Estimation du potentiel de la technologie solaire thermodynamique à concentration en climat non

217 Pages·2016·10.2 MB·French

by  Émeric Tapachès

Estimation du potentiel de la technologie solaire
thermodynamique `a concentration en climat non
d´esertique - Application `a La R´eunion
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Emeric Tapach`es
To cite this version:
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Emeric Tapach`es. Estimation du potentiel de la technologie solaire thermodynamique a` con-
centration en climat non d´esertique - Application a` La R´eunion. Thermique [physics.class-ph].
Universit´e de la R´eunion, 2015. Fran¸cais. <NNT : 2015LARE0011>. <tel-01279116>
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UNIVERSITE DE LA REUNION
LABORATOIRE DE PHYSIQUE ET D’INGENIERIE MATHEMATIQUES POUR L'ÉNERGIE, L'ENVIRONNEMENT
ET LE BATIMENT (EA 4518 PIMENT)
LABORATOIRE D’INFORMATIQUE ET DE MECANIQUE POUR LES SCIENCES DE L’INGENIEUR
(UPR CNRS 3251)
École Doctorale Sciences Technologies Santé

THÈSE DE DOCTORAT
présentée pour obtenir le grade de docteur de l’Université de La Réunion en sciences
Spécialité : Physique énergétique

par
Emeric TAPACHÈS

Estimation du Potentiel de la Technologie Solaire
Thermodynamique à Concentration en Climat Non
Désertique - Application à La Réunion
codirigée par Dr. Franck LUCAS et Dr. Michel PONS

Soutenue le 29 avril 2015 devant la commission d’examen
Jean-Jacques BEZIAN Maitre de conférences HDR, MINES d’Albi Rapporteur
Gabriel OLALDE Directeur de recherche, CNRS-PROMES Rapporteur
Philippe LAURET Professeur, Université de La Réunion Président
Richard PEREZ Professeur, Université de l’Etat de New York Examinateur
Philippe BLANC Maitre de conférences, MINES ParisTech Examinateur
Franck LUCAS Maitre de conférences HDR, GEOPASUD/PIMENT Directeur
Michel PONS Directeur de recherche, CNRS-LIMSI Codirecteur
pou mon pépé, Monsieur Françoise

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R
ESUME
Cette thèse porte sur l’étude de la ressource solaire directe reçue à La Réunion et sur la
modélisation numérique d’une centrale solaire thermodynamique constituée : 1/d’un champ de
capteurs linéaires de Fresnel dans lequel circule une huile de synthèse ; 2/de deux stocks de
chaleur sensible ; 3/ d’un cycle organique de Rankine. L’objectif est d’évaluer les performances
d’une telle centrale fonctionnant dans une région de l’île identifiée comme favorable.
Pour répondre à cet objectif, plusieurs travaux ont été menés : (i) une carte de
l’ensoleillement direct normal reçu en moyenne au cours d’une année a été réalisée à partir des
images du satellite MeteoSat 7 pour le territoire de la Réunion. Cette carte a permis d’évaluer la
disponibilité de cette ressource ; (ii) un nouveau modèle de décomposition du rayonnement
global en rayonnement diffus a été développé à partir de mesures effectuées à Saint-Pierre. Ce
modèle se base sur la représentation des plus fortes probabilités d’occurrence de la fraction de
diffus ; (iii) la géométrie du capteur et le rayonnement direct qu’il concentre ont été modélisés à
partir d’un code de lancer de rayons existant. Ce code a été utilisé, d’une part, pour
dimensionner le capteur à l’aide d’une méthode d’optimisation. Et d’autre part, pour mettre en
place une méthode de simulation « rapide » des distributions de flux absorbé par les éléments
du récepteur linéaire à l’aide d’abaques ; (iv) le comportement thermique du capteur solaire a
été modélisé en dynamique avec une approche nodale ; (v) le productible annuel d’une centrale
fonctionnant dans le sud de l’île a été simulé selon des procédures de régulation et de contrôle
commande mise en place pour une stratégie de production adaptée aux besoins de l’île.
Les modèles qui ont été développés durant cette thèse sont des outils d’aide au
dimensionnement et permettent l’étude des stratégies de contrôle commande d'une centrale
solaire thermodynamique à capteur linéaire de Fresnel.

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A
BSTRACT
This thesis focuses on direct solar resource in Reunion Island and numerical modeling of a
solar power plant which is made up of: 1 / a field of linear Fresnel collectors using synthetic oil
as heat transfer fluid; 2 / two sensible heat storage tanks; 3 / an organic Rankine cycle engine.
The main goal is to evaluate the performance of such power plant in the island areas which
were identified as suitable.
To meet this goal, several studies have been conducted: (i) a direct normal solar radiation
map of Reunion Island was built from satellite images of MeteoSat 7. This map was used to
assess the availability of this resource; (ii) a new global-to-diffuse irradiance decomposition
model was built from ground-based measurements performed at Saint-Pierre. This model is
based on the highest probabilities of diffuse fraction occurrence; (iii) the geometry of the solar
collector and direct normal solar irradiance were modeled from an existing ray-tracing code.
This code has been used, firstly, to dimension the collector using an optimization method. And
secondly, to develop a fast method to simulate absorbed flux distribution on the linear receiver
components; (iv) unsteady-state heat transfers within the solar collector was modeled with a
nodal approach; (v) annual electricity production of the power plant running in the south of the
island was simulated with a control strategy relevant for the demand of the local electricity
grid.
The models that have been developed during this thesis are both tools for design support
and the study of control strategies of solar power plants using linear Fresnel collectors.

v

R
EMERCIEMENTS
Faculté des Sciences de Saint-Denis de La Réunion, le 24 juin 2015.
Trois ans et deux mois, c’est le temps écoulé entre le début de ma thèse et ma soutenance.
Pendant cette période, j’ai rencontré beaucoup de personnes qui, directement ou indirectement,
m’ont aidé à avancer dans ma thèse de doctorat…, donc dans ma vie. Ce doctorat avant d’être
un diplôme était d’abord une aventure humaine et peu de choses ont été faciles. À ce moment
précis, je repense à mon professeur de mathématique de lycée, M. Michel Gontier qui n’avait de
cesse de répéter « courage et abnégation sont les deux mamelles de la réussite ! ». Cette phrase,
qui me faisait sourire, m’a permis de surmonter les difficultés rencontrées au cours de cette
thèse.
Avant de remercier les personnes qui m’ont aidé au cours de ma thèse, je tiens à remercier
mes enseignants du secondaire et du supérieur auprès de qui j’ai beaucoup appris. Je remercie
M. Talbot (mathématique en 3ème), Mme Levesque (mathématique en 2nd), M. Gonthier
(mathématique en 1ère et Terminale), Mme Cauro (français en 2nd et 1ère), M. Lacomme
(physique-chimie en Terminal), M. Faugeron (S.I. en Terminale), M. Thomas (S.I. en 1ère et
Terminale), M. Stuber (mathématique en PTSI), M. Enault (physique-chimie en PTSI), M. Atgier
(physique-chimie en PT) et M. Mezzalira (mathématique en PT).
Je remercie et exprime ma profonde gratitude à mes directeurs de thèse, Franck Lucas et
Michel Pons. Vous avez été complémentaire au cours de ce projet. M. Lucas, je vous remercie
d’avoir initié ce projet, de m’avoir accordé votre confiance pour porter ce projet et de vous êtes
battu pour trouver le financement nécessaire au bon déroulement de ma thèse. Je vous remercie
pour vos encouragements et pour votre enthousiasme. M. Pons, vous m’avez dit une fois que
pour vous, une thèse est une relation de « maitre à élève ». Je tiens à vous dire que vous avez été
un remarquable « maitre » et je suis fier d’avoir été votre « élève ». Vous avez été extrêmement
présent et vous m’avez appris énormément de choses. La bonne qualité de mon travail de thèse,

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reconnu par les membres du jury, est due à vos enseignements. Ils m’ont permis de me
dépasser.
Je tiens aussi à remercier mes deux rapporteurs, Jean-Jacques Bézian et Gabriel Olalde ; mon
président de jury Philippe Lauret ; et mes examinateurs Philippe Blanc et Richard Perez pour
leur lecture attentive de mon manuscrit et pour l’évaluation de mon travail. Je remercie
également Cédric Philibert pour ces conseils et son soutien. Je vous remercie tous pour les
riches discussions que nous avons eues.
Merci à tous mes collègues du laboratoire PIMENT, du LIMSI-CNRS et du département
GC-CD de l'IUT, les enseignants-chercheurs, les chercheurs, les enseignants, les ingénieurs et les
doctorants. La liste serait trop longue à rédiger, mais sachez que vous avez constitué
l’environnement favorable au bon déroulement de ma thèse, merci encore.
J’ai du mal à faire dans les sentiments, mais ce remerciement est certainement le plus
important. Je remercie, avec une vive émotion cachée derrière ces mots, mes proches qui se
reconnaitront. C’est grâce à vous que j’ai pu arriver au bout de cette aventure humaine.

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