Comment améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques : un guide complet

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L'utilisation de l'énergie thermique est un aspect crucial des centrales solaires thermiques. Afin de maximiser l’efficacité et la productivité de ces usines, il est important d’améliorer l’utilisation de l’énergie thermique. Cela implique de relever divers défis tels que l'inefficacité du transfert de chaleur, les problèmes de stockage de l'énergie thermique et les coûts élevés d'exploitation et de maintenance. Dans cet article de blog, nous explorerons des stratégies visant à améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques, ainsi que des études de cas présentant des mises en œuvre réussies.

Défis actuels dans l’utilisation de l’énergie thermique

Inefficacités du transfert de chaleur

Comment améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques 1

L’un des principaux défis de l’utilisation de l’énergie thermique est l’inefficacité du transfert de chaleur. Les centrales solaires thermiques captent le rayonnement solaire et le convertissent en énergie thermique utilisable. Cependant, lors du processus de transfert de chaleur, une quantité importante d’énergie peut être perdue. Cela peut être dû à des facteurs tels que les pertes de chaleur dans les capteurs solaires, les échangeurs de chaleur et la tuyauterie.

Pour relever ce défi, des fluides caloporteurs avancés peuvent être utilisés. Ces fluides ont des propriétés thermiques supérieures, permettant un transfert de chaleur plus efficace. Par exemple, l’utilisation de sels fondus comme fluide caloporteur a donné des résultats prometteurs. Ces sels peuvent atteindre des températures plus élevées sans bouillir ni geler, ce qui permet d'utiliser des différentiels de température plus élevés pour une meilleure conversion d'énergie.

Problèmes de stockage d’énergie thermique

Un autre défi de l’utilisation de l’énergie thermique est le stockage de l’énergie thermique excédentaire. Les centrales solaires thermiques sont souvent confrontées au problème d’un approvisionnement énergétique intermittent, car le rayonnement solaire varie tout au long de la journée. Pour surmonter ce problème, des systèmes efficaces de stockage d’énergie thermique sont nécessaires.

Une solution efficace consiste à utiliser des matériaux à changement de phase (PCM) pour le stockage de l’énergie thermique. Les PCM peuvent absorber et libérer de grandes quantités d'énergie pendant le processus de changement de phase, permettant un stockage et une utilisation efficaces de l'énergie thermique. Par exemple, la cire de paraffine peut stocker de grandes quantités d’énergie lorsqu’elle fond et la restituer lorsqu’elle se solidifie, fournissant ainsi un apport continu d’énergie thermique même lorsque le rayonnement solaire est insuffisant.

Coûts d’exploitation et de maintenance élevés

Comment améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques 2

Les centrales solaires thermiques peuvent également être confrontées à des coûts d’exploitation et de maintenance élevés, ce qui peut entraver l’utilisation efficace de l’énergie thermique. Ces coûts peuvent découler de facteurs tels que des inspections régulières, le nettoyage des capteurs solaires et l'entretien des échangeurs de chaleur et des pompes.

Pour réduire ces coûts, des systèmes automatisés de surveillance et de maintenance peuvent être mis en œuvre. Ces systèmes utilisent des capteurs et des algorithmes de contrôle avancés pour surveiller les performances de l'usine et détecter toute anomalie ou problème. En automatisant les processus de maintenance, le besoin d'inspections et d'interventions manuelles peut être minimisé, réduisant ainsi les coûts d'exploitation et de maintenance.

Stratégies pour améliorer l'utilisation de l'énergie thermique

Améliorer l'efficacité des systèmes de transfert de chaleur

1. Utilisation de fluides caloporteurs avancés

Comme mentionné précédemment, l’utilisation de fluides caloporteurs avancés peut améliorer considérablement l’efficacité du transfert de chaleur dans les centrales solaires thermiques. Ces fluides ont de meilleures propriétés thermiques, permettant des différentiels de température plus élevés et une conversion d'énergie plus efficace.

2. Optimisation de la conception des échangeurs de chaleur

Une autre stratégie visant à améliorer l’efficacité du transfert de chaleur consiste à optimiser la conception des échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur jouent un rôle crucial dans le transfert de l'énergie thermique des capteurs solaires vers le fluide de travail. En optimisant les paramètres de conception tels que la zone de transfert de chaleur, les débits et les dimensions des tubes, l'efficacité globale du transfert de chaleur peut être considérablement améliorée.

Améliorer le stockage de l’énergie thermique

1. Utilisation de matériaux à changement de phase pour le stockage

Comme indiqué précédemment, les matériaux à changement de phase (PCM) peuvent être utilisés pour un stockage efficace de l'énergie thermique. En utilisant des PCM avec des températures de fusion et de solidification appropriées, l'énergie thermique peut être stockée et libérée efficacement. Cela garantit un approvisionnement continu en énergie thermique, même pendant les périodes de faible rayonnement solaire.

2. Mise en œuvre de systèmes avancés de stockage d'énergie thermique

En plus des PCM, des systèmes avancés de stockage d'énergie thermique peuvent être mis en œuvre pour améliorer encore l'utilisation de l'énergie thermique. Ces systèmes utilisent des technologies telles que des réservoirs de stockage thermique, des briques de stockage d'énergie thermique ou des systèmes de stockage de sel fondu. En utilisant ces systèmes de stockage avancés, l'énergie thermique peut être stockée pendant des durées plus longues et libérée selon les besoins de l'usine.

Réduire les coûts d’exploitation et de maintenance

1. Utilisation de systèmes automatisés de surveillance et de maintenance

Pour réduire les coûts d'exploitation et de maintenance, les centrales solaires thermiques peuvent mettre en œuvre des systèmes automatisés de surveillance et de maintenance. Ces systèmes surveillent en permanence les performances de l'usine, détectent tout problème ou anomalie et déclenchent des activités de maintenance si nécessaire. Cela garantit des interventions rapides et réduit le besoin d’inspections manuelles, ce qui se traduit par des économies de coûts.

2. Mise en œuvre de pratiques opérationnelles économes en énergie

Des pratiques opérationnelles économes en énergie peuvent également contribuer à réduire les coûts d’exploitation des centrales solaires thermiques. Cela comprend l'optimisation du calendrier d'exploitation de l'usine pour s'aligner sur la disponibilité du rayonnement solaire, la mise en œuvre de mesures d'économie d'énergie telles que l'isolation thermique et l'adoption de processus opérationnels efficaces. En minimisant le gaspillage d’énergie et en optimisant l’utilisation de l’énergie, les coûts opérationnels peuvent être considérablement réduits.

Études de cas sur l'amélioration réussie de l'utilisation de l'énergie thermique

Étude de cas 1 : Utilisation améliorée de l'énergie thermique dans une centrale solaire à concentration

Dans une centrale solaire à concentration, l’efficacité de l’utilisation de l’énergie thermique a été considérablement améliorée grâce à la mise en œuvre de fluides caloporteurs avancés. En remplaçant les fluides caloporteurs conventionnels par des sels fondus, l'usine a atteint des différentiels de température plus élevés et amélioré l'efficacité de la conversion d'énergie. Cela a entraîné une augmentation de la production d’électricité et une amélioration des performances globales de l’usine.

Étude de cas 2 : efficacité améliorée dans une centrale électrique à tour solaire

Dans une centrale solaire à tour, l’utilisation de l’énergie thermique a été améliorée grâce à la mise en œuvre de systèmes avancés de stockage d’énergie thermique. En utilisant des systèmes de stockage de sels fondus, l’usine a pu stocker l’énergie thermique excédentaire et la restituer selon les besoins. Cela a permis une production continue d’électricité, même pendant les périodes de faible rayonnement solaire, et a amélioré l’efficacité globale de la centrale.

Ces études de cas mettent en évidence l'efficacité de diverses stratégies visant à améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques. En mettant en œuvre ces stratégies, les centrales solaires thermiques peuvent atteindre des rendements de conversion d'énergie plus élevés, réduire les coûts d'exploitation et de maintenance et garantir un approvisionnement énergétique plus fiable et durable.

Problèmes numériques sur la façon d'améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques

problème 1

Une centrale solaire thermique dispose d'un capteur solaire d'une superficie de 500 m². Le capteur solaire a une efficacité de 80 % pour convertir l’énergie solaire en énergie thermique. L'intensité du rayonnement solaire reçu sur le capteur est de 1000 W/m². Calculez l'énergie thermique reçue par le collecteur en 1 heure.

Solution:

Donné:
– Superficie du capteur solaire, A = 500 m²
– Efficacité du capteur solaire, η = 80%
– Intensité du rayonnement solaire, I = 1000 W/m²
– Temps, t = 1 heure

L'énergie thermique reçue par le collecteur peut être calculée à l'aide de la formule :

E_{\text{thermique}} = A \cdot I \cdot \eta \cdot t

En remplaçant les valeurs données :

E_{\text{thermique}} = 500 \, \text{m²} \cdot 1000 \, \text{W/m²} \cdot 0.8 \cdot 1 \, \text{heure}

E_{\text{thermique}} = 400,000 XNUMX \, \text{J}

L'énergie thermique reçue par le collecteur en 1 heure est donc de 400,000 XNUMX J.

problème 2

Comment améliorer l'utilisation de l'énergie thermique dans les centrales solaires thermiques 3

Une centrale solaire thermique utilise un échangeur de chaleur pour convertir l’énergie thermique en électricité. L'échangeur de chaleur a un rendement de 60 % pour convertir l'énergie thermique en électricité. Si l'apport d'énergie thermique à l'échangeur de chaleur est de 500,000 XNUMX J, calculez la production électrique de l'échangeur de chaleur.

Solution:

Donné:
– Efficacité de l'échangeur de chaleur, η = 60%
– Apport d'énergie thermique à l'échangeur de chaleur, E_{text{thermal}} = 500,000 XNUMX J

La production électrique de l'échangeur de chaleur peut être calculée à l'aide de la formule :

E_{\text{électrique}} = E_{\text{thermique}} \cdot \eta

En remplaçant les valeurs données :

E_{\text{électrique}} = 500,000 0.6 \, \text{J} \cdot XNUMX

E_{\text{électrique}} = 300,000 XNUMX \, \text{J}

La puissance électrique de l’échangeur thermique est donc de 300,000 XNUMX J.

problème 3

Une centrale solaire thermique dispose d’un système de stockage d’énergie thermique pouvant stocker jusqu’à 1,000,000 70 200,000 J d’énergie thermique. Le système a une efficacité de XNUMX % pour stocker et récupérer l’énergie thermique. Si le système est chargé d'énergie thermique à un taux de XNUMX XNUMX J/heure, calculez le temps qu'il faudra pour charger complètement le système de stockage d'énergie thermique.

Solution:

Donné:
– Capacité maximale de stockage d'énergie thermique, E_{text{max}} = 1,000,000 XNUMX XNUMX J
– Efficacité du système de stockage d’énergie thermique, η = 70%
– Taux de charge de l'énergie thermique, r = 200,000 XNUMX J/heure

Le temps nécessaire pour charger complètement le système de stockage d'énergie thermique peut être calculé à l'aide de la formule :

t = \frac{E_{\text{max}}}{r \cdot \eta}

En remplaçant les valeurs données :

t = \frac{1,000,000 200,000 0.7 \, \text{J}}{XNUMX XNUMX \, \text{J/heure} \cdot XNUMX}

t \environ 7.14hXNUMX \, \text{heures}

Il faudra donc environ 7.14 heures pour charger complètement le système de stockage d’énergie thermique.

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