Les Centrales Solaires Thermodynamiques à génération directe de vapeur utilisent la concentration optique du rayonnement solaire direct pour produire de la vapeur d'eau à haute pression et haute température. La vapeur d'eau est ensuite utilisée directement comme fluide de travail d'un cycle thermodynamique type Rankine, pour la propulsion d'un couple turbine-génératrice et assurer ainsi une production électrique. La conjonction de la variabilité naturelle de l'ensoleillement, qu'elle soit lente et déterministe (cycle jour/nuit, cycle saisonnier, dégradation des performances optiques), ou rapide et non déterministe (passages nuageux), et de la présence d'un écoulement diphasique eau/vapeur dans les tubes horizontaux, provoque un comportement fortement dynamique du système de génération de vapeur. Par ailleurs, les turbines à vapeur étant très sensibles aux fluctuations de la température d'admission de vapeur, il convient donc de réguler le plus efficacement possible la production de vapeur. Les temps de séjour de fluide dans les champs solaires linéaires pouvant être relativement longs, les stratégies de contrôle conventionnelles se révèlent moins adaptées et peu efficaces. L'objectif de ce travail est d'étudier, par la réalisation de modèles et de leur utilisation en simulation, le fonctionnement dynamique du système de génération de vapeur. Des modèles dynamiques de centrales linéaires de Fresnel et cylindro-parabolique sont réalisés, et des données expérimentales issues d'un prototype cylindro-parabolique sont utilisées pour la validation. Les modèles permettent ensuite l'étude de stratégies de régulation, permettant un contrôle de la vapeur sortant du champ solaire soumis à des transitoires. L'étude de l'utilisation de méthodes de prédiction de l'ensoleillement direct à court terme est abordée à la fin de ce travail, afin d'évaluer la possibilité d'intégrer ces méthodes dans les stratégies de régulation. / Direct steam generation concentrated solar power plants use the optical concentration of solar direct irradiation to generate high pressure and high temperature steam in the absorber tubes. Steam is used as the working fluid of a Rankine-type thermodynamic cycle for the propelling of a steam turbine and an electric generator. The conjunction of the natural transient condition of solar irradiation and the presence of a two-phase flow inside the absorber tubes leads to a strong dynamic behavior of the steam generation system. Moreover, steam turbines being very sensitive to inlet temperature transients, the control of steam generation has to be achieved with the best possible efficiency. Because of the large time constants of the flow in the solar field (among other reasons), basic control strategies are poorly efficient and not well suited. The aim of this thesis work is the study, through modeling and simulation, of the dynamic behavior of the steam generation system. Dynamic modeling of linear Fresnel and parabolic-trough solar plants is carried out, and experimental data from a parabolic-trough prototype are used for validation. The models are used for the study of advanced control strategies, for a better control of steam conditions at the solar field outlet, under irradiation transients. Short-term irradiation prediction methods are evaluated for a use in the control strategies.

Ces travaux consistent en l’étude expérimentale et numérique des performances énergétiques d’un prototype de micro-cogénération solaire. L’installation, située sur le campus de l’Université de la Rochelle, fonctionne grâce au couplage d’un champ de capteur solaire cylindro-parabolique de 46,5 m² avec un moteur à vapeur à piston non lubrifié fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Hirn. Le système de suivi solaire s’effectue selon deux axes et l’eau est directement évaporée au sein de l’absorbeur des capteurs cylindro-paraboliques. La génération d’électricité est assurée par une génératrice et la récupération des chaleurs fatales doit permettre d’assurer les besoins en chauffage et eau chaude sanitaire d’un bâtiment. La première partie de ces travaux présente les essais réalisés. L’objectif est de réaliser des essais complémentaires pour caractériser le concentrateur solaire, d’étudier les conditions de surchauffe de la vapeur, ainsi que le fonctionnement de l’installation complète en hiver. Ce travail a permis le développement de modèles pour le capteur cylindro-paraboliques, les essais en régime surchauffé ont montré la nécessité d’un appoint pour le fonctionnement d’une telle installation tandis que les essais avec moteur présentent des productions compatibles avec les consommations en électricité et chaleur d’un bâtiment résidentiel. La seconde partie concerne la modélisation des éléments constituant le micro-cogénérateur ainsi que l’intégration de cette installation au bâtiment à l’aide d’un logiciel de simulation thermique dynamique (TRNSYS©). Cette étude propose deux options d’intégration selon le positionnement de l’appoint de chaleur. Pour les deux configurations, des bilans hebdomadaires et annuels sont présentés permettant de discuter les avantages/inconvénients de chaque disposition. Il apparaît que le positionnement de l’appoint sur le circuit primaire permet de piloter la production électrique. L’ajout de l’appoint sur la distribution semble plus facilement réalisable mais empêche le contrôle de la production électrique. / This work consists of the experimental and numerical study of the energy performance of a prototype of solar micro-cogeneration. The facility, located on the campus of the University of La Rochelle, operates by coupling a 46.5 m² parabolic trough solar collector field with an oil-free piston steam engine operating according to the Hirn thermodynamic cycle. The solar tracking system is carried out in two axes and the water is evaporated directly into the absorber of the parabolic trough collectors. Electricity generation is provided by a generator and the recovery of fatal heat must make it possible to meet the heating and domestic hot water needs of a building. The first part of this work presents the tests performed. The objective is to carry out additional tests to characterize the solar concentrator, to study the conditions of steam overheating, as well as the operation of the complete installation in winter. This work has allowed the development of models for the parabolic trough sensor, the tests in overheated mode have shown the need for an extra charge for the operation of such an installation while the tests with motor present productions compatible with the electricity and heat consumption of a residential building. The second part concerns the modelling of the elements constituting the micro-cogenerator as well as the integration of this installation into the building using dynamic thermal simulation software (TRNSYS©). This study proposes two integration options depending on the positioning of the auxiliary heater. For both configurations, weekly and annual reviews are presented to discuss the advantages/disadvantages of each provision. It appears that the positioning of the auxiliary on the primary circuit makes it possible to control the electrical production. The addition of back-up boiler on the distribution seems more easily achievable but prevents the control of power generation.

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les performances énergétiques d'une installation de micro-cogénération solaire. Le prototype réalisé est constitué d'un concentrateur cylindro-parabolique associé à un moteur à vapeur fonctionnant suivant un cycle de Hirn (Rankine avec surchauffe). Les originalités de ce projet sont l’utilisation de l’énergie solaire, renouvelable et inépuisable mais intermittente, la génération directe de vapeur au sein d'un concentrateur de taille réduite (46,5 m²), le système de suivi solaire sur deux axes et le couplage à un moteur à piston non lubrifié. La première partie de l'étude porte sur le concentrateur seul. Son fonctionnement est étudié sur deux journées types (ensoleillée et nuageuse) et son rendement thermique est évalué. La dynamique du système est également abordée notamment par l'étude de sa réponse à des perturbations. Une régulation de type boucle ouverte a été mise en place et validée. La seconde partie concerne la caractérisation du moteur seul. Des essais ont été menés avec une puissance de source chaude stable puis variable. À partir des résultats obtenus, un modèle empirique est développé, puis exploité dans le cadre d'une étude paramétrique du moteur. Cette étude montre l'influence importante du ratio de pression et de la vitesse de rotation sur le rendement. Dans la dernière partie, les performances globales (rendement, puissances électrique et thermique produites) du micro-cogénérateur sont évaluées. Des essais à pression et à vitesse régulées sont présentés. A partir de cartographies de fonctionnement réalisées à l’aide d’un modèle empirique, une régulation basée sur l'utilisation d'un by-pass est alors mise en place, puis testée. / The objective of this thesis is the experimental study of the energy performances of a micro combined solar heat and power (micro-CHP) unit. The prototype is composed of a solar parabolic trough collector coupled to a Hirn (superheated Rankine) cycle engine. The originalities of this project are the use of solar energy which is renewable and inexhaustible but intermittent, the direct steam generation with a reduced size parabolic trough collector (46.5 m²), the two axis tracking system and the coupling with an oil-free reciprocating steam engine. The first part of this study is focussed on the solar collector. Thermal performances under sunny and cloudy conditions are presented and the thermal efficiency is evaluated. The system dynamic is also investigated through the characterization of the inertia as well as a study of its response to perturbations. Then a control strategy is set up and validated. The second part deals with the characterization of the engine. Tests have been performed with a stable and variable heat source power. From these tests, an empirical model has been developed and used in a parametrical study. This study shows the significant influence of the pressure ratio and of the rotational speed on the efficiency of the engine. In the last part, global performances (efficiency, output thermal and electrical powers) of the entire micro-CHP unit are evaluated. Tests with controlled pressure and speed are presented. From operating maps established from an empirical model, a control strategy based on the use of a by-pass is set up and tested.