Évaluation à l’échelle système de composants innovants pour les collecteurs cylindro-paraboliques

La chaleur représente 45% de l’énergie finale consommée en France. Elle est aujourd’hui produite à 60% par des énergies fossiles. Face à la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre du mix énergétique et de diversifier les sources d’énergie, le développement et l’amélioration des technologies solaires thermiques est stratégique. Cet article s’intéressera en particulier aux collecteurs solaires cylindro-paraboliques (PTC) . De nombreux travaux scientifiques cherchent à améliorer leurs performances en développant de nouveaux fluides, de nouvelles géométries de tubes ou encore de nouveaux revêtements de tubes. Ces recherches, réalisées souvent à une échelle composant, permettent difficilement d’évaluer l’impact de ces améliorations à l’échelle d’une installation industrielle. L’objectif de cette étude a donc été d’évaluer les performances de ces collecteurs à l’aide de la simulation à l’échelle système pour différents types d‘améliorations (géométrie, revêtement du tube absorbeur et huile thermique). Pour cette étude, le logiciel de simulation système Dymola, basé sur le langage Modelica, a été utilisé afin de créer une bibliothèque de composants permettant de modéliser les différents composants des collecteurs PTC et leurs améliorations. La conception s’est appuyée sur la Modelica Standard Library, les travaux existants sur Modelica pour les collecteurs PTC et a été adaptée du modèle de Forristal. Dans un premier temps, à partir de modèles de transferts thermiques théoriques de la littérature, un collecteur, des fluides caloporteurs ainsi qu’un tube simplifié ont été modélisés afin de pouvoir facilement ajouter les améliorations géométriques. Une fois les différents composants développés, il a été nécessaire de vérifier la cohérence des résultats obtenus par simulation en les validant à l’aide de données expérimentales. Enfin, plusieurs simulations en conditions réelles avec différentes géométries ont été effectuées afin de comparer les améliorations par rapport au collecteur « classique ». Pour cela, un système intégrant des collecteurs cylindro-paraboliques, un échangeur et une pompe de circulation, permettant de faire monter en température de l’eau a été modélisé afin de par la suite les intégrer à des systèmes complets pour la production d’électricité (eau à 400degC) ou l’alimentation d’un réseau de chaleur urbain (eau à 80degC). Ces travaux ont ainsi permis de créer une bibliothèque Modelica fonctionnelle, facilement modifiable selon les améliorations que l’on cherche à étudier. Les différents composants validés permettent de simuler correctement des systèmes complexes. Grâce aux premières simulations, il est possible d’évaluer l’impact des améliorations sur la production de chaleur dans un lieu défini (Calais) sur une période donnée et pour température de consigne pour l’eau chaude produite définie. Une étude de sensibilité a aussi été menée pour déterminer les paramètres influençant le plus le système.

Article

PDF : download