Solaire à concentration / moteur Stirling : Différence entre versions

Version du 5 avril 2009 à 15:20

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Le concentrateur solaire couplé à un moteur de Stirling est une nouvelle technologie qui permet de transformer l'énergie solaire en énergie électrique. L'énergie solaire est captée et concentrée grâce à une parabole de miroirs. Celle-ci met en marche un moteur Stirling.

Fonctionnement

Moteur Stirling

Ce type de moteur a été inventé en 1816 par le pasteur Robert Stirling. Il est aussi appelé "moteur à air chaud" ou "moteur à combustion externe". Le fluide principal est un gaz, soumis à un cycle thermodynamique simple composé de 4 phases:

• un chauffage isochore (à volume constant)
• une détente isotherme (à température constante)
• un refroidissement isochore
• une compression isotherme

Le moteur fonctionne si il est alimenté par une énergie thermique. Cette énergie thermique peut être issue soit de la combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, soit d'énergies renouvelables comme le solaire ou la géothermie. La combustion externe de ce moteur le rend moins polluant, il est silencieux, facile d'entretien et a la possibilité d'être réversible.

Par contre, l'étanchéité du moteur de Stirling est difficile à réaliser (l'obligation d'utiliser un gaz léger et les hautes températures du fluide chaud rajoutent des difficultés pour obtenir une bonne étanchéité).

Le temps de réponse du moteur de Stirling est long.

La température de la source chaude doit être de l'ordre de 700°C pour obtenir de bon rendement de l'ordre de 40% en utilisant l'hydrogène comme source chaude

Concentrateur solaire

Fichier:Parab.gif

Le concentrateur solaire est composé soit d'un miroir parabolique soit d'une mosaïque de miroirs assemblés pour former une parabole. Pour un concentrateur ayant une surface collectrice de 56,7m², la température du point de convergence peut atteindre 650°C. Comme le montre le schéma à droite, le miroir parabolique permet de faire converger les rayons du soleil vers un point unique.

Cette parabole permet de capter uniquement les rayons solaires directs.

L'addition des 2 technologies

Fichier:Stirling-odeillo.jpg

Il est possible d'utiliser un miroir parabolique pour alimenter un moteur de Stirling.

En général, un système permettant de suivre la trajectoire du soleil est installé. Par exemple, la parabole peut être installée sur un support mobile ou le support peut être muni de deux moteurs pas à pas.

La chaleur solaire concentrée à l'aide du miroir parabolique sert à chauffer un gaz placé dans un récepteur. Ce gaz est la source chaude du moteur de Stirling.

La source froide peut être soit un refroidisseur à eau, soit l'air ambiant.

Le moteur de Stirling produit de l'énergie mécanique. Pour transformer cette énergie en énergie électrique, le moteur de Stirling peut être relié à une génératrice électrique.

Performances

Le laboratoire PROMES^[1] du CNRS possède deux "paraboles Stirling".
La première (surface collectrice de 56,7m²) a un rendement moyen de 14,7% et un rendement de pointe de 18%. La seconde, avec un récepteur solaire amélioré sur le moteur Stirling (l'efficacité thermique du récepteur a été améliorée de 30%) et une surface collectrice réduite à 42,m², atteint un rendemet moyen de 19%, et un rendement de pointe de 23%

Du côté industriel, la société étatsunienne Stirling Energy Systems a battu le record d'efficacité en conversion solaire-électricité le 31 janvier 2008, atteignant 31,25%^[2] Le précédent record, datant de 1984 était de 29,4%

Ce système est particulièrement intéressant dans des zones où l'ensoleillement est principalement constitué de rayonnement direct, c'est à dire dans les zones inter-tropicales.

Avantages et Inconvénients

Avantages

• Performances : le rendement est généralement du même ordre que pour des panneaux photovoltaïques, mais ce type de système a atteint des rendements supérieurs à 30% dans la conversion du rayonnement solaire en électricité.
• Simplicité : le principe de fonctionnement est relativement simple, face à la technologie photovoltaïque, et permet de fabriquer soi-même un système concentrateur solaire^[3]-moteur Stirling^[4] (avec des rendements pas forcément intéressants cependant)
• Cogénération : le moteur Stirling peut fonctionner en cogénération (valorisation du travail ET de la chaleur disponible) conduisant à un très bon rendement global
• Gamme de puissance : possibilité d'adapter la puissance au besoin suivant la source chaude utilisée (du mW au MW)

Inconvénients

• Coût : le moteur Stirling étant encore peu développé, c'est un matériel très coûteux
• Etanchéité : si la pression de fonctionnement est élevée, il est difficile de contenir le gaz utilisé dans le moteur. Ce problème est d'autant plus compliqué que l'un gaz très intéressant pour le moteur Stirling est l'hydrogène (pour sa légèreté et sa capacité calorifique importante), qui diffuse facilement au travers des matériaux
• Volume : les échanges de chaleur avec des gaz nécessitent généralement de grands volumes
• Modulation : un moteur Stirling fonctionne très bien à puissance nominale, mais des variations rapides de puissance sont difficiles à réaliser, et l'efficacité peut rapidement chuter

Maintenance

Pour que ce type d'installation fonctionne correctement, l'entretien des paraboles doit être effectué de manière à les maintenir parfaitement efficace. L'optique des miroirs soit toujours être optimal.

Le moteur de Stirling ne nécessite pas ou très peu de maintenance.

Coût

Exemples d'application

Voir aussi

Liens internes

• Moteur Stirling
• Énergie solaire
• Solaire à concentration thermodynamique
• Gestion de l'énergie
• Photovoltaïque
• Climatisation solaire

Liens externes

• Stirling Energy Systems, É.U
  
• Infinia, É.U

Références

1. ↑ PROcédés, Matériaux et Energie Solaire, http://www.promes.cnrs.fr/PROJETS/Systemes/stirling.htm
2. ↑ http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2008/solargrid.html
3. ↑ http://www.greenpowerscience.com/PARABOLICMIRROR.html
4. ↑ http://www.photologie.fr/stirling/stirling.html

Bibliographie

http://www.photologie.fr/stirling/stirling.html
http://guillaume.douard.free.fr/modeles.htm
http://www.promes.cnrs.fr/PROJETS/Systemes/stirling.htm
http://www.stirlingenergy.com
http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2008/solargrid.html

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