Brevet FR3091075A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Modulation de la puissance générée par une centrale solaire thermique Domaine technique [0001] La présente invention concerne un procédé pour moduler la puissance générée par une centrale solaire thermique. Technique antérieure [0002] On connait des centrales solaires thermiques installées à proximité d'installations de consommation de chaleur, telles que des sites industriels ou des réseaux de chaleur urbains. [0003] Une centrale comprend une pluralité de panneaux solaires, l'irradiation de la surface des panneaux solaires permettant de chauffer un fluide caloporteur circulant dans un circuit de la centrale de sorte à alimenter en chaleur l'installation. [0004] Toutefois, la puissance thermique pouvant être produite dépend de nombreux facteurs, et notamment de l'ensoleillement disponible en fonction des conditions climatiques. De la même façon, la demande en chaleur de la part de l'installation associée à la centrale peut également varier et être difficilement prévisible. [0005] Ainsi, en fonctionnement nominal, la centrale doit permettre de produire suf- fisamment de chaleur pour alimenter l'installation sans pour autant dépasser une température limite, dite température cible. Le dépassement de la température cible est sinon susceptible d'entrainer une surchauffe de la centrale. [0006] Une surchauffe peut avoir plusieurs causes, telles que : - une stagnation du fluide caloporteur dans le circuit de la centrale, par exemple du fait d'une défaillance technique, entrainant alors une brusque augmentation de la température et de la pression ; ou - une mauvaise adéquation entre la chaleur produite par la centrale et la consommation en chaleur de la part de l'installation. Le phénomène de surchauffe est alors lié à l'incapacité d'évacuer la chaleur produite en excès, ce qui entra ine une élévation progressive de la température. [0007] Une surchauffe peut avoir des conséquences néfastes significatives du fait de la pression élevée ou de la température élevée, ou de la combinaison des deux, qui en résultent. Ainsi une surchauffe peut provoquer la dégradation de certains composants de la centrale ou la vaporisation du fluide caloporteur. [0008] Afin de remédier à ce phénomène, on connait des solutions actives ou passives pouvant être mises en oeuvre. Parmi les solutions actives, on connait par exemple l'utilisation d'un élément de stockage de chaleur, ou d'un élément de dissipation de la 2 chaleur produite en excès, par exemple un aérotherme, ou une combinaison de ces éléments. [0009] Parmi les solutions passives, on connait par exemple l'utilisation de soupapes de sécurité intégrées au circuit de la centrale provoquant une vidange en cas de pression élevée induite par la montée en température supérieure à la température cible. Il est également possible de prévoir un agencement et un dimensionnement de la centrale permettant de résister à des pressions plus élevées. Problème technique [0010] Toutefois, ces solutions, tant actives que passives, sont souvent plus complexes et plus onéreuses à mettre en oeuvre. [0011] La présente invention a notamment pour but de pallier à ces inconvénients. [0012] L'invention vise en particulier à obtenir une centrale pouvant produire une puissance thermique sc limitant au niveau de consommation de l'installation à laquelle elle est associée. [0013] L'invention vise également à prévenir et/ou limiter une surchauffe de la centrale. [0014] L'invention vise de façon plus générale à produire de la chaleur avec des panneaux solaires de façon simple, flexible et prévisible. Exposé de l'invention 10015] A cet effet, l'invention concerne un procédé pour moduler une puissance générée par une centrale solaire thermique comprenant au moins un panneau solaire, le procédé comprenant les étapes suivantes : - on dispose d'au moins un panneau solaire comprenant un dispositif de suivi configuré pour faire pivoter le panneau solaire selon au moins une direction de rotation ; - on dispose d'une installation à fournir en une puissance thermique variable au cours du temps à partir de l'irradiation reçue par le panneau solaire ; - on détermine un angle d'inclinaison du panneau solaire pour produire la puissance thermique à fournir à l'installation ; et - on pivote le panneau solaire avec le dispositif de suivi pour atteindre l'angle d'inclinaison déterminé. 10016] Selon une réalisation, on détermine en temps réel l'angle d'inclinaison du panneau solaire pour produire la puissance thermique à fournir à l'installation dans la limite de la puissance solaire disponible. 10017] Selon une autre réalisation, on pivote de façon continue, notamment au cours d'une journée, le panneau solaire avec le dispositif de suivi pour atteindre l'angle d'inclinaison déterminé. [0018] Selon unc autre réalisation, on détermine l'angle d'inclinaison du panneau solaire 3 pour eénérer une puissance correspondant à la puissance thermique à fournir à l'installation à partir d'une loi de puissance s'écrivant sous la forme . [0019] [Math.1] P = k. cos(rn + k, sin(8) + [0020] kk sont des coefficients indépendants de l'angle d'inclinaison. [0021] Selon une autre réalisation, la centrale solaire thermique comprend un fluide ca- loporteur configuré pour transporter la puissance thermique à fournir à l'installation, et on pivote le panneau solaire avec le dispositif de suivi de sorte que la température du fluide caloporteur soit maintenue en dessous d'une température cible déterminée. [0022] L'invention concerne également un panneau solaire pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, comprenant un dispositif de suivi configuré pour faire pivoter le panneau solaire selon au moins une direction de rotation. [0023] L'invention concerne également une centrale solaire thermique comprenant une pluralité de panneaux solaires selon l'invention. [0024] Selon une réalisation, la centrale solaire thermique comprend au moins un capteur d'ensoleillement configuré pour fournir, notamment en temps réel, une mesure d'une irradiation reçue par au moins un panneau solaire. [0025] Selon une autre réalisation, la centrale solaire thermique est configuréc pour générer une puissance égale à une fraction de la puissance maximale disponible de la centrale solaire thermique, la fraction variant au cours du temps entre 0% et 100%. [0026] L'invention concerne également un système comprenant une centrale solaire thermique selon l'invention et une installation à fournir en une puissance thermique variable au cours du temps à partir de l'irradiation reçue par la pluralité de panneaux solaires de la centrale solaire thermique. Brève description des dessins [0027] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 100281 Ifig.11 est une vue en perspective d'un panneau solaire selon un mode de réalisation de l' invention ; Fig. 2 100291 Ifig.21 est un schéma simplifié représentant une centrale solaire thermique et une installation selon un mode de réalisation de l'invention ; Fig. 3 100301 Ifig.31 est un graphique représentant la puissance générée par la centrale solaire thermique de la 'Fig. 21 en fonction de l'angle d'inclinaison commandé des panneaux solaires dans des conditions d'ensoleillement données ; Fig. 4A [0031] [fig.4A] est un graphique représentant, dans des conditions d'ensoleillement données, la puissance générée par une centrale solaire thermique de la [Fig. 2] au cours d'une journée selon quatre demandes de chaleur différentes d'une installation ; Fig. 4B [0032] [fig.413[ est un graphique représentant, dans des conditions d'ensoleillement données, la température obtenue par une centrale solaire thermique de la [Fig. 2] au cours d'une journée selon les quatre demandes de chaleur différentes d'une installation de la [Fig. 4A[ ; et Fig. 4C 100331 Ifig.4C1 est un graphique représentant, dans des conditions d'ensoleillement données, l'angle d'inclinaison commandé des panneaux solaires d'une centrale solaire thermique de la 'Fig. 21 au cours d'une journée selon les quatre demandes de chaleur différentes d'une installation des [Fig. 4A1 et [Fig. 4B1. 100341 11 est à noter que, sur les fleures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. 100351 Sauf précision contraire, les expressions approximativement ", sensiblement ", environ ", de l'ordre de ", etc. signifient qu'une légère variation par rapport à la valeur nominale considérée est possible, notamment d'un pourcentage faible, en particulier à 10% près. 100361 Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été détaillés. Description des modes de réalisation Panneau solaire [0037] La [Fig. 1] est une vue en perspective d'un panneau solaire 1 d'une centrale solaire thermique 2 (appelé par la suite centrale "). Comme illustré sur la [Fig.2], la centrale 2 est configurée pour alimenter en chaleur une installation 3. L'installation 3 peut être un site industriel, un réseau de chaleur urbain, ou encore tout autre structure. La centrale 2 comprend ainsi un circuit hydraulique 6 (comprenant des tuyaux, vannes, pompes, etc.) afin d'être relié à l'installation 3. [0038] Un élément de stockage thermique (non illustré) peut être associé à la centrale 2. [0039] Selon le mode de réalisation de la [Fig. 1], le panneau solaire 1 comprend une surface S. La surface S est avantageusement plane et s'étend dans un plan P. La surface S présente également un vecteur O normal au plan P. [0040] Selon une réalisation, le panneau solaire 1 est un panneau plan vitré. Un panneau plan vitré est notamment différent d'un panneau solaire à concentration, ayant le plus souvent une forme cylindro-parabolique, et qui fonctionne selon une technique différente de concentration du rayonnement solaire sur un fluide caloporteur, lequel est localisé dans un tube. [0041] On tonnait par exemple de tels panneaux plans sous les noms de marque " SAVO 15 SG ou SAVO 15 DG " par la société Savosolar, sous les noms HT-HEATstore " ou HT-HEATBoost par la société Arcon Sunmark, et sous le nom GK 31333 S " ou GK 3133 " par la société GREENoneTEC. [0042] L'irradiation de la surface S du panneau solaire 1 permet de chauffer un fluide ca- loporteur, tel que de l'eau, de l'eau glycoléc, de la vapeur ou une huile thermique, par exemple disposé dans des tubes (non illustrés) situés sous la surface S à l'intérieur du panneau solaire 1. Le fluide caloporteur circule dans le circuit hydraulique 6 jusqu'à l'installation 3. [0043] La centrale 2 comprend également un capteur d'ensoleillement 5. Au moins un capteur d'ensoleillement 5 est sur une surface horizontale par rapport au sol sur lequel sont disposés les panneaux solaires 1. En outre, selon le mode de réalisation de la [Fig. 1] et de façon optionnelle, le panneau solaire 1 peut également comprendre un capteur d'ensoleillement 5 situé sur la surface S d'un panneau solaire 1. [0044] Le ou les capteurs d'ensoleillement 5 sont configurés pour fournir des mesures d'irradiation, et notamment une mesure de l'irradiance normale directe DNI (également appelée Direct Normal Irradiance " en anglais) et une mesure de Firradiance horizontale diffuse DHI (également appelée " Diffuse Horizontal hradiance " en anglais). [0045] La centrale 2 comprend également au moins un capteur de température ambiante ex- térieure, notamment disposé à l'ombre (non illustré). La centrale s2 comprend également au moins deux capteurs pour mesurer la température du fluide caloporteur dans le circuit hydraulique 6 respectivement en entrée et en sortie de la centrale 2 (non illustrés). La température, et notamment la température cible Tc, est ainsi mesurée en sortie de la centrale 2. [0046] Le panneau solaire 1 comprend en outre un dispositif de suivi 4. [0047] Le dispositif de suivi 4 est configuré pour faire pivoter, avantageusement de façon 6 continue, le panneau solaire 1 selon au moins une direction de rotation R. Le dispositif de suivi peut notamment être un dispositif mécanique, de type vis sans fin ou crémaillère dentée. [0048] Par de façon continue , on entend que le panneau solaire 1 pivote de façon graduelle, par exemple par pas angulaire inférieur ou égal à 2° (degrés), voire inférieure à 1°, voire inférieure à 0.5°. [0049] Toutefois, ce mode de réalisation n'est pas limitatif et le dispositif de suivi 4 peut être configure pour faire pivoter le panneau solaire 1 selon plusieurs directions de rotation, notamment deux directions de rotation avantageusement perpendiculaires l'une de l'autre. [0050] Sur la [Fig. 1], le dispositif de suivi 4 est plus particulièrement configure pour faire pivoter le panneau solaire 1 autour d'une seule direction de rotation R (également appelé tracker 1-axe "). Le panneau solaire 1 peut ainsi être commandé pour pivoter d'un angle d' inclinaison 13 (exprimé par la suite en degré). L'angle d'inclinaison 13 peut par exemple varier dans une plage angulaire comprise entre [-60 : +60]. [0051] L'irradiancc directe OF, de la surface S du panneau solaire 1 est alors égale à : [0052] [Math.2] = DNI cos 19 [0053] DNI est l'irradiance normale directe et 0 est l'angle d'incidence (exprimé par la suite en degré) formé entre le vecteur normal O et la direction des rayons lumineux L provenant directement du soleil. 100541 Ainsi, l'irradiance directe Gb de la surface S du panneau solaire 1 est maximale lorsque l'angle d'incidence 0 est égal à 0, c'est-à-dire lorsque la direction des rayons lumineux L et le vecteur normal O sont colinéaires entre eux. 100551 Comme illustré sur la [Fig. 2], la centrale 2 comprend avantageusement une pluralité de panneaux solaires 1 tels que décrit ci-dessus et illustrés sur la1Fig. 11. Comme illustrés sur lalFig. 11, les panneaux solaires 1 peuvent être connectés entre eux en série et/ou en parallèle au sein de la centrale 2. 100561 Selon le mode de réalisation de la1Fig. 21, la centrale 2 comprend six panneaux solaires 1 répartis en deux séries. Cependant, ce mode de réalisation est purement illustratif et la centrale 2 peut évidemment comprendre un nombre bien plus élevé de panneaux solaires 1. 100571 Les panneaux solaires 1 sont alors avantageusement disposés en rangées selon une direction nord-sud N/S. La direction de rotation R des dispositifs de suivi 4 des panneaux solaires 1 s'étend alors également selon cette direction nord-sud N/S, permettant ainsi d'orienter leurs surfaces S selon une direction est-ouest E/0 au cours 7 d'une journée. [0058] En variante, et en fonction de la typologie du terrain sur lequel ils sont installés, les panneaux solaires 1 peuvent toutefois être disposés avec un décalage angulaire par rapport à la direction nord-sud N/S. Modulation de la puissance [0059] On décrit ci-après le procédé pour moduler la puissance générée P par une centrale 2 comprenant un ou plusieurs panneaux solaires 1. Les panneaux solaires pivotent avantageusement de façon simultanée d'un même angle d'inclinaison p. En variante, une partie seulement des panneaux solaires 1 pivotent selon un même angle d'inclinaison fi, les autres panneaux pivotant selon un autre angle (non spécifié) ou restant immobiles. [0060] Dans la suite, on décrit plus précisément les termes ou coefficients permettant de montrer la variation de la puissance générée P par la centrale 2 en fonction de l'angle d'inclinaison fi. Certains autres termes ou coefficients indépendants de l'angle d'inclinaison ri des panneaux solaires 1, mais dépendants éventuellement d'autres paramètres, ne sont pas explicités plus en détails. [0061] Dans la suite, le calcul présenté correspond à des panneaux solaires 1 sous la forme de panneaux plans vitrés, plus particulièrement isotropes, le calcul étant sinon différent pour d'autres formes de capteurs solaires thermiques. [0062] La puissance spécifique d'un panneau solaire 1 en régime établi est issue de la norme ISO 9806:2013 " Énergie solaire - Capteurs thermiques solaires - Méthodes d'essai ". Cette puissance est égale à : [0063] [Math.3] - 17i) b(OL, 0 r) - G b ± no b-Kd - Gd - C6 - Li - G - ci - (0, - 0,2) - (.2 - (0,, - - c3 A G - u - (fi, - t9") + c4 - (EL - o- - T,4) - c5 dt [0064] Q est la puissance utile extraite " du panneau solaire 1 AG est la superficie hors-tout du panneau solaire 1 ; L'irradiancc directe GE, se calcule selon l'expression [Math. 2] ci-dessus ; G, est l'irradiante diffuse dans le plan du panneau solaire 1 ; G est l'irradiance hémisphérique dans le plan du panneau solaire 1. G = Gb + Gd ; EL est l'irradiation de grandes longueurs d'ondes (X > 3 pm) ; e', est la température moyenne du fluide caloporteur au sein du panneau solaire 1, en °C (degré Celsius). Le panneau solaire 1 est par la suite considéré dans un régime établi, de sorte que la dérivée temporelle de la température moyenne du fluide ca- loporteur est considérée comme nulle ; d D, 8 ea est la température de l'air ambiant, en °C (degré Celsius) ; est la température absolue de l'air ambiant, en K (Kelvin) ; o est la constante de Stefan-Boltzmann ; u est la vitesse de l'air environnant la centrale 2 ; noa, est le rendement de crête du panneau solaire 1 (lb à e' e,o) fondé sur l'irradiance directe Gb ; °d est l'angle d'incidence longitudinal, c'est-à-dire l'angle formé par le vecteur normal O et la direction des rayons lumineux L projetée dans le plan longitudinal ; 0, est l'angle d'incidence transversal : angle formé par la normale du plan du panneau solaire 1 et la direction des rayons lumineux L projetée dans le plan transversal ; K,(0,'0,) est le facteur d'angle d'incidence pour l'irradiante directe Ge et caractérise l'efficacité optique des panneaux solaires 1. Le facteur d'angle d'incidence Kb(0,_.,0,) peut-être exprimé en fonction de l'angle d'incidence 0. En effet, les composantes transversales et longitudinales du facteur d'angle d'incidence K,, ne sont pas prises en compte, de sorte que seul le cas des panneaux solaires isotropes est considéré ; Kd est le facteur d'angle d'incidence pour l'irradiance diffuse Gd ; el est le coefficient de perte thermique du panneau solaire 1 à (3',--a'),o; c2est l'effet de la température sur le coefficient de perte thermique ; Q'est l'effet du vent sur le coefficient de perte thermique ; c4 est l'effet de la température du ciel sur le coefficient de perte thermique ; c est la capacité thermique effective du ou des panneaux solaires 1 ; et c, est l'effet du vent sur le rendement optique. [0065] Afin d'exprimer la puissance P générée par une centrale 2 en régime établi par rapport à la puissance unitaire utile Q, les modèles suivants ont avantageusement été définis. [0066] A, représente la surface hors-tout équivalente à l'ensemble des panneaux solaires 1 de la centrale 2. [0067] [Math.4] Ap = N x AG 100681 N est le nombre de panneaux solaires 1 de la centrale 2 et AG la surface hors-tout d'un panneau solaire I. 100691 ijoini, est la fraction de la centrale 2 considérée comme étant ombragée, c'est-à-dire ne recevant pas d'irradiation solaire directe. La fractionlomb' est considérée dans la suite comme indépendante de l'angle d'inclinaison P. 100701 R, est la résistance thermique de conduction équivalente au circuit hydraulique 6. Elle permet de caractériser les pertes thermiques statiques des tuyauteries de la centrale 9 2 (c'est-à-dire reliant les panneaux solaires 1 et l'installation 3). [0071] La prise en considération de ces différents modèles permet d'exprimer la puissance P d'une centrale 2 en régime établi selon l'expression suivante : [0072] [Math.5] P = A. n0,1, (Kl,(9).iic,',b,'.DNI cos( 9) + Kd. Gd) - Ap. u(DN1 cos(0) + Gd) 1 - (AP .c1 Rt + -)(z9', - t9') - Ap. c2(9,, - 19a ) 2 A. c3. u(9,' - Da) - Ap. C4(EL 6. Ta) 100731 Dans le cadre de la présente invention, les développements mathématiques ci-dessous ont été effectués à partir de l'expression [Math. 51 afin de caractériser la variation de la puissance P d'une centrale 2 en fonction de l'angle d'inclinaison p. [0074] Ces développements mathématiques permettent avantageusement de simplifier le calcul de la puissance P tout en conservant une précision satisfaisante afin de déterminer le pilotage de la puissance de la centrale 2 uniquement en fonction de l'angle d'inclinaison ri. [0075] Le facteur d'angle d'incidence 1