic behaviour of the industrial plant, and thus highlights potential areas of process improvement. The knowledge provided by the optical model and the heat loss study enables to come up with a strategy for regulating water recirculation in the solar fields, with a target of 80% steam at the outlet of the solar lines. The manuscript concludes with an analysis of experimental data and the characterization of performance indicators which, to our knowledge, is a first achievement in the scientific literature for a commercial installation.