Modélisation des technologies solaires

Gisement solaire

Energie solaire à concentration (CSP)

Énergie solaire à concentration (CSP) est une technologie de production d’énergie qui utilise des miroirs ou des lentilles à 4 ; concentrer les rayons du soleil et, dans la plupart des systèmes de CSP d’aujourd’hui, pour chauffer un fluide et produire de la vapeur. La vapeur entraîne une turbine et génère de l’énergie de la même manière que les centrales classiques.
D’autres concepts sont explorés et non toutes les futures centrales CSP utiliseront nécessairement un cycle de vapeur.
La thermodynamique solaire est l’une des valorisations du rayonnement solaire direct.
Cette technologie consiste à concentrer le rayonnement solaire pour chauffer un fluide à haute température et produire ainsi de l’électricité ou alimenter en énergie des procédés industriels.
Les centrales solaires thermodynamiques recouvrent une grande variété de systèmes disponibles tant au niveau de la concentration du rayonnement, du choix des fluides caloporteur et thermodynamique ou du mode de stockage.

Fluides caloporteurs et thermodynamiques

L’énergie thermique provenant du rayonnement solaire collecté est convertie grâce à un fluide caloporteur puis un fluide thermodynamique. Dans certains cas, le fluide caloporteur est utilisé directement comme fluide thermodynamique. Le choix du fluide caloporteur détermine la température maximale admissible, oriente les choix de la technologie et des matériaux du récepteur et conditionne la possibilité et la commodité du stockage.
• L’eau liquide est, a priori, un fluide de transfert idéal .Elle offre un excellent coefficient d’échange et possède une forte capacité thermique. En outre, elle peut être utilisée directement comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine. Cependant son utilisation implique de travailler à des pressions très élevées dans les récepteurs en raison des hautes températures atteintes, ce qui pose problème pour les technologies cylindroparaboliques.
• Les huiles sont des fluides monophasiques qui présentent un bon coefficient d’échange.
Leur gamme de température est limitée à environ 400 °C. C’est le fluide le plus couramment employé dans les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques.
• Les sels fondus à base de nitrates de sodium et de potassium offrent un bon coefficient d’échange et possèdent une densité élevée. Ils sont donc également de très bons fluides de stockage. Leur température de sortie peut atteindre 650 °C. Leur association avec un concentrateur à tour et un cycle de Rankine constitue une combinaison déjà éprouvée.
• Les gaz tels l’hydrogène ou l’hélium peuvent être utilisés comme fluides thermodynamiques et entraîner les moteurs Stirling qui sont associés aux collecteurs paraboliques.
• Les fluides organiques (butane, propane, etc.) possèdent une température d’évaporation relativement basse et sont utilisés comme fluide thermodynamique dans un cycle de Rankine.
• L’air peut être utilisé comme fluide caloporteur ou comme fluide thermodynamique dans les turbines à gaz.

Production en continu par le stockage et l’hybridation

• Stockage : un atout majeur de certaines technologies solaires thermodynamiques est leur capacité de stockage qui permet aux centrales de fonctionner en continu. En effet, lorsque l’ensoleillement est supérieur aux capacités de la turbine, la chaleur en surplus est dirigée vers un stockage thermique, qui se remplit au cours de la journée. La chaleur emmagasinée permet de continuer à produire en cas de passage nuageux ainsi qu’à la tombée de la nuit. Plusieurs procédés de stockage peuvent être utilisés : sel fondu, béton, matériaux à changement de phase, etc.
• Hybridation avec une source de chaleur fossile ou biomasse permet d’accroître la disponibilité des installations et de produire la chaleur de manière garantie. Elle favorise ainsi la stabilité des réseaux électriques nationaux et continentaux.

Perspectives de la solaire thermodynamique

La technologie de la thermodynamique solaire utilise une source renouvelable et possède un potentiel de ressources très important dans les régions à ensoleillement intense.
L’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) prévoit une contribution de cette technologie à hauteur de 11,3 % de la production d’électricité mondiale à l’horizon 2050.
Avec plus de 1 000 000 MW de capacité installée, les centrales solaires thermodynamiques pourraient fournir une production électrique de 4 770 TWh par an.
L’Estela (Agence européenne du solaire à concentration) prévoit un objectif européen de 30 000 MW de capacité installée et de 89,8 TWh/an de production d’électricité en 2020.
Potentiel, ressources
Les zones les plus favorables à l’utilisation de l’énergie solaire concentrée sont celles où l’ensoleillement direct est supérieur à 1 900 kWh/m2/an. Les régions adaptées sont très nombreuses et recèlent un potentiel très important. Elles se situent principalement en Afrique du Nord et septentrionale, au Proche et Moyen-Orient, en Australie, dans le sud-ouest des États-Unis, en Inde ou encore en Asie centrale.

Photovoltaïque à concentration (CPV)

Le photovoltaïque à concentration (CPV) est basé sur un principe simple : la lumière du soleil est concentrée plusieurs centaines de fois par un dispositif optique (miroir parabolique ou lentille de Fresnel) avant d’atteindre la cellule photovoltaïque. Grâce à la concentration, la surface de cellule utilisée est beaucoup plus faible et donc la quantité de matériels semi-conducteurs, composant le plus coûteux d’un module solaire, est diminuée. Le rendement d’un module photovoltaïque à concentration est nettement supérieur à celui des autres technologies. A puissance égale, une centrale CPV nécessite donc moins d’espace qu’une centrale PV classique.

Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir d’une jonction pn au silicium (diode). Pour obtenir du silicium dopé n, on ajoute du phosphore. Ce type de dopage permet au matériau de libérer facilement des électrons (charge -).
Pour obtenir du silicium dopé p, on ajoute du bore. Dans ce cas, le matériau crée facilement des lacunes électroniques appelées trous (charge +).
La jonction pn est obtenue en dopant les deux faces d’une tranche de silicium. Sous l’action d’un rayonnement solaire, les atomes de la jonction libèrent des charges électriques de signes opposés qui s’accumulent de part et d‘autre de la jonction pour former un générateur électrique.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Gisement solaire
I.1. Introduction
I.1.1. Soleil
I.1.1.1. Description
I.1.1.2. Grandeurs
I.1.1.3. Constitution du soleil
I.1.1.3.a. Intérieur
I.1.1.3.b. Photosphère
I.1.1.3.c. Chromosphère
I.1.1.3.d. Couronne
I.1.1.4. Spectre solaire
I.1.1.5. Constante solaire(I0)
I.2. Rappels astronomique
I.2.1. Mouvement de la terre
I.2.2. Grandeurs géographiques et astronomiques
I.2.2.1. Grandeurs pour le repérage du soleil
I.2.2.a. Repère de coordonnés équatoriale
I.2.2.b. Repère de coordonnées horizontales
I.2.2.2. Grandeurs pour le repérage d’un site à la surface terrestre
I.2.2.3. Orientation d’un plan
I.2.2.4. Angle d’incidence sur un plan
I.2.2.5. Rayonnement solaire
I.2.2.6. Gisement solaire en Algérie
I.3. Conclusion
Chapitre II : Technologies solaire
II.1. Introduction
II.2. Partie 1
II.2.1 Energie solaire à concentration (CSP)
II.2.2. Systèmes de concentration
II.2.3. Fluides caloporteurs et thermodynamiques
II.2.4. Systèmes de génération d’électricité…
II.2.5. Production en continu par le stockage et l’hybridation
II.2.6. Différents types de centrales solaires thermodynamiques
II.2.6.1. Centrales à collecteurs cylindro-paraboliques
II.2.6.2. Centrales solaires à miroir de Fresnel
II.2.6.3. Centrales à tour
II.2.6.4. Centrales à capteurs paraboliques
II.2.6.5. Cas particulier : la tour solaire à effet de cheminée
II.2.7. Perspectives de la solaire thermodynamique
II.3. Partie 2
I.3.1. Photovoltaïque
II.3.2. Photovoltaïque à concentration (CPV)
II.3.3. Type de centrales PV
II.3.4. Cellule photovoltaïque
II.3.4.1. Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
II.3.4.2. Différents types de panneaux photovoltaïques
II.3.4.2.a. Panneaux PV avec des cellules monocristallines
II.3.4.2.b. Panneaux PV avec des cellules poly-cristallines
II.3.4.2.c. Modules photovoltaïques amorphes
II.4. Conclusion
Chapitre III : Modélisations
III.1. Introduction
III.2. Modélisation des technologies solaires
III.2.1. Concentrateurs solaires cylindro-paraboliques
III.2.1.1. Modélisation du modèle
III.2.1.2. Modélisation mathématique
III.2.1.3. Comportement du collecteur solaire
III.2.2. Photovoltaïque
III.2.2.1. Modélisation du système photovoltaïque
III.2.2.2. Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque
III.2.2.2.a. Circuit électrique idéal
III.2.2.2.b. Circuit électrique réel
III.3. Conclusion
Chapitre IV : Simulations
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation des Logiciels de simulation
IV.2.1. Présentation de TRNSYS
IV.2.2. Présentation de RETSCREEN
IV.3. Simulation
IV.3.1. Partie 1 : Photovoltaïque
IV.3.1.1. Champ solaire
IV.3.1.2. Cycle de puissance
IV.3.1.2.a. Convertisseur d’unités
IV.3.1.2.b. Panneaux photovoltaïques cristallins
IV.3.1.2.c. Onduleur
IV.3.1.2.d. Intégrateurs
IV.3.1.2.e. Traceur en ligne
IV.3.2. Partie 2 : Solaire à concentration
IV.3.2.1. Logiciel RETScreen
IV.3.2.1.a. Présentation du logiciel RETScreen
IV.3.2.1.b. Utilisation de RETScreen
IV.3.2.1.c. Organigramme d’une analyse par RETScreen
IV.3.2.1.d. Code de couleur des cellules
IV.3.2.1.e. Avantages et limitations de RETScreen
IV.3.2.2. Etude de projet des technologies solaires
IV.3.2.3. Analyse technico-économique du projet
IV.4. Conclusion
Chapitre V : Résultats et interprétations
V.1. Introduction
V.2. Résultats et discussion
V.2.1. Etude du système Photovoltaïque par TRNSYS
V.2.1.1. Analyse de la production électrique pour une journée du mois de Janvier
V.2.1.2. Analyse de la production électrique pour 03 mois typiques de l’année
V.2.1.3. Analyse de la production électrique mensuelle
V.2.2. Evaluation Technico-économique du système PV
V.2.2.1. Modèle énergétique
V.2.2.2. Analyse des résultats RETScreen pour le système PV
V.2.3. Evaluation Technico-économique du système concentrateurs solaires cylindroparaboliques
V.2.3.1. Modèle énergétique
V.2.1.2. Analyse des résultats RETScreen pour les concentrateurs solaires cylindroparaboliques
V.2.4. Evaluation Technico-économique de la tour solaire
V.2.4.1. Modèle énergétique
V.3. Conclusion
Conclusion générale

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