Présentation d’une centrale à cheminée solaire

I.1.1 Introduction
Cette première partie de ce chapitre est consacrée à la présentation d\’une centrale à cheminée solaire, c\’est une centrale électrique à énergie renouvelable destinée à la production de l\’électricité à partir du rayonnement solaire à basse température, les trois éléments principaux constituant une centrale à cheminée solaire sont le collecteur, la tour (cheminée) et la turbine. Le principe de base de fonctionnement est bien compris, l’air s’écoulant à travers le système, transformant ainsi l’énergie solaire en énergie cinétique, l’énergie cinétique de l’air est transformé en électricité en utilisant des groupes turbogénérateurs (turbine). Comme les autres systèmes les centrales à cheminée solaire ont des avantages et des inconvénients, l\’avantage major que le système peut être équipé d’un dispositif de stockage afin d’augmenter la période de fonctionnement du système, c’est-à-dire en dehors de la période journalière grâce à diverses techniques et l\’inconvénient major est le rendement qui est faible. Plusieurs projets ont été lancés à travers le monde, mais seulement deux projets ont été réalisés (en Espagne et en chine).
I.1.2 La Centrale à cheminée solaire
Une centrale à cheminée solaire c\’est une technologie alternative véritable «verte» et durable [5]. Cette dernière est basée sur l’idée de l\’exploitation de l\’énergie cinétique des mouvements de la convection naturelle de l’air chauffé par le soleil, pour la production de l’énergie électrique à partir de trois composants principaux : capteur solaire (collecteur), la cheminée ou la tour, et la turbine éolienne.

Le projet présenté pour la première fois par l\’armée espagnole, le colonel Asadoro Cabanyes, en 1903. Le premier prototype de la cheminée solaire a été construite en 1981 Fig.I.1, dans le site à Manzanares en Espagne par l\’ingénieur de nationalité allemande Jörg Schlaich, et a servi jusqu\’en 1989 [5].

Fig. I.1 : La cheminée solaire de Manzanares [5].
I.1.3 Les composants de la cheminée solaire
La figure (I.2) présenté les composants principaux d\’une centrale à cheminée solaire.

I.1.3.1 Le collecteur
Le collecteur c’est un élément important pour produire l’air chaud par l’effet de serre, ce dernier en verre ou en plastique de hauteur de 2 à 6 mètres qui couvre une zone très large (Fig.I.3). En utilisant le verre pour la construction de toit de collecteur parce qu\’il est le plus efficace avec en rendement de conversion d\’énergie solaire en chaleur qui peut atteindre 70%. En outre, sa durée de vie peut facilement atteindre 60 ans ou plus avec un entretien et une maintenance appropriés [5].

Fig. I.2 : Les principaux composants

d\’une cheminée solaire [5].

Fig. I.3 : Le collecteur [5].
I.1.3.2 La turbine éolienne
Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser l’énergie cinétique de l’air en mouvement pour faire tourner les aubes de la turbine, cette dernière convertie l’énergie cinétique en mécanique pour entraîner un générateur qui produit l’électricité [5].
Les turbines sont placées soit horizontalement dans le collecteur, soit verticalement dans la cheminée, comme montrée sur les Fig.I (4-5). L’emplacement des turbines est toujours à la base de la cheminée où la vitesse d’écoulement de l’air est plus élevée, pour transformer le maximum d’énergie cinétique en énergie mécanique.

Fig. I.4 : Turbines verticales [5].

Fig. I.5 : Turbines horizontales [16].

I.1.3.3 La tour (cheminée) :
La tour c’est une partie aussi importante de la cheminée solaire, elle agit comme un tube de pression (ou une machine thermique), placée au centre du collecteur.

Fig. I.6 : La tour d\’une cheminée solaire [5,17].
La hauteur de la cheminée jeux un rôle très important pour la production d’énergie. L’efficacité de la cheminée ne dépend pas de la température de l’air entrant, mais de la différence de température avec l’air extérieur en haut de la cheminée (effet cheminé). Donc, l’efficacité est directement proportionnelle au ratio entre la hauteur de la cheminée et la température extérieure.
IL y a deux types principaux des tours sont possibles : celles qui sont autoportées (construites en dur : béton ou acier) et les cheminées haubanées (structures plus légères constituées de tubes habillés) [5].
I.1.4 Le principe de fonctionnement
Les centrales électriques de la cheminée solaire utilisaient l\’air qui chauffe dans le collecteur par le rayonnement solaire sous l\’effet de serre. La diminution de la masse volumique de l\’air conduit à accélérer et amené l\’air vers le milieu du collecteur où se trouve une cheminée, puisque l\’air le plus chaud est plus léger que l\’air froid, il s\’élève en haut de la cheminée [17].
Une turbine éolienne à la base de la cheminée est mise dans la trajectoire de l\’écoulement de l\’air pour convertir l\’énergie cinétique de l\’air écoulant en énergie mécanique et le générateur entraîné par la turbine convertit l\’énergie mécanique en énergie électrique [17].

Fig. I.7 : Schéma illustrant le fonctionnement de la cheminée solaire [17].
I.1.5 Le système de stockage
Le rayonnement solaire c’est un facteur très important pour la production d’électricité dans la cheminée solaire. L’énergie électrique n’est pas stockée pendant le jour pour utiliser en nuit.
Donc, il faut faire un système de stockage d’énergie pour l’amélioration du rendement et la continuité de service.
Il existe plusieurs méthodes de stockage d\’énergie pendant la nuit :
1. Avec des tubes noirs remplis d’eau sont placés sur le sol, avec capacité calorifique de l’eau égale 4.18 kJ/kg et d’environ cinq fois supérieure à celle du sol (0.75 – 0.85 kJ/kg). Pendant le jour une partie du rayonnement solaire est stockée dans les tubes d’eau sous forme de chaleur et libérée pendant la nuit, quand l’air dans le collecteur commence à refroidir.
2. Avec le chauffage du sable par le rayonnement solaire.
3. Avec l\’utilisation des galets, qui ont un pouvoir de stockage de chaleur très important.

Fig. I.9 : Principe du stockage de chaleur avec des tubes noirs remplis d’eau [17].

Fig. I.10 : Principe du stockage de chaleur par l\’utilisation des galets [17].

I.1.7 Les avantages et les inconvénients de la cheminée solaire
 Les avantages :
• En raison du système de stockage de chaleur, la cheminée solaire actionnera 24 h sur l\’énergie solaire pure.
• La construction simple, peu d’entretien nécessaire.
• Aucune émission de gaz à effet de serre.
• Le coût d’exploitation est faible.
• La cheminée solaire ne pas besoin de l\’eau de refroidissement. C\’est un avantage principal dans les nombreux pays ensoleillés qui ont déjà des problèmes majeurs avec l\’eau potable.
• Les matériaux principaux de la construction de la cheminée solaire, béton et verre sont disponibles partout en quantité suffisante.
 Les Inconvénients :
• Le coût de l\’investissement est élevé
• Le rendement n’est pas stable.
• Le collecteur occupe une grande surface.
I.1.8 Les différents projets de la cheminée solaire

 La cheminée solaire espagnole (Manzanares) :
C’est Le premier prototype qui a été construit en 1982, sous la direction de l’ingénieur allemand Jörg Schlaich, le site de Manzanares est proposé par Le distributeur d\’électricité espagnol et le ministère de recherche allemand a financé le projet. La cheminée est de type cylindrique avec une puissance de 50 kW. Elle fonctionne à partir de 1982 jusqu’en 1989. Elle a été arrêtée car le coût de kilowattheure, cinq fois plus élevé qu\’une centrale thermique classique. Le toit de collecteur de la cheminée solaire occupe une grande surface. La matière première de ce dernier le verre est le plastique [17].
 Spécifications du projet :
o Une cheminée de 194.6 m de hauteur et de rayon moyenne 5.08 m.
o Un collecteur de rayon moyen 122 m et hauteur de 1.85-3.7 m.
o La vitesse de l’air dans la cheminée égale 15 m/s (54 km/h).
o La différente de température dans le collecteur : 20 °C.
o Une turbine avec quatre pales.
o La Puissance électrique produit égale 50 kW.
o La partie de collecteur en plastique : 40 000 m2.
o La Partie de collecteur en verre : 6 000 m2.

 La cheminée solaire de Buronga « Australie »
Un autre projet de cheminée solaire a été développé par la société Enviromission [16], la tour est aussi de type cylindrique, avec une puissance de production égale 200 mégawatts. Il s\’agit d\’un des projets les plus ambitieux de la planète pour la production d\’énergie renouvelable sûre et propre : les centrales solaires existantes ou en projet sont plutôt de l\’ordre de 10 MW, soit 20 fois moins.
 Spécifications du projet :
o Une cheminée de 990 m de hauteur et de rayon 35 m.
o Un collecteur de 7 km de diamètre.
o La Vitesse de l\’air dans la cheminée égale 15 m/s (54 km/h).
o La Température de l\’air chauffé dans la cheminée égale 70 °C.
o 32 turbines.
o La Puissance électrique produit égale 200 mégawatt.

Fig. I.11 : Le projet Australien (Buronga) [16].

 Le projet de la cheminée solaire Chinois :
Il s\’agit d\’un système de centrale électrique à cheminée solaire dans la région de Jinshawan, ville de Wuhai en Chine, la cheminée solaire a été mise en service, le 10 décembre 2010, avec une puissance de production de 200 kW, qui peut fournir 400.000 kWh /an [17].

 Le projet espagnol « Ciudad Real »
Un autre projet de tour solaire, dont les travaux ont commencé en 2010 dans Ciudad Real en Espagne. Les travaux devaient être menés en collaboration avec une entreprise espagnole et la compagnie allemande Schlaich Bergermann [17].
 Spécifications du projet :
o Une cheminée de 750 m de haut.
o Un collecteur de 3 km de diamètre, couvrant 350 hectares, dont 250 hectares pourraient être utilisés pour la culture de légumes sous serre (tomates).
o Vitesse de l\’air dans la cheminée : 43 km/h.
o La Puissance de l\’installation : 40 mégawatts.
o Coût du projet : 240 millions d\’euros.

Fig. I.12 : Le projet de Ciudad Real [17].
 Le projet Namibien
Une équipe de chercheurs de l’université de Stallend Boch en Afrique du sud, qui a annoncé le projet [17].
 Spécifications du projet :
o La tour de hauteur 1.5 km et de diamètre 280m.
o Le collecteur avec 7 km de diamètre.
o La puissance électrique produite égale 400 mégawatts.
o Le coût d’investissement un milliard de dollars.

Fig. I.13 : Le projet Namibien de la cheminée solaire [17].

I.2 Revue bibliographique
I.2.1 Introduction

Plusieurs études ont été entreprises sur les cheminées solaires, les auteurs ont essayé de toucher les différents éléments afin d\’améliorer les performances, ceci à travers des modifications sur la forme du collecteur, la cheminée et la turbine. Mais d\’autres ont étudié l\’écoulement de l\’air et le transfert de chaleur pour comprendre les phénomènes hydrodynamique et thermique impliqués, sur cette base une répartition de la recherche bibliographique a été faite.

I.2.2 Les études de l\’implantation d\’une cheminée solaire

A. Asnaghi et al [9] se sont penchés sur l\’étude de la possibilité de l\’implantation d\’une centrale à cheminée solaire dans les régions centres de l\’Iran. Par l\’évaluation de 12 régions différentes à travers le pays, les résultats obtenus montrent que les centrales solaires à cheminée peuvent produire de 10 à 28 MWh / mois d\’énergie électrique, cette production d\’énergie est suffisante pour les besoins des zones rurales situées à l\’Iran.

En année 2011, F. Cao et al [18] ont procédé à l\’étude de la conception d\’une cheminée solaire inclinée (Fig. I.14), qui devrait fournir de l\’électricité pour les villages reculés du Nord-ouest de la Chine, la ville de Lanzhou. L\’installation étudie, dans laquelle la hauteur et le rayon de la cheminée sont respectivement 252,2 m et 14 m, le rayon et l\’angle du collecteur solaire sont 607,2 m et 31°, est conçue pour produire une puissance moyenne mensuelle de 5 MW pendant toute l\’année. De plus, ils ont montré que la centrale a de meilleures performances au printemps et en automne jours, mais le rendement global est faible. Dans un travail Les auteurs F. Cao et al [19] ont étudié l\’influence de la pente d\’inclinaison du collecteur ainsi que l\’effet de latitude sur la production énergétique en Chine. Ils ont indiqué dans cet article que l\’augmentation de l\’angle du collecteur conduit à une performance améliorée en hiver, mais entraîne une performance inférieure en été. L\’étude a montré aussi que l\’implantation des centrales aux régions de hautes latitudes du nord-ouest de la Chine sont plus adaptés.

Fig. I.14 : Centrale à cheminée solaire inclinée [18].

Les auteurs Y. J. Dai et al [10] ont miné une étude sur l\’influence des certains paramètres, tels que la hauteur de la cheminée, le diamètre du collecteur, la température ambiante, le rayonnement solaire et le rendement de la turbine sur les performances d\’une centrale à cheminée solaire, qui devrait fournir de l\’énergie électrique aux villages du nord-ouest de la Chine. les résultats ont montré que une cheminée solaire dont la hauteur et le diamètre de la tour sont respectivement de 200 m et 10 m , et le diamètre du collecteur est de 500 m, est capable de produire une moyenne mensuelle 110 à 190 kW d\’énergie électrique pendant toute l\’année.

S. Djimli et al [11] ont examiné la possibilité de l\’implantation d’une centrale cheminée solaire dans la région de M\’Sila (Algérie), dont le potentiel solaire est exceptionnel. L’analyse des performances d’une cheminée solaire ayant des caractéristiques similaires au prototype de Manzaneres (Espagne) pourrait produire 39-72 kW, qui servirait à alimenter en électricité 39 000 à 72 000 habitants. Dans deuxième travail les auteurs S. Djimli et al [12] ont proposé de mener une investigation sur les possibilités d’implantation de cheminées solaires à travers le territoire national de l\’Algérie. Quatre régions potentielles ont été choisies, les résultats obtenus sont en faveur de la construction d’une cheminée solaire qui produirait 14 à 23 KW d’électricité.

Par l\’utilisation de l\’équation de Bernoulli simplifie combinée avec la statique des fluides et l\’équation des gaz parfaits, l\’auteur M. O. Hamdan [20] a développé un modèle thermodynamique simplifie pour analyser la performance d\’une cheminée solaire installe dans la région du Golfe. il a conclu que pour une centrale avec une hauteur de la cheminée de 500 m et un diamètre du collecteur de 1000 m produira une quantité d\’énergie au cours de l\’été qu\’est supérieure à la demande dans la région du Golfe.

Dans cet article, les auteurs S. Larbi et al [21] ont présenté l\’analyse de la performance d\’une centrale électrique à cheminée solaire qui devrait fournir l\’énergie électrique aux villages situés dans la région sud-ouest de l\’Algérie. Les résultats obtenus montrent que la centrale de cheminée solaire peut produire de 140 à 200 kW d\’électricité (Fig. I.15), cette production est suffisante pour les besoins des zones isolées dans la région d\’Adrar.

.

Fig. I.15: Production mensuelle moyenne [24].

L\’analyse de l\’implantation d\’une centrale à cheminée solaire au niveau de la région méditerranéenne a été évoluée par S. Nizetic et al [22], deux lieux géographiques caractéristiques (Split et Dubrovnik) en Croatie étaient choisis. Les auteurs ont développé un modèle simplifié pour calculer l\’énergie électrique produite, d\’après les calculs une cheminée solaire implante dans ces régions avec une hauteur de la cheminée de 550 m et un diamètre du collecteur de 1250 m produira une puissance de 2,8 – 6,2 MW.

C. O. Okoye et al [23] ont étudié la faisabilité de l\’installation d\’une centrale électrique à cheminée solaire dans la région nord du Chypre en Turquie, ceci pour différentes valeurs de la section du collecteur et hauteur de la cheminée. Après une validation de la méthode utilisée avec les enregistrements expérimentaux du prototype à Manzanares, en Espagne. ils ont montré qu\’une cheminée solaire qui produira une capacité de 30 MW peut répondre aux besoins annuels en électricité de plus de 22 128 logements sans impact environnemental des gaz à effet de serre.

Les auteurs F. N. Onyango et al [24]ont examiné la pertinence d\’une cheminée solaire pour les villages ruraux ainsi que la mise en évidence certaines caractéristiques d\’une telle centrale. D\’après les calculs effectués pour un rapport s = 2.9 (la différence entre la température de surface du collecteur et la température à la turbine sur la différence entre la température de la masse d\’air dans le cadre du toit et la température de surface du collecteur), une puissance électrique appréciable 1 kW peut être générée par une cheminée solaire robuste, dont la dimension a été déterminée comme étant L = 150 m (hauteur cheminée), H = R = 1.5 m (hauteur du collecteur et rayon de la cheminée).

Dans le même contexte l\’auteur R. Sangi [25] a évalué théoriquement la performance des centrales dans certaines parties de l\’Iran, il a montré qu\’une centrale solaire à cheminée d\’une hauteur de cheminée de 350 m et d\’un diamètre de collecteur de 1000 m est capable de produire une puissance électrique moyenne de 1 à 2 MW par mois.

Les auteurs X. Zhou et al [26] ont proposé la construction d\’une centrale à cheminée solaire dans le plateau Qinghai-Tibet (chine), où il y a un rayonnement solaire direct élevé, ainsi que la température ambiante, dont l\’objet est de desservir les lignes de chemin de fer locales et servir au développement de la région. Les auteurs ont trouvé que la production énergétique est deux fois plus dans cette région par rapport aux autres régions suitées sur la même latitude.

I.2.3 Les études expérimentales

Les auteurs A. Ayadi et al [27] ont présenté dans cet article, une étude expérimentale et numérique afin d\’évaluer la performance d\’une centrale à cheminée solaire tout en faisant varier l\’angle du toit du collecteur. Quatre angles des toits du collecteur ont été étudiés, à savoir β = -1,5 °, β = -1 °, β = 0 ° et β = 1 ° (Fig. I.16). ils ont conclu que pour un toit du collecteur négatif la vitesse de l\’air augmente positivement.

Fig. I.16: Différents angles du toit du collecteur [27].

L\’objectif des auteurs E. Gholamalizadeh et al [28] est de développer une analyse complète (analytique et numérique) pour estimer les performances d\’une cheminée solaire pilote installée au niveau de la région de Kerman, Iran (Fig. I.17). Le modèle numérique a été validé en comparaison avec les données expérimentales de la centrale de prototype Manzanares. De plus, le modèle mathématique a été vérifié par la nouvelle cheminée solaire pilote de Kerman. Une nouvelle approche a été présentée pour évaluer l\’influence de l\’altitude sur la production énergétique. Les résultats ont montré que le diamètre de la cheminée est la dimension la plus importante de la structure pour améliorer le rendement.

Comme suite à une demande d\’investigation du centre de recherche de l\’énergie nucléaire de Julich sur la centrale pilote de Manzanares, les auteurs W. Haaf et al [29] ont présenté les relations qui lient entre les principaux paramètres physiques d\’une part et, d\’autre part, ils ont conclu que la production d\’énergie sera possible avec des centrales à grande échelle conçue pour production jusqu\’à 400 MW. Dans un deuxième travail [30] l\’auteur W. Haaf a communiqué les résultats d\’essais préliminaires de la cheminée solaire pilote de Manzanares, ceci par le bien des bilans énergétiques, l\’enregistrement des valeurs du rendement du collecteur, les pertes de pression dues au frottement et les pertes dans la turbine pendant 24 heures. Il a conclu que les résultats concordent bien avec les résultats obtenus par la modélisation.

Fig. I.17: Une image de la centrale pilote à cheminée solaire à Kerman, Iran [29].

Pour étudier expérimentalement l\’effet du climat sur le rendement, les auteurs A. B. Kasaeian et al [31] ont procédé à la conception et à la fabrication d’une cheminée solaire pilote avec un diamètre de 10 m de collecteur et 12 m de hauteur de la cheminée (Fig. I.18). D\’après les mesures réalisées pendant deux jours froid et chaud, les résultats montrent qu\’avant le lever du soleil un écoulement qui dirige de la cheminée vers le collecteur, mais au fur et à mesure que le rayonnement augment l\’écoulement de l\’air sera inverse, après certains temps l\’écoulement d\’air sera stable.

Fig. I.18: Une image de la centrale pilote à cheminée solaire à Université de Zanjan, Iran [31].

Les auteurs A. Koonsrisuk et al [32] ont proposé la création des variables sans dimension pour guider l\’étude expérimentale de l\’écoulement dans une cheminée solaire à petite échelle pour deux fluides l\’eau et l\’air. La modélisation numérique a été utilisée pour prouver la similarité des variables adimensionnelles proposées. Les résultats de CFD montrent que les modèles dynamiquement sont similaires au prototype comme ont été suggérés par les variables adimensionnelles.

Une installation expérimentale pilote d\’une cheminée solaire a été construite par X. Zhou et al [33] avec un diamètre du collecteur de 10 m et une cheminée de 8 m de hauteur (Fig. I.19), dont l\’objectif est de mesurer l\’augmentation de la température dans le collecteur. Il a été enregistré une différence de température entre la sortie et l\’entrée du collecteur de 24,1, ce qui génère la force motrice du flux d\’air dans la configuration.2007

Fig. I.19 : Image de la centrale pilote à cheminée solaire à Hust, Chine : (a) Image générale de la cheminée solaire, (b) Turbine installé à la base de la cheminée solaire [33].
I.2.4 Les études sur l\’impact de la géométrie et les problèmes de construction

Les auteurs M. D. S. Bernardes et al [34] ont visé par ce travail un modèle analytique et numérique complet, qui décrit la performance des cheminées solaires. L\’objet essentiel de ce modèle est d\’estimer la puissance ainsi que l\’examen de l\’effet de diverses conditions ambiantes et dimensions structurelles sur la puissance produite. D\’après les auteurs les paramètres importants pour la conception des cheminées solaires sont la hauteur de la cheminée, le coefficient de chute de pression dans la turbine, le diamètre et les propriétés optiques du collecteur.

Le but de ce travail réalisé par E. Bilgen et al [35] est de montrer que le site géographique choisi pour la construction d\’une cheminée solaire doit être étudié, essentiellement a évité les régions dont latitude est importante, car la production de puissance sera diminuée avec un pourcentage 15% par rapport aux endroits du sud avec un champ du collecteur horizontal.

T. Chergui et al [13] ont développé un code numérique de CFD pour étudier l\’influence des paramètres géométriques et opérationnels dans d\’une cheminée solaire à travers la variation du nombre de Ra . Il a été enregistré pour la plupart des nombres de Rayleigh, l\’écoulement est stable à exception pour des nombres de Raleigh élevés où il y a quelques perturbations, aussi les vitesses maximales sont constatées à l\’entrée de la tour.

L\’auteur M. O. Hamdan [36] a présenté un nouveau modèle thermique mathématique pour un écoulement de l\’air en régime permanent à l\’intérieur d\’une centrale à cheminée solaire . Cela par l\’utilisation de l\’équation de Bernoulli modifie avec l\’effet de flottabilité et l\’équation des gaz parfaits. Les résultats montrent que la hauteur de la cheminée, le rayon du collecteur, le rayonnement solaire et la position de la turbine sont des paramètres essentiels pour la conception des cheminées solaires.

Les auteurs S. Hu et al [37] ont examiné de manière exhaustive l\’effet de la géométrie des cheminées divergentes (Fig. I.20) sur la performance d\’une cheminée solaire afin de révéler leurs caractéristiques hydrodynamiques. Les résultats ont indiqué l\’existence d\’une tendance parabolique dans la performance des cheminées divergentes lors de l\’augmentation de deux paramètres. Cependant, la puissance de sortie des cheminées divergentes dans ces cas étudiés est dépassée de plusieurs pourcentages à plus de 100 fois supérieures à celles des cheminées cylindriques.

Fig. I.20 : Différentes configurations géométriques étudiées [37].

Les auteurs A. Koonsrisuk et al [38] se sont penchés sur l\’obtention d\’une similarité dynamique complète entre un prototype et ses modèles. L\’étude a montré que pour atteindre la même condition, la hauteur du toit doit être réduite entre le prototype et ses modèles, alors que toutes les autres dimensions restantes des modèles sont toujours similaires à celles du prototype.

Par un modèle mathématique détaillé et combiné avec des différents paramètres hauteur / rayon, débit massique maximal et puissance maximale, les auteurs A. Koonsrisuk et al [39] ont constaté que la puissance produite par unité de surface est proportionnelle à l\’échelle de longueur de la centrale.

L\’auteur A. Koonsrisuk [40] a mené une étude sur la forme du collecteur (Fig. I.21), qui joue un rôle important sur les performances d\’une cheminée solaire. Le modèle mathématique a été résolu numériquement en utilisant un processus itératif. L\’auteur a montré que le rapport entre la section d\’entrée et de sortie du collecteur doit être supérieur à 1 pour éviter tous problèmes. Le collecteur incliné peut fonctionner comme une cheminée et la hauteur de la cheminée peut être réduite et, par conséquent, le coût de construction serait diminué.

Fig. I.21 : Schéma du système à cheminée solaire avec un collecteur incliné [40].

Une étude analytique et numérique de l\’écoulement de l\’air à l\’intérieur d\’une cheminée solaire a été menée par C. B. Maia et al [7] où ils ont montré que la hauteur et le diamètre de la tour sont les variables physiques les plus importantes pour la conception de la cheminée solaire.

Les auteurs S. V. Panse et al [41] ont traité le problème lieu à la construction de la tour dans d\’une centrale à cheminée solaire qui exigent des techniques d\’ingénierie complexes, ils proposent la construction d\’une géométrie inclinée, qui a été construite le long de la face d\’une montagne d\’une hauteur importante, cela rend la structure stable, rentable et facile pour la construction. Un modèle mathématique a été développé compte tenu du bilan énergétique, les résultats démontrés que les vents extérieurs améliorent la puissance cinétique, ainsi que les tours inclinées peuvent aussi exploiter l\’énergie éolienne, disponible en haut de la montagne.

Une étude numérique de l\’effet des paramètres géométriques sur les performances d\’une centrale à cheminée solaire a été présentée par S. K. Patel et al [42]. L\’objectif de ce travail est d\’optimiser la géométrie des composantes majeures de la CCS, ainsi que l\’amélioration des caractéristiques d\’écoulement de l\’air à l\’aide du logiciel ANSYS-CFX. La hauteur de la cheminée et le diamètre du collecteur ont été gardés constants. L\’orifice d\’entrée de collecteur, le diamètre de la sortie du collecteur et le diamètre de la cheminée ont été variés. Sur la base du calcul, les résultats montrent que la configuration optimale a été obtenue à l\’aide de la cheminée avec un angle de divergence de 2° et le diamètre de la cheminée de 0,25 m avec une ouverture du collecteur de 0,05 m et un diamètre de sortie de collecteur de 1 m.

I.2.5 Les études sur la turbine éolienne

Afin d\’étudier la performance des turbines à contre rotation (Fig. I.22) dans une centrale à cheminée solaire un modèle a été développé par F. Denantes et al [43], les auteurs ont utilisé les équations du rendement en combinaison avec un modèle thermodynamique et un modèle du rayonnement solaire pour évaluer la production annuelle d\’énergie. Ils ont conclu que les turbines à contre rotation offrent un meilleur rendement pour des facteurs de charge plus élevés par rapport aux turbines simples.

Fig. I.22 : Triangle de vitesse et nomenclature d\’une turbine à contre-rotation [43].

Les auteurs T. P. Fluri et al [44] ont étudié l\’impact de type de la turbine sur les performances d\’une centrale à cheminée solaire, les configurations de turbine considérées sont des turbines à rotor unique et à contre rotation, avec ou sans diffuseur de guidage à l\’entrée. Cette étude a été réalisée par l\’utilisation des modèles analytiques et des techniques d\’optimisation. les auteurs ont conclu que la configuration à rotor unique sans aubes directrices se comporte très mal et les rendements des trois autres dispositions sont bien meilleurs.

S. Hu et al [45] ont analysé l\’impact de la géométrie des murs de guidage de la turbine éolienne sur la puissance produite par une centrale à cheminée solaire. Ils ont trouvé une réduction du débit massique après l\’ajout d\’un mur de guidage dans le système, mais une augmentation significative de la vitesse, la puissance maximale a été augmentée par rapport au système sans mur de guidage. Dans une deuxième partie les auteurs S. Hu et al [46] ont montré que le débit massique était linéairement et inversement proportionnel à l\’augmentation de la hauteur du mur de guidage, mais la force motrice augmente de façon non linéaire et la puissance a augmenté avec l\’augmentation de la hauteur du mur de guidage.

L\’effet du rayon de collecteur sur la puissance produite par une cheminée solaire couplée avec une turbine éolienne a été présenté sur un article réalisé par J. Y. Li et al [47], fondant sur un modèle théorique, les auteurs ont conclu l\’existence d\’une limitation pour le rayon du collecteur et la hauteur de la cheminée pour obtenir une puissance maximale.

Pour estimer le facteur de chute de pression dans la turbine d\’une centrale à cheminée solaire, les auteurs S. Nizetic et al [48] ont présenté une étude analytique simplifiée pour montrer que le facteur de chute de pression est de l\’ordre de 0,8-0,9.

Les auteurs M. Tingzhen et al [49] ont présenté des simulations numériques sur une centrale à cheminée solaire couplée par une turbine (Fig. I.23), les modèles mathématiques de transfert de chaleur et de l\’écoulement ont été mis en place pour trois régions: le collecteur, la cheminée et la turbine. Par la suite, une simulation numérique concernant une centrale à cheminée solaire de capacité de MW a été réalisée, pour donner une référence pour la conception d\’une cheminée solaire à grande échelle. Ils ont montré que pour une cheminée solaire avec une hauteur de 400 m et rayon 30 m, collecteur de 1500 m de rayon et une turbine à 5 pales, peut produire une puissance maximale de 10 MW avec un rendement de la turbine de 50%.2008

Fig. I.23 : Modèle de la turbine d\’une centrale à cheminée solaire [49].

L\’influence du rayonnement solaire et la chute de pression à travers la turbine sur le transfert de chaleur, le débit, la puissance et l\’énergie perdue ont été analysées par G. Xu et al [6]. Les auteurs ont montré que lorsque le rayonnement solaire et le rendement de la turbine sont respectivement de 600 W/m2 et de 80%, la production de puissance peut accéder le 120 kW. Aussi un grand débit d\’écoulement massique de l\’air circulant à travers la sortie de la cheminée devient la principale cause de la perte d\’énergie dans le système.

I.2.6 Les études sur le système de stockage de l\’énergie

L\’influence de l\’inertie thermique et le degré de compactage du sol sur la génération de puissance dans d\’une cheminée solaire ont été évolués dans d\’un travail réalisé par F. J. Hurtado et al [50]. Par une modélisation numérique dans des conditions non stationnaires, sur un cycle de fonctionnement pendant une journée et en prenant en compte le sol comme un système de stockage de chaleur, les auteurs montrent que l\’augmentation de compactage du sol gênait une élévation de production de 10%.

Les auteurs T. Ming et al [51] ont étude par simulation numérique le transfert de chaleur et l\’écoulement d\’air dans d\’une centrale à cheminée solaire dotée une couche de stockage d\’énergie. Les modèles mathématiques pour le collecteur, la cheminée et la couche de stockage d\’énergie ont été établis et l\’effet du rayonnement solaire sur la caractéristique d\’accumulation de chaleur dans la couche de stockage d\’énergie a été analysé. Les résultats montrent que le rapport d\’accumulation de chaleur dans la couche de stockage d\’énergie diminue d\’abord et puis augmente avec l\’augmentation de la radiation solaire ainsi que la pression statique, par contre la vitesse, la température moyenne à la sortie de la cheminée et la température de la couche de stockage d\’énergie augmente de manière significative par l\’augmentation du rayonnement solaire.

I.2.7 Les études de couplage d\’une cheminée solaire avec des autres systèmes

La possibilité de combinaison d\’une cheminée solaire avec l\’énergie géothermique (Fig.I.24) a été étudiée par F. Cao et al [52]. Les auteurs ont basé sur un modèle transitoire développé, pour étudier les performances d\’une telle installation, avec les mêmes dimensions de prototype de Manzanares en Espagne. Trois modèles de fonctionnement ont été testés, la cheminée solaire, la géothermique et le modèle combiné solaire-géothermique, ils sont comparés en jours typiques d\’été et d\’hiver et au long de tout de l\’année. Des améliorations ont été constatées au niveau de la production énergétique de l\’installation.

Fig. I.24 : Schéma de la centrale géothermique-cheminée solaire [52].

La possibilité d\’une combinaison entre une centrale à cheminée solaire et une turbine à gaz a été proposée par les auteurs S. Djimli et al [53] où les gaz d\’échappement de la turbine à gaz seront injectés soit à l\’entrée ou au milieu du collecteur de la centrale à cheminée solaire, ce qui permet l\’augmentation rapide du rendement et la récupération de l\’énergie des gaz d\’échappement. Les résultats montrent que ce couplage peut augmenter la production dix fois par rapport une centrale à cheminée solaire seule.

En 2015 les auteurs B. Ghorbani et al [15] ont proposé une nouvelle conception pour augmenter le rendement thermique du cycle de Rankine d\’une centrale à vapeur typique en combinant avec une cheminée solaire et une tour de refroidissement sèche (Fig. I.25). Les résultats obtenus montrent une augmentation maximale de 0,538% du rendement par rapport à une centrale à combustible fossile.

Fig. I.25 : Schéma de la tour de refroidissement hybride avec une cheminée solaire [15].

T. Ming et al [54] ont présenté une nouvelle structure d\’ingénierie d\’une centrale à cheminée solaire, qui n\’est pas seulement un système solaire thermique capable de produire de l\’énergie électrique, mais qui est également capable d\’extraire l\’eau douce de l\’air (Fig. I.26). Cette technique a été analysée en comparaison avec les précipitations naturelles dans neuf villes en Chine, les résultats ont montré qu\’il y a souvent une forte corrélation positive entre les précipitations naturelles et la production d\’eau par cette centrale solaire à cheminée modifiée dans ces villes.

Fig. I.26: Le processus d\’une centrale à cheminée solaire avec condensation de vapeur d\’eau [54].

Une nouvelle technique a été développée par les auteurs X. Zhou et al [55], le but de cette technique est l\’extraction de la chaleur et de l\’humidité à partir de l\’eau de mer sous le collecteur d\’une cheminée solaire pour la production d\’électricité et le dessalement de l\’eau de mer (Fig. I.27). D\’après les résultats la température et la vitesse de l\’écoulement d\’air à l\’intérieur de la cheminée sont inférieures à celles qui sont dans le cas classique, même chose pour la puissance, mais avec une production de l\’eau douce.

Fig. I.27 : Système de cheminée solaire combinée pour la production d\’électricité et dessalement de l\’eau de mer (1: Absorbeur de noir; 2: couche d\’eau de mer; 3: Surface de l\’eau de mer; 4: lit de résistance thermique et sol; 5: Air ambiant frais et sec; 6: Air chaud et saturé; 7: couverture transparente; 8: Cône de guidage; 9: Turbines à air; 10: Cheminée; 11: Auge des chutes d\’eau; 12: Condenseur à haute efficacité; 13: Air ambiant frais et sec autour de la sortie de la cheminée; 14: Air chaud chauffé; 15: Eau de condensation; 16: Générateur d\’eau) [55].

I.2.8 Les études en 3D

Par simulation numérique et basant sur un modèle instable en trois dimensions avec un modèle de RNG pour la turbulence et un modèle de rayonnement à deux bandes, les auteurs E. Gholamalizadeh et al [56] ont présenté l\’effet de serre dans un collecteur d\’une cheminée solaire. Après avoir analysé les résultats, ils ont montré que l\’effet de serre a un rôle important pour prédire avec précision les caractéristiques de transfert de chaleur et de l\’écoulement dans les systèmes de centrale à cheminée solaire.

Les auteurs P. Guo et al [57] ont présenté une étude sur la détermination du coefficient optimal de la perte de charge dans une turbine d\’une centrale à cheminée solaire, par l\’utilisation d\’une approche analytique et des simulations numériques en 3D. Ils ont montré que le coefficient de chut de pression concernant le prototype espagnol se situe entre 0,90 et 0,94 dans des conditions climatiques normales.

Dans un autre travail les auteurs P. Guo et al [58] ont proposé une approche numérique 3D, qui contient un modèle de rayonnement, un modèle de charge solaire et une turbine, où l\’influence de la vitesse de rotation de turbine et l\’angle incident de la lumière solaire sur les performances ont été étudiés. Les résultats obtenus indiquent que le modèle retenu est une approche pratique pour étudier la chute de pression dans la turbine et la vitesse du courant ascendant dans la conception de la centrale à cheminée solaire sans tenir compte du rendement de la turbine.

Les auteurs P. H. Guo et al [59] ont étudié les effets du rayonnement solaire, la chute de pression dans la turbine et la température ambiante sur les performances d\’une cheminée solaire, par l\’utilisation d\’une approche numérique tridimensionnelle intégrant le rayonnement et des modèles pour la turbine. D\’après les résultats le modèle du rayonnement est essentiel pour prévenir la surestimation de l\’énergie absorbée par la centrale, aussi la variation de la température ambiante à un impact faible sur l\’élévation de la température de l\’air malgré son effet sur la vitesse d\’écoulement.

Les auteurs A. Kasaeian et al [60] ont proposé un modèle pour décrire l\’écoulement de l\’air à travers la turbine de la cheminée solaire. Ceci par simulation numérique en 3D du prototype de Manzanares compte tenu des aubes de turbine. Les résultats montrent qu\’avec un nombre fixe d\’aubes l\’augmentation de la vitesse de rotation diminuerait le débit massique d\’air et augmenterait le couple et la puissance générés par la turbine. De plus, à une vitesse angulaire constante, l\’augmentation du nombre des aubes diminuerait le débit massique d\’air et augmenterait le couple et la puissance. Enfin, l\’augmentation de la hauteur de la cheminée et du diamètre du collecteur intensifie le débit massique et la puissance.

I.2.9 Les études économiques

L\’objectif principal des auteurs T. P. Fluri et al [61] est de clarifier les différences constatées dans les résultats obtenus concernant les modèles des coûts pour les centrales à cheminée solaire, cela par la comparaison des modèles des coûts précédents à un modèle alternatif nouvellement développé. D\’après les auteurs les modèles précédents ont peut-être sous-estimé le coût initial par rapport au coût de l\’électricité dans une centrale solaire à grande échelle
Les auteurs E. Gholamalizadeh et al [62] ont présenté un design très utile et une optimisation méthodologie pour les systèmes de centrale à cheminée solaire, par la création d\’un algorithme génétique multi objectif qui optimise simultanément les dépenses, le rendement total et la puissance. Les résultats ont montré que l\’augmentation de la puissance est plus élevée que l\’augmentation de la dépense en configuration optimale.

Le calcul économique de la centrale à cheminée solaire construite dans la ville de Lanzhou en Chine a été traité par W. Li et al [63], suite aux valeurs trouvées du prix de l\’électricité sur les quatre périodes (une période =30 ans) choisies, ils ont conclu que le prix minimal de l\’électricité dans la première période est supérieur au prix actuel du marché, mais les prix minimaux dans les autres périodes sont bien inférieurs au prix actuel du marché.

I.2.10 Autres études

Une Modélisation mathématique des centrales à cheminée solaire a été effectuée par A. Koonsrisuk et al [64], les modèles développés ont été utilisés pour prévoir la performance caractéristique de grandes cheminées solaires commerciales, avec la proposition d\’une méthode simple pour évaluer la production énergétique. Les auteurs ont trouvé que les paramètres importants pour l\’amélioration de performance sont la taille de la centrale, le facteur de la chute de pression dans la turbine et le rayonnement solaire.

L\’auteur N. Ninic [65] a réalisé une étude afin de déterminer et analyser le potentiel du travail disponible que l\’air atmosphérique acquiert en traversant le collecteur en fonction de la hauteur de la tour, ceci pour différents types de collecteurs et fluides (air sec et humide). les résultats ont montré que le mouvement de vortex circulant en aval de la turbine peut être maintenu sous pression et peut éventuellement assumer le rôle de la tour.

Un modèle mathématique a été développé par R. Sangi et al [66], afin de décrire les mécanismes d\’une centrale à cheminée solaire, ce modèle a été résolu par deux méthodes numériques différentes; la première par utilisation une technique itérative et la seconde à l\’aide de logiciel Fluent. Les auteurs ont trouvé un accord quantitatif raisonnablement entre les données expérimentales du prototype de Manzanares et les deux résultats numériques.

Cet article réalisé par X. Zhou et al [67] fournit une image complète sur la recherche et le développement de la technologie des centrales à cheminée solaire dans les dernières décennies, ce document contient la description, le processus physique, le statut de l\’étude expérimentale et théorique ainsi que des descriptions d\’autres types de technologie.