Étude et conception d'un système hybride PV-CSP par des techniques statistiques de type Monte Carlo

Study and design of a PV-CSP hybrid system using Monte Carlo statistical techniques

• Auteur / Autrice : Zacharie Menard
• Direction : Alexis Vossier, Mouna El Hafi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 02/01/2023
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MEE - Matériaux pour l'Energie et l'Espace

Mots clés

Mots clés libres

Monte-Carlo

Csp

Modélisation

Pv

Systèmes Hybride

Csp

Pv

Hybrid systems

Monte-Carlo

Modelling

Résumé

L'absence de pilotabilité de l'électricité photovoltaïque (PV) représente incontestablement un obstacle majeur à son déploiement massif sur le réseau électrique. L'hybridation de la technologie PV et de la technologie solaire à concentration (CSP) constitue une piste prometteuse afin de garantir une pilotabilité accrue de l'électricité solaire, grâce à la capacité de stockage thermique inhérente aux systèmes CSP. Cette complémentarité permet de produire de l'électricité en continu en stockant tout ou partie de la chaleur solaire, permettant ainsi une production d'électricité solaire différée, par exemple pendant la nuit ou lors de passages nuageux. Cependant, chaque type de convertisseur (PV et CSP) est limité en rendement. Par exemple, le convertisseur PV seul ne valorise pas l'énergie du rayonnement solaire absorbé par les cellules PV, non convertie en énergie électrique, mais en chaleur. La possibilité de combiner les deux convertisseurs en un seul et même récepteur intégré est une option qui est actuellement à l'étude [5]. Ce convertisseur hybride PV-CSP doit nécessairement présenter un meilleur rendement que chacun des convertisseurs considérés séparément, doit conduire à une production électrique équilibrée entre les deux technologies de conversion, et enfin ne doit pas engendrer de surcoût excessif. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs défis scientifiques doivent être surmontés, qui font appel à des disciplines multiples : rayonnement, physique des cellules photovoltaïques, et thermique. Pour cette thèse, nous nous orientons vers le choix d'une centrale solaire à concentration linéaire de type cylindro-parabolique, qui présente des facteurs de concentration solaire compatibles avec des températures d'absorbeur de l'ordre de 200 °C (garantissant ainsi que la contrainte sur les performances des cellules photovoltaïques ne soit pas trop élevée [4]). L'objectif de la thèse est de répondre à deux questions scientifiques principales : - Quelle sont les distributions spatiale, spectrale et temporelle (journée typique, année typique) du rayonnement incident sur l'absorbeur ? Celle-ci définiront les conditions opératoires des cellules photovoltaïques, à concevoir dans un travail séparé. - Comment la présence de cellules solaires distribuées sur l'absorbeur modifie-t-elle le comportement thermique de ce dernier ? La réponse à cette question pourrait conduire à repenser le système de concentration afin que le convertisseur hybride fonctionne dans des conditions optimales (critères explicités précédemment) et une proposition d'amélioration pourrait être envisagée en fin de thèse.

The lack of dispatchability of photovoltaic (PV) electricity is undoubtedly a major obstacle to its massive deployment on the power grid. The hybridization of PV technology and Concentrated Solar Power (CSP) technology is a promising way to guarantee a better controllability of solar electricity, thanks to the thermal storage capacity inherent to CSP systems. This complementarity allows to produce electricity continuously by storing all or part of the solar heat, thus allowing a deferred solar electricity production, for example during the night or during cloudy periods. However, each type of converter (PV and CSP) is limited in efficiency. For example, the PV converter alone does not valorize the energy of the solar radiation absorbed by the PV cells, which is not converted into electrical energy, but into heat. The possibility of combining the two converters into a single integrated receiver is an option that is currently under investigation [5]. This hybrid PV-CSP converter must necessarily have a better efficiency than each of the converters considered separately, must lead to a balanced electrical production between the two conversion technologies, and finally must not generate excessive additional costs. To achieve these objectives, several scientific challenges must be overcome, which call upon multiple disciplines: radiation, photovoltaic cell physics, and thermal. For this thesis, we focus on the choice of a linear concentrating solar power plant of the parabolic trough type, which presents solar concentration factors compatible with absorber temperatures of the order of 200 °C (thus ensuring that the constraint on photovoltaic cell performance is not too high [4]). The objective of the thesis is to answer two main scientific questions: - What are the spatial, spectral and temporal distributions (typical day, typical year) of the radiation incident on the absorber? These will define the operating conditions of the photovoltaic cells, to be designed in a separate work. - How does the presence of solar cells distributed on the absorber modify the thermal behavior of the latter? The answer to this question could lead to rethink the concentration system so that the hybrid converter works in optimal conditions (criteria explained previously) and a proposal for improvement could be considered at the end of the thesis.