Concentrated Solar Power Park Design Project/fr

Ce document de recherche et de conception a été réalisé par Kaitlyn Burghardt dans le cadre du cours « Énergie et environnement » de troisième année en génie chimique à l’ Université Western . Le projet visait à concevoir une centrale solaire photovoltaïque avec stockage d’énergie thermique, selon les paramètres et hypothèses de conception suivants :

• Le parc peut produire 71 MW d'électricité
• La différence entre les températures de fonctionnement minimale et maximale est de 200 °C.
• Aucune perte d'énergie dans le générateur électrique (η _elec.gen. = 0,99)

Le projet devait comporter des calculs pour :

• Rendements de la production d'énergie à vapeur et de la production d'énergie électrique
• Débit de sel fondu
• Volume du sel fondu dans le réservoir de stockage
• Superficie du terrain requise pour le parc solaire

Il est important de noter que ce projet visait à évaluer la compréhension globale des élèves en matière de production d'énergie solaire et à promouvoir l'apprentissage du stockage de l'énergie thermique par la recherche. Par conséquent, la partie calculatoire peut ne pas refléter entièrement le fonctionnement d'une centrale solaire réelle. Ce projet a obtenu la note de 96 %.

l'introduction

La durabilité est un objectif de conception pour les chercheurs et les concepteurs de nombreux secteurs, notamment la transformation, l'agriculture, l'ingénierie et, surtout, l'énergie. Face à l'impact croissant des mouvements écologistes, l'énergie durable est devenue un facteur clé pour les professionnels. Ce type d'énergie à faible impact est défini comme une forme d'énergie pouvant être utilisée de manière répétée sans s'épuiser ni disparaître de la Terre. ^{[ 1 ]} L'énergie durable est généralement conçue dans une optique de réduction des dommages afin de prévenir des conséquences environnementales majeures pour les environnements actuels et futurs. ^{[ 1 ]} La production d'énergie renouvelable, à la base de l'énergie durable, provient de processus naturels dont le taux de production est plus rapide que le taux de consommation. ^{[ 2 ]} Il existe différents types d'énergie renouvelable. Ces processus peuvent impliquer directement ou indirectement le soleil (énergie solaire renouvelable) ou provenir de la chaleur de la Terre (énergie géothermique). ^{[ 2 ]} L'énergie renouvelable peut également être issue des mouvements interplanétaires (énergie marémotrice). ^{[ 2 ]}

L'énergie renouvelable, parfois appelée « énergie solaire nouvelle », est une source d'énergie primaire majeure sur Terre et représente 8,3 % de la distribution de l'énergie primaire. L'énergie nucléaire, qui comprend la fission (la division des atomes) et la fusion (la combinaison d'atomes), représente 13,5 % de la distribution de l'énergie primaire terrestre. Les combustibles fossiles, ou « énergie solaire ancienne », constituent les 78 % restants et comprennent le pétrole, le charbon et le gaz naturel. En raison des effets néfastes des combustibles fossiles, tels que les émissions de gaz à effet de serre, l'utilisation des énergies renouvelables est en constante augmentation. D'ici 2050, les énergies renouvelables devraient représenter 63 % de la distribution totale de l'énergie primaire. ^{[ 3 ]} L'énergie solaire est intéressante car elle est gratuite, puisqu'elle provient du Soleil, mais son rendement est d'environ 20 %. ^{[ 4 ]} Des efforts de recherche et de développement peuvent être menés pour améliorer le rendement de l'énergie solaire et en faire une solution plus viable.

Formes d'énergie produites à partir de l'énergie solaire directe

L’énergie renouvelable solaire peut prendre de nombreuses formes, notamment l’énergie solaire directe, éolienne, hydraulique, la biomasse, les biocarburants, l’énergie des vagues et l’énergie des gradients de salinité de l’eau. Le rayonnement électromagnétique émis par le soleil se présente sous forme de lumière. ^{[ 5 ]} Cette énergie rayonnante peut être directement convertie en énergie utile grâce à la technologie photovoltaïque (PV), l’énergie solaire thermodynamique (CSP) ou la photosynthèse.

électrique

La technologie photovoltaïque est couramment utilisée dans les panneaux solaires. Les cellules photovoltaïques qui les composent absorbent l'énergie des rayons du soleil. ^{[ 5 ]} Cette énergie est convertie en charge électrique et génère un courant électrique grâce au champ électrique interne de la cellule. ^{[ 5 ]} Une cellule photovoltaïque unique produit de 1 à 2 watts, mais, raccordée au réseau électrique, elle peut alimenter des installations plus importantes, comme des maisons individuelles, des bâtiments commerciaux, etc. ^{[ 6 ]} Généralement, les panneaux solaires nécessitent une batterie pour stocker l'énergie.

thermique

Une autre application directe de l'énergie solaire est le chauffage solaire, qui peut être réalisé par une centrale solaire thermodynamique. Les systèmes solaires thermodynamiques utilisent des miroirs pour réfléchir et concentrer la lumière du soleil sur des récepteurs. Le sel fondu contenu dans le récepteur est alors chauffé et transporte de l'énergie thermique. ^{[ 7 ]} Cette énergie thermique peut circuler dans un système et être utilisée pour alimenter un moteur ou faire tourner une turbine afin de produire de l'énergie électrique. ^{[ 7 ]} L'énergie thermique peut également être stockée et utilisée lorsque l'ensoleillement est insuffisant. ^{[ 5 ]} Les systèmes solaires thermodynamiques sont couramment utilisés comme centrales électriques ou pour de grands projets, mais un système parabolique/moteur individuel peut également produire de 5 à 25 kilowatts. ^{[ 7 ]}

chimique

Les plantes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique grâce à la photosynthèse. En termes simples, la photosynthèse est un processus vital fondamental par lequel les plantes utilisent la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l'eau pour produire de l'oxygène et du glucose. Les biocarburants sont issus d'un processus renouvelable où la biomasse (matière végétale) est brûlée pour produire de l'énergie. Le biodiesel est un carburant courant composé d'alcool, d'huile végétale et de graisse animale, utilisé pour alimenter les moteurs. ^{[ 8 ]} Une partie de l'énergie présente dans les plantes provient initialement de l'énergie solaire produite lors de la photosynthèse.  

Exemples de stockage d'énergie et d'applications

De plus, la quantité d'énergie disponible pour produire de l'électricité à partir de sources solaires renouvelables varie selon le lieu et l'heure de la journée. Un système de stockage d'énergie, permettant de convertir l'énergie électrique issue des réseaux électriques en une forme stockable, puis de la reconvertir en énergie électrique utilisable, est indispensable pour répondre aux besoins fluctuants de l'environnement et de la société. Dans le domaine de l'énergie solaire, les solutions de stockage sont particulièrement importantes car la lumière du soleil n'est disponible que le jour. Pour pouvoir être utilisée la nuit, l'énergie doit être stockée. Des exemples d'applications de conversion et de stockage d'énergie sont présentés ci-dessous.

Système hydroélectrique à pompage-turbinage (PHS)

L'un des moyens de stocker l'énergie électrique est d'utiliser une centrale hydroélectrique à pompage-turbinage. L'énergie électrique est convertie en énergie potentielle lorsque l'électricité pompe l'eau vers un réservoir. Lorsque cette eau est relâchée, elle actionne une turbine qui reconvertit l'énergie potentielle en énergie électrique et produit de l'électricité. ^{[ 9 ]} Ces systèmes sont de grande envergure, car la gravité est utilisée comme source d'énergie. ^{[ 10 ]} Les installations les plus récentes peuvent avoir des vitesses réglables pour produire différents niveaux de puissance. ^{[ 10 ]} Elles peuvent également fonctionner en circuit fermé, ce qui élimine le besoin d'une source d'eau à débit continu. ^{[ 10 ]} Les centrales hydroélectriques à pompage -turbinage ont une puissance nominale très élevée de 3 000 MW et un rendement de 70 à 85 %, mais leur densité énergétique est plus faible. ^{[ 10 ]}

le volant d'inertie

L'énergie électrique peut également être stockée sous forme d'énergie cinétique dans un volant d'inertie. L'électricité, fournie par un moteur, est utilisée pour faire tourner le volant, où l'énergie est convertie en énergie cinétique. ^{[ 10 ]} Lorsque de l'énergie électrique est à nouveau nécessaire, le moteur peut faire tourner le volant en sens inverse et récupérer l'énergie électrique. ^{[ 10 ]} Les volants d'inertie sont des dispositifs à forte densité énergétique et présentent un rendement élevé de 70 à 95 %. ^{[ 10 ]} Leur puissance maximale est d'environ 20 MW. ^{[ 10 ]}

Système d'air comprimé (CAS)

De plus, l'électricité peut être utilisée pour comprimer l'air dans un réservoir haute pression afin de stocker l'énergie sous forme de pression. L'air comprimé est ensuite chauffé par du gaz naturel et conduit à travers une turbine à détente pour produire de l'électricité. ^{[ 10 ]} Les systèmes à air comprimé ont un rendement maximal de 70 % lorsque la chaleur de l'air comprimé est récupérée, mais leur rendement se situe le plus souvent entre 40 et 50 %. ^{[ 10 ]} Ces systèmes ont généralement une puissance maximale de 1 000 MW et une durée de vie de 40 ans. ^{[ 10 ]}

des batteries

Les batteries rechargeables stockent l'énergie électrique sous forme d'énergie électrochimique. Dans une batterie au plomb, une série de réactions chimiques assure la conversion lors des cycles de charge et de décharge. Plus récemment, les batteries lithium-ion ont gagné en popularité grâce à leur conception légère et à leur forte densité énergétique, comparativement aux batteries au plomb. ^{[ 10 ]} Les batteries lithium-ion sont utilisées dans les appareils portables pour alimenter les véhicules électriques. ^{[ 10 ]} La plupart de ces batteries ont une puissance maximale de 100 MW et présentent un rendement énergétique de 80 à 95 %. ^{[ 10 ]}

Parmi les systèmes de stockage mentionnés, les batteries sont les plus efficaces, suivies des volants d'inertie, des centrales hydroélectriques à pompage-turbinage et enfin de l'air comprimé. La puissance nominale varie également selon les modèles : les centrales hydroélectriques à pompage-turbinage sont les plus puissantes, suivies de l'air comprimé, des batteries et des volants d'inertie. On peut aussi comparer les systèmes de stockage d'énergie en termes de densité énergétique : les batteries lithium-ion présentent la densité la plus élevée, suivies des volants d'inertie, des batteries au plomb, de l'air comprimé et, enfin, des centrales hydroélectriques à pompage-turbinage. Ces comparaisons mettent en évidence une tendance : les grands systèmes stationnaires, comme l'hydroélectricité et l'air comprimé, produisent plus d'énergie, mais avec un rendement moindre, tandis que les technologies de stockage plus petites, telles que les batteries, produisent moins d'énergie, mais sont plus efficaces.

D'autres formes de stockage et de transfert d'énergie existent, mais n'ont pas été abordées ici. Par exemple, la formation et la rupture de liaisons chimiques impliquent un transfert d'énergie. De plus, différents fluides peuvent stocker de l'énergie thermique – mesurée par leur capacité thermique – qui peut ensuite être utilisée pour chauffer d'autres fluides ou matériaux, comme pour la production de vapeur. Les solutions de stockage d'énergie constituent un élément important des processus liés aux énergies renouvelables et jouent un rôle essentiel dans la mise en œuvre pratique et l'utilisation de l'énergie solaire.

la revue de littérature

Ce parc solaire est conçu selon le principe d'une centrale solaire thermodynamique (CSP) utilisant le stockage d'énergie thermique et une turbine. Différentes technologies CSP existent et sont présentées ci-dessous.

Collecteur parabolique cylindrique (CPC)

Cette technologie CSP est composée de longs miroirs incurvés qui concentrent la lumière solaire sur un tube parallèle aux miroirs, contenant un liquide, comme du sel fondu. ^{[ 11 ]} L'énergie thermique du liquide est convertie en énergie utilisable par la production de vapeur qui actionne une turbine à vapeur. ^{[ 11 ]} L'intégration du stockage est possible dans les centrales solaires thermodynamiques (CSP), et ce système présente un faible coût d'installation comparé aux autres technologies CSP. ^{[ 11 ]} Cependant, ces centrales nécessitent une grande surface au sol. ^{[ 11 ]} De plus, en raison des basses températures de fonctionnement (généralement autour de 300 °C), leur rendement thermodynamique est faible, de l'ordre de 50 % à une température de 800 K. ^{[ 11 ]}

Réflecteur de Fresnel linéaire (LFR)

Les systèmes à réflecteur linéaire de Fresnel concentrent la lumière solaire sur un tube récepteur grâce à plusieurs miroirs plans. ^{[ 11 ]} L'énergie solaire est convertie en énergie thermique dans les tubes, et cette énergie chauffe un liquide qui circule ensuite dans un système pour actionner une turbine à vapeur. ^{[ 11 ]} Cette technologie est similaire à celle des capteurs solaires pulsés (CSP), et les deux systèmes reposent sur la concentration solaire linéaire. ^{[ 11 ]} Comme pour les CSP, des solutions de stockage peuvent être intégrées aux systèmes à réflecteur linéaire de Fresnel, et ce système présente un faible coût d'installation. ^{[ 11 ]} Cependant, les systèmes à réflecteur linéaire de Fresnel occupent une surface importante et leur rendement thermodynamique est très faible, de l'ordre de 15 % à des températures de fonctionnement inférieures à 600 K. ^{[ 11 ]}

Tour solaire (SPT)

Les centrales solaires à tour sont constituées de grands miroirs plats et rectangulaires appelés héliostats, qui entourent une tour. ^{[ 11 ]} La lumière est réfléchie par les héliostats sur un récepteur situé au sommet de la tour, contenant du sel fondu. ^{[ 11 ]} Le sel fondu est chauffé par le rayonnement solaire, puis circule dans un système où il cède son énergie thermique pour vaporiser de l'eau. La vapeur ainsi produite actionne une turbine à vapeur qui entraîne un générateur électrique. ^{[ 11 ]} La vapeur résiduelle est ensuite condensée et pompée vers la chaudière pour être réchauffée. ^{[ 11 ]} Grâce à ce type de centrale, le stockage de l'énergie est très important et peu coûteux ; le sel fondu peut être stocké pour une utilisation ultérieure. ^{[ 11 ]} Ce système présente également un rendement thermodynamique relativement élevé (60 à 70 % à 1 000 K) grâce à des températures de fonctionnement élevées. ^{[ 11 ]} Les inconvénients de la centrale solaire à tour sont son besoin important en surface et son coût d'installation élevé. ^{[ 11 ]} Les héliostats représentent environ 50 % du coût du système, il s'agit donc d'aspects importants à prendre en compte lors de la conception d'un SPT. ^{[ 11 ]}

Parabole (PD)

Une technologie CSP moins répandue est celle du réflecteur parabolique. Ce système se compose d'un réflecteur concave qui concentre la lumière du soleil sur un récepteur surélevé situé au centre du réflecteur. ^{[ 11 ]} Un système piston-cylindre utilise ensuite un moteur situé dans le récepteur pour produire de l'électricité. ^{[ 11 ]} Ce système présente l'inconvénient d'une difficulté à mettre en œuvre une solution de stockage et d'un coût d'installation élevé. ^{[ 11 ]} Ses avantages incluent un rendement thermodynamique élevé grâce à une température de fonctionnement élevée (65 à 80 % à 1 500 K) et une surface au sol réduite. ^{[ 11 ]} Parmi les systèmes mentionnés, celui-ci est relativement récent et produit la plus faible quantité d'énergie. ^{[ 7 ]}

Compte tenu des caractéristiques de chaque technologie, le système de tour solaire répond aux exigences du projet grâce à son rendement élevé et à sa capacité à produire et stocker de l'énergie. Ce système fonctionne à une température minimale de 400 K, ce qui lui confère un rendement théorique d'environ 20 %, conformément à la courbe de rendement thermique de la littérature ^{[ 11 ]} . De plus, le fluide caloporteur (sel fondu) stocke l'énergie thermique avant d'être utilisé pour transformer l'eau en vapeur et actionner la turbine.

Conception d'un système de tour solaire à concentration (

La conception d'un système d'énergie solaire concentrée est complexe. Cette technologie comprend un système de réservoirs de stockage, une chaudière, une turbine, une pompe, un condenseur, un générateur électrique, un récepteur et des héliostats. En résumé, l'énergie solaire est réfléchie par les héliostats vers un récepteur contenant du sel fondu ^{[ 11 ]} . Ce sel fondu est stocké dans un réservoir chaud. L'eau est ensuite pompée vers une chaudière où l'énergie thermique du sel fondu chauffe l'eau, qui se transforme alors en vapeur ^{[ 11 ]} . Le sel fondu excédentaire est transféré vers un réservoir froid, puis vers la tour solaire pour capter à nouveau l'énergie solaire ^{[ 11 ]} . La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un générateur, produisant ainsi de l'énergie utilisable ^{[ 11 ]} . La vapeur usée de la turbine est condensée et transformée en eau liquide, puis pompée vers la chaudière pour être réchauffée ^{[ 11 ].} Cette partie de la conception porte sur le choix de l'emplacement et du sel fondu. Les calculs des rendements, de la chaleur et des débits sont également présentés et analysés.

Choisir l'emplacement d'un parc solaire

L'emplacement de la centrale solaire thermodynamique devait répondre à plusieurs critères liés à la faisabilité et aux limitations de l'énergie solaire. Le rayonnement solaire atteignant la surface terrestre variant selon les régions, et l'énergie solaire ne pouvant être extraite qu'en l'absence de nuages, de bâtiments ou d'autres obstacles, certains sites sont préférables. Les régions côtières sont souvent nuageuses, les régions montagneuses présentent des zones ombragées et un relief accidenté, et les régions forestières offrent une végétation abondante et une faune généralement abondante. Un champ plat et dégagé, ou un désert, à proximité d'une zone habitée ou d'un autre lieu nécessitant de l'électricité, semblait l'emplacement idéal.

Pour affiner le choix de l'emplacement du parc solaire, il a fallu tenir compte de la rotation et de la forme de la Terre, ainsi que de l'inclinaison de son axe. Du fait de sa forme sphérique, les rayons du soleil atteignent la surface terrestre sous différents angles : 0° près de l'horizon et 90° directement au-dessus de la Terre. ^{[ 12 ]} Les régions polaires extrêmes reçoivent le moins de rayonnement solaire en raison de la sphéricité de la Terre. ^{[ 12 ]} Les rayons verticaux atteignent directement la surface terrestre avec une perte d'énergie minimale. ^{[ 12 ]} Plus l'angle d'incidence est faible et proche de 0°, plus les rayons sont diffusés et dispersés lors de leur traversée de l'atmosphère. ^{[ 12 ]} Les molécules d'air, les nuages, la pollution, la fumée des feux de forêt et d'autres particules peuvent diffuser le rayonnement solaire et absorber ou diffuser la lumière du soleil. ^{[ 12 ]} L'inclinaison de la Terre influe sur la quantité de rayonnement solaire atteignant sa surface. Dans l'hémisphère nord, on observe davantage de rayonnement solaire en été qu'en hiver, tandis que dans l'hémisphère sud, c'est l'inverse. L'équateur, où l'ensoleillement reste relativement constant tout au long de l'année, pourrait sembler un emplacement idéal pour une centrale solaire. Cependant, ces régions sont généralement très riches en biodiversité et abritent une faune et une flore abondantes ; une centrale solaire pourrait donc engendrer des perturbations écologiques. Compte tenu de ces facteurs, l'emplacement idéal pour une centrale solaire est une zone plate et dégagée, proche d'une ville, relativement proche de l'équateur et bénéficiant d'un rayonnement solaire direct. Les déserts proches du parc national de Joshua Tree et de Los Angeles, en Californie du Sud, répondent à ces critères. Cette région offre de vastes étendues dégagées avec une végétation clairsemée, un fort ensoleillement et se situe à proximité de grandes villes comme Los Angeles. Les coordonnées précises (34,357772º, -116,308829º), correspondant à une zone située à environ 230 km du centre-ville de Los Angeles, ont été sélectionnées pour la collecte de données et les calculs.

Choisir le type de sel fondu

Ce parc solaire est conçu pour produire 71 MW d'électricité. Le nitrate de sodium (NaNO₃ ₎ a été choisi comme sel fondu en raison de sa capacité thermique élevée, de son faible coût et de son utilisation réussie dans d'autres systèmes. ^{[ 13 ]} De plus, parmi les sels fondus courants, le NaNO₃ _possède un point de fusion relativement bas, ce qui est un avantage. ^{[ 13 ]} Généralement, les sels fondus sont privilégiés dans les systèmes CSP en raison de leur potentiel de stockage de chaleur. ^{[ 13 ]}

les calculs

du rendement de la production d'énergie à vapeur

Pour déterminer l'énergie solaire nécessaire à la production d'une puissance de 71 MW, le rendement de la centrale à vapeur doit être calculé selon le cycle de Carnot. La température basse a été fixée à 227 °C (400 K) et la température haute à 427 °C (600 K), en se basant sur le paramètre de conception T_{_L} - T_{_H} = 200 °C et sur le point de fusion du NaNO _₃, qui est de 306,5 °C. ^{[ 13 ]}

η _carnot = 1 - T _L /T _H

η _carnot = 1 - 400K/600K → η _carnot = η _{production d'électricité à vapeur} = 0,333 = 33,3%

du rendement global de l'installation

Le rendement du générateur électrique est proche de 100 %, car on suppose l'absence de pertes (η _{_générateur} = 0,99). À partir de η _{_générateur} , on peut calculer l'apport de chaleur nécessaire provenant de la chaudière (égal à l'énergie solaire) qui alimente le générateur pour produire 71 MW :

η _elec.gen = E _out /E _{in, de la chaudière}

0,99 = 71 MW/E _{entrant, de la chaudière} → E _{entrant, de la chaudière} = 71,72 MW

Maintenant, en utilisant η _carnot , la puissance solaire requise peut être calculée :

η _carnot = E _out /E _in = E _{in, de la chaudière} /E _{in, requis}

0,333 = 71,72 MW/E _{in, requis} → E _{in, requis} = 215,16 MW

L'énergie requise ayant été calculée et l'énergie de sortie étant connue à 71 MW, le rendement de la centrale CSP est :

η _global = E _{global,sortie} / E _{entrée, requis} * 100 %

η _global = 71 MW/215,16 MW → η _global = 32,99 %

Calcul du débit massique de NaNO₃ _|

Maintenant que l'énergie d'entrée E _{_in requise} a été calculée, on peut déterminer la chaleur totale. En supposant une journée de 12 heures, la chaleur totale transmise au récepteur est :

Q̇ = E _{in, requis} * 12 h/jour * 3600 s/h

Q̇ = 215,16 MW * 12 h/jour * 3 600 s/h * ^10⁶ W/MW → Q̇ = 9,29 × ^10¹² J/jour

Maintenant que Q̇ est connu, l'équation de la chaleur spécifique peut être utilisée pour déterminer le débit massique du sel fondu. Les propriétés thermiques de NaNO₃ _sont indiquées dans le tableau 1 :

c _{_p} = 131,8 J/mol K * 1 mol/84,99 g → c_{_p} = 1,552 J/g K

Q̇=ṁ*c _p *ΔT

9,29 × ^10¹² J/jour = ṁ × 1,552 J/g·K × (600 - 400) K → ṁ = 2,99 × ^10¹⁰ g/jour = 1,25 × 10⁶ ^kg /h

du volume de stockage minimum

Il est maintenant temps de calculer le volume de sel fondu NaNO₃ _{dans le réservoir de stockage pour une durée de stockage de 12 heures. La chaleur nécessaire au fonctionnement du générateur, appelée chaleur de stockage, détermine la masse de sel dans le réservoir. Le volume de stockage} Q peut être calculé comme suit :

Q _stockage = E _{entrée, depuis la chaudière} * 12 h * 3600 s/h

Q _{_stockage} = 71,72 MW * 12 h * 3 600 s/h * 10^⁶ W/MW → Q_{_stockage} = 3,098 * 10 ^¹² J

La masse dans le réservoir peut être calculée comme suit :

Q _stockage = m*c _p *ΔT

1. 0,98 × ^10¹² J = m × 1,552 J/g·K × (600 - 400) K → m = 9,98 × ^10⁹ g = 9,98 × ^10⁶ kg

Le volume de NaNO ₃ dans le réservoir de stockage peut maintenant être déterminé à partir de la masse calculée et de la densité selon le tableau 1 :

V = m/ρ

V = (9,98*10 ⁹ g) / (1,900 g/cm ³ ) → V = 5,25*10 ⁹ cm ³ = 5252,6 m ³

de la superficie requise pour un parc solaire

Il convient de calculer la surface requise et le pourcentage d'utilisation du sol pour le système de centrale solaire. L'irradiation solaire directe normale annuelle (DNI) aux coordonnées spécifiques choisies (34,357772°, -116,308829°) est de ² 932,3 kWh/m² par an (au moment de l'extraction des données) ^{[ 14 ]} , ce qui équivaut à 0,000669 MW/m² ^. À partir de cette valeur et de la puissance requise de 215,16 MW, la surface totale des héliostats peut être calculée :

DNI = (2932,2 kWh/m² ^an ) * (1 an/365 jours) * (1 jour/12 h) * (1 MW/1000 kW) = 0,000669 MW/ ^m²

Un _{hélium total.} = E _{in, requis} /DNI

hélium _total = 215,16 MW / 0,000669 MW/m² ^→ hélium total ₌ 321 614,3 ^m²

La surface réfléchissante moyenne d'un héliostat est de 150 m² ^{[ 15 ] .} Le nombre total d'héliostats est donc :

n _héliostat = A _{hélio total.} / A _{hélio individuel.}

n _héliostats = 321614,3 m ² /150 m ² → n _héliostats = 2144,1 = 2145 héliostats

Le nombre total d'héliostats a été arrondi à l'entier supérieur, car il ne peut y avoir d'héliostat partiel. Le taux de couverture au sol (TCS) est le rapport entre la surface des héliostats et la surface totale. La couverture au sol maximale que peuvent atteindre les héliostats sans qu'ils se touchent est de 58 %. ^{[ 16 ]} Le TCS tient également compte des ombres portées et de l'inclinaison variable des héliostats, qui dépend de la position du soleil. ^{[ 16 ]} La surface totale peut alors être calculée comme suit :

GCR = A _{hélio total.} /A _total

0,58 = 321 614,3 m² ^/ Surface _totale → Surface _totale = 554 507,4 ^m²

Conclusion

L'objectif de ce projet était de concevoir un système de centrale solaire thermodynamique à tour capable de produire 71 MW, tout en respectant certains paramètres de localisation et de conception. La Californie du Sud a été choisie pour ses vastes étendues désertiques et sa proximité avec les villes et les attractions touristiques. En utilisant les rendements du cycle de Carnot et en supposant un générateur électrique idéal, les quantités d'énergie requises ont été calculées. Ensuite, à partir de l'équation de la chaleur spécifique et des propriétés thermodynamiques du sel fondu, le débit massique et le volume du réservoir de stockage ont été déterminés. L'irradiation solaire directe normale (DNI) et le taux de couverture au sol (GCR) ont permis de calculer la superficie totale nécessaire à la production de 71 MW. Ce parc solaire thermodynamique semble réalisable, compte tenu de sa capacité de production importante. Cette conception produit 71 MW sur une surface de 554 507,4 m² ^et nécessite 2 145 héliostats. En comparaison, le système de production d'électricité solaire d'Ivanpah dans le sud-est de la Californie produit 392 MW sur une surface de 1,42 * 10 ⁷ m ² . ^{[ 17 ]} De toute évidence, il faut une grande surface pour produire des mégawatts d'énergie.

Le rendement global est de 32,99 %, ce qui dépasse le rendement théorique de 20 % ^{[ 11 ]} . Cependant, dans un système réel, certaines pertes et une certaine irréversibilité expliqueraient un rendement réel inférieur. Par exemple, les pertes de chaleur seraient importantes, dues à la réflexion des héliostats et à la couverture nuageuse et aux précipitations. De plus, le générateur électrique subirait des pertes et son rendement réel ne serait donc pas de 99 %.

De plus, la grande capacité de stockage de l'énergie solaire de la technologie CSP en fait une solution idéale pour l'approvisionnement énergétique de la région densément peuplée du sud de la Californie, l'énergie pouvant être stockée pour une utilisation nocturne. En tant que source d'énergie renouvelable, le système solaire thermodynamique permettrait de réduire la dépendance aux énergies fossiles et d'améliorer la durabilité énergétique.

les références