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Concept d’une minicentrale électro-thermo-solaire hybride adaptée aux pays en voie de développement.

Authors:

Abstract and Figures

This paper presents the analysis of an original design of small hybrid solar plant using Organic Rankine Cycles with hermetic scroll expander- generators. The hot supply is provided from vacuumed collector tubes along the focal line of solar concentrators made of mirror bands fixed on a plane surface (CEP). The plant is integrated with a cogeneration Diesel engine unit to ensure power availability independently from the variations of solar radiation. It is primarily intended for isolated sites in developing countries. Measurements on the power unit of 13 kWel show an excellent behavior over a broad range of parameters with an efficiency of the order of 18% (50% exergetic efficiency), which is very promising, particularly when considering that the concept of superposed cycles will allow operations at higher supply temperatures with further technological developments.
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Conférence CISBAT
LESO-EPFL Seot. 99
-1-
conceptdlitt.tHii$i%tfi
itô's'âihhé%ii-i313ffi
hvbriae
M. Kane, R. Zanelli, D. Favrat
Laboratoire d'énergétique
industrielle
(LENI), Département
de Génie
Mécanique,
Ecole
Polytec-hni{ue Fédérale
de
Lausaiihe,
ÔH1015
Lausanne,
Suisse.
Y. Allani, E. Glauser
(cocENER),
Parc scientifiqusrflf,;#fi"H::" Fédérale de Lausanne,
Abstract: esign of small hybrid solar plant using Organic
r-senerators. The hot suoolv is orovided from
: 5f solar concentrators
^niaâe
of mirror bands
reerated with a coseneration Diesel eneine unit
fr-om the. variatiôns of solar radiati6n. It is
ng countnes.
Measurements on the oower unit of 13 kWel show an excellent behavior over a broad range
of oarameters
with an efficiencv of the order of I8%o
(50% exersetic efficiency). whichls
verv oromisins oarticularlv wheri considerine that the coàcept of suîemosed
cvclés will allow
opdra:tions
at h-igher
supply temperatures
with further technological
^clevelopments.
Résumé:
Cet article orésente
I'analyse d'un concept ori
des exoandèurs- eénérateuis
volumétriquet hen
de cycles de Raikine superposés.
La iource ,
conientration à lamelle^s
ri!fléchissantes ex1
d'autant
plus elcour{geant que d'excellentes
p
du mveau supeneur de temperature
1. INTRODUCTION
'olaire tout en garantissant
la disponibilité de
Conférence
CISBAT
LESO-EPFL Sept. 99
2. PRINCIPE ET PROBLEMATIQUE D'UN HSPS
)enffale
solaire conventionnelle
constituée d'un
hermétiques au niveau de I'unité de puissance,
mterventlons sur srte. tre:
t fossile en fonction de la courbe de charge et
J.
que et les pertes croissantes des capteurs aux
: la régulation (robustesse
d'utilisation)
3. CONCEPT
D'UNE CENTRALE HSPS
3.1 Choix du concept de centrale prototype
La problânatique exposée ci-dessus, a conduit à faire les choix de conception
suivants:
rrsque,
cofirme c'est le cas ici, des températures
Par aiileurs. la recherche dé robustesse et de
-2-
I Les auteurs
remercient
I'Offrce fedéral suisse de l'énergie
pour
sa
contribution financière à ce
projet
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LESO-EPFL Sept. 99
-3-
Plate Rellector Concentating Superposei OHC c.vcles
Fig.l : Concept
d'une centrale
HSPS Fig.2: Diagramme de composites
obtenu avec
intégration d'un moteur diesel de 15 kWe
(cas
avec apport
solaire de 50 kWth)
Un schâna de
la centrale
prototype
est donné à la fizure 1 et la fisure 2 illustre
les composites
pour
un cas de fonctionnêment-dvec
50 kwth d'apôort
solaire elpour un fonctionnenîent
en
iégime
nominal du moteur Diesel
(15 kWe).
Ces
composites
illirstrent bien
les
principaux
éléments d'intégration
énergétique,
à savoir:
. (a et a'): récupération de 19.3 kwth à environ 75oC
sur I'eau de refroidissement du
moteur êt évapôration
à 68oC d'une
partie
du fluide du cycle inférieur.
Fig.l : Concept
d'une centrale
HSPS
Conférence
CISBAT
LESO-EPFL Sept. 99
-4-
(b_et
b'),: év^qporation
à l46oC du fluide du c_ycle supérieurpa! le fluide caloporteur
solaire
(chaufË par apport solaire
et par apport des
gaz cle combùstion)
. (c et c') récupération
de 17 kv/th de 650'C à l60oCsur les saz de combustion du moteur
pour le'chauffage
complérnentaire du fluide caloporteur
solaire
Il va sans dire que ces composites se modifient en fonction des variations du rayonnement
solaire et de la charge du mo^teur
pour répondre à la demande.
3.3 Capteurs et fluide caloporteur
Les capteurs choisis sont des capteurs à concentrateurs
extra-plats focalisant le rayonnement solaire sur un tube
absorbeur sous
vide contenant le fluide caloporteur:
Leur originalité conceptuelle réside essêntiellement
dans le plan réflecteur constitué de lamelles de verre
plates et réfléchissantes formant un miroir de Fresnel.
Ces lamelles sont clipées sur une structure
plane de
façon à permettre
un remplacement aisé. Celle-ci offre
moins de prise au vent avec des phases
de construction
caractérisées
par une faible complexité technologique
industrielle. L'inclinaison respective de chacun de ces
miroirs est choisie de facon à concentrer le
rayonnement sur une même lisne focale. L'ensemble du
capteur est orienté Nord-Sud-avec suivi du soleil d'Est
en Ouest. Ces capteurs présentent
un net avantage
optique par rapport aux solutions classiques, avantage
qui réside essentiellement
dans la maîtrise de la tache
focale lumineuse et en particulier en ce qui concerne la
répartition de sa densité
lumineuse:
Confizuration
lie--ux rangées de capteurs d'une puissance
totale de
60 kwth (pour une intensité moyenne du flux
solaire de 900Wm2)
o Surface active totale des deux limes de 100 m2
o tubes
absorbeurs sous vide typeSOLEL
o Fluide caloporteur : eau sous
pression (possibilité
de fonctionner aussi avec de l'huile)
o température
moyenne à I'absorbeur: 150"C-160'C
(pos^sibilité
de nionter à 380"C avec
de I'huile)
: fluide caloporteur est encore chauffé dans un
ment du mot-eur avant de passer
à l'évaporateur
on du cvcle supérieur. La circulation du fluide
ontation-des capteurs en présence
d'une varule
3.4 Le système
thermodynamique de conversion
i pour
le cvcle supérieur est
le RI23. La vapeur
sïne turbïne scrôll à haute température
(6tage
rs un condenseur assurant
l'évaporation et la
i,est, par la suite, repris par une pompe pour
re cycle supeneur.
Au niveau du cycle inférieur, le.choix s'est 1
Rl34a sont détendues dans
la turbine scroll de
un échangeur
à eau de refroidissement (cond
liquide Rit+a est repris par une pompe,'puis
eau de refroidissement du moteur qui assure so
Pour ce prototype et contrairement au système testé
antérieurement de pompage
séparé d'huile
de lubriÏicatiori des expandeurs.
I'huilê de lubrication circule avec fluidé de travail. Un
séparateur
en fin d'évapbrateur
permet ensuite
d'alimenter les paliers par simple difference de
prèssion.
Cet a:rangernènt
permèt
de travailler plus aisément eir turbinè à conôensation.
Fig.3 : vue d'une seule ligne de
capteur CEP type COGENER
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LESO-EPFL Sept.
99
-5-
Cycle HT:
o Unité turbine scroll d'une puissance
maximale de 5 kWe (cylindrée: 72 cm3,
raooort de volume installé de 2.3
. Fluide organique
: R123 évaporé entre
140oC et l50oC
cycle
BT :
o Unité turbine scroll d'une puissance
maximale de SkWe (cylindrée
:72cm3,
rapport de volume installé : 2.3)
o Fluide organique: R134a évafioré entre
60"C et 70oC
o Source
de refroidissement: eau à 7oC
4. RESULTAT ET DISCUSSION rn d'une centrale solaire en charges
partielles,
i maximisent ses oerformances
en raooort avec
Dans notre cas. seuls des essais en faboratoire
thermique moteur au cycle inferieur et compte t
les rapforts de pressiori
n'étaient dans tous ces essais
pas parfaitement
adaptés.
Situation des points
de fonctionnement
sur la
cacractéristioue
de rendement des turbines
13 15
PR/PRi
[-]
70
68
64
62
54
52
50
Fig.5 : Performances
des cycles superposés FiB.6 :"Rendemernts et
marees
3i*i"#ffi;ment
L'efficacité du cycle, de I'ordre de l8%o
au
maximum
(soit 50% de rendement
exergétique :
efficacitélfacteur
de Carnot) est très satisfaisante
si elle est comparée
au 20% (soit 59%o de
Fig.4 : cycles de Rankine superposés
19
17
E
E 13
6
E11
.Es
Æ7
Performances
globales des
cycles superposés
25 30 35 40 45 50 55
Apport thermique
[kWl
âPuissance
électrique
lkwl
.Efficacité du cycle [%]
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-6-
Ce mode de fonctionnement. même s'il s'avèr
de réslaee. imolique une vitesse
constante e
fonctionlé la ihaise. Une rézulation de vitess
optimiser les régimës de travail en améliorant e
5. CONCLUSION
L'approch.e
proposée
a 1'avantage,,d'être adag
modlÏlcatron maJeure, etre adaptaDle a une e
fonctionnement au eré des orosrès technolo:
fluides notammènt. L'intérêt^deTa
nature mod
loin pas aux seules centrales solaires mais d
matiëre de valorisation d'énergie thermique
rési
6. REFERENCES
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tl3l Allani, Y., Favrat D., Kane M.,Zanelli R. et al.: CSIP3,
Projet détaillé d'une mini-centrale
pilote
électrothermosolaire
de 10 kWe. Rappot fural
pour
OFEN,
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[14] VDI (Verein Deutscher
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Working fluid Problems.
VDI-Verlag,
(1e84)
... The structure of the cycle has a single volumetric turbine stage involving an organic fluid with the high temperature kept constant while the lower temperature is variable. The condensation of the organic fluid does not take place at ambient temperature but at a temperature higher than that required by the absorption machine [1,3,4,5] and it is also subject to the average ∆ ℎ . The efficiency can be expressed by the following model where parameters and 1 are determined experimentally. ...
... The condensation of the organic fluid does not take place at ambient temperature but at a temperature higher than that required by the absorption machine [1, 3, 4, 5] and it is also subject to the average ∆í µí±‡ í µí±í µí±–í µí±›í µí±ℎ . ...
Article
Full-text available
A new concept of small hybrid solar power system (HSPS) has been successfully demonstrated in the context of a project called SPS (Solar Power System). This plant integrates two rows of solar collectors, two superposed Organic Rankine Cycles (ORC) each equipped with a scroll hermetic expander-generator and a heat engine. In operation with solar energy only, the heat is supplied by a thermal fluid (presently pressurized water) heated in the vacuum insulated focal tubes of sun following, flat concentrators made of series of thin plate mirrors (CEP). In hybrid mode additional heat is supplied by heat recovery from the exhaust gases of the engine in series with the solar network and by a separate network recovering heat from the cooling of the engine block at an intermediate temperature level. This paper presents the results of a multi-criteria optimization of a 22 kWe HSPS, including aspects such as energy performance, economic and financial analysis, and environemental aspects. The so called mini-maxi methodological approach with genetic algorithm is used considering three principal criteria such as the energy efficiency of the superposed ORCs, the minimal cost of the installation and the minimum emission of CO2 . Taking into account of the solar radiation time dependence, the elecricity supply variation and the change of configuration (night and day operation), the performance analysis is based essentially on the yearly energy simulation in which the off-design physical models of components are considered. A comparison of HSPS with pure fossil fuelled Plants (DEPU-Diesel Engine Power Unit) is reported for the same electrical power load curve, with an economic sensitivity analysis. Results show that the solar electricity costs are still high and depend considerably on the size of the Solar Field (the HSPS Levelized Electricity Cost with 5 to 16% of annual solar share is about 17% to 49% higher than a similar size Diesel Engine Power Unit). However, a reduction of CO2, emission up to 26% could be obtained when replacing the Diesel Engine Unit by a similar HSPS. Those hybrid solar thermal power systems may already be competitive if a tax of about 42 Swiss cts/kgCO2 would be considered.
Conference Paper
Full-text available
The five Solar Electric Generating Systems (SEGS) at Kramer Junction, California, now have nearly 30 years of cumulative operating experience. These 30 MW plants employ parabolic trough technology originally deployed by LUZ International in the late 1980`s and are now managed, operated and maintained by the Kramer Junction Company. In this paper, Sandia National Laboratories performed an analysis of the annual energy production from the five plants. Annual solar-to-electric conversion efficiencies are calculated and the major factors that influenced the results are presented. The generally good efficiencies are primarily attributed to the excellent equipment availabilities achieved at all plants.
Conference Paper
Solar thermal power plants of the parabolic trough type have been successfully demonstrated for 10 years, the electricity costs, however, are still too high. For commercialization on a large scale these plants have to be integrated into fossil fired combined cycles. A strategy how to meet this goal is proposed. For further cost reduction three advanced concepts are presented: Direct steam generation in parabolic trough systems, preheating of combustion air for gas turbines and upgrading of natural gas by solar reforming in tower systems. These solar systems only serve as fuel saver (8 to 25% for full load operation hours of 4000 h/y), however, have high potential for cost reduction down to 5 cts/kWh. To demonstrate their technical feasibility, governmental and European Community-funded prototype systems are being built. The state of development and economic analysis and comparisons are reported.
Article
Integrated solar combined cycle systems (ISCCS) represent, both economically and energetically, a promising alternative for the conversion of solar energy while offering a guarantee of a minimum power supply independant of the level of solar radiation. Their performances are however strongly dependant on the intensity of the solar input. The approach proposed in this paper allows, from the characteristics of the turbines (gas turbines and steam turbines) and of the solar field, to rationalize the choice of the pressure levels and of the massflows of a steam cycle with multiple pressure levels. It is based on the coupling of a pinch technology approach with a thermodynamic modeling allowing an optimisation with deterministic algorithms. Results are applied to a dual pressure steam cycle and accounts for the respect of the "cone law" for the steam turbines. It is shown that an increase of the exergetic losses linked to heat transfer in the steam generators is inevitable at certain operational regimes and depends directly on the level of solar supply. The variations of the main steam cycle parameters as a function of the thermal supply (combustion gases + solar thermal oil) are shown for an 80 to 120 MWel power plant equipped with two gas turbine and one steam turbine train.
Article
Cet article présente un concept original de centrale électrothermosolaire comprenant des unités de puissance modulaires à cycles de Rankine superposés utilisant pour la première fois des expandeurs-génératuers hermétiques de type scroll, des capteurs à concentration à lamelles ajourées, et une évaporation et condensation directe des fluides de travail. Les performances expérimentales des principaux composants sont présentées.
Project PAESI, phase II
  • Y Allani
  • D Favrat
  • K Ziegler
  • M Kane
Allani, Y., Favrat D., Ziegler K., Kane M. et al. : Project PAESI, phase II. Final Report, Dec, (1997) I7l Pilkingston Solar Intemational GmbH : Status Report on Solar Thermal Power Plants, ISBN 3-9804901 -0-6, January (1996).
Direct Solar Steam Generation in Parabolic Trough Collecror. Plataforma Solar de Almeria
  • E Dagan
  • M Muller
  • F Lippke
Dagan, E., Muller, M., Lippke, F.: Direct Solar Steam Generation in Parabolic Trough Collecror. Plataforma Solar de Almeria, PSE Report, Almeria, (1992).
Projet détaillé d'une mini-centrale pilote électrothermosolaire de 10 kWe
  • Y Allani
  • D Favrat
  • M Kane
  • R Zanelli
Allani, Y., Favrat D., Kane M.,Zanelli R. et al.: CSIP3, Projet détaillé d'une mini-centrale pilote électrothermosolaire de 10 kWe. Rappot fural pour OFEN, (1997)