FR2976631A1 - Production d'electricite avec une centrale solaire a moteur stirling - Google Patents

Abstract

Un procédé de production d'électricité à l'aide d'une centrale solaire qui comprend un moteur Stirling (13) fonctionnant avec une source chaude (14) et une source froide (22) et accouplé à un alternateur (18), comprend un pilotage du moteur Stirling pour le faire travailler à un point de fonctionnement choisi de sorte que le moteur Stirling soit apte à répondre à une variation prédéterminée de la puissance électrique demandée dans un temps inférieur à un seuil prédéterminé. L'invention porte aussi sur une unité de pilotage et une centrale solaire.

Description

L'invention concerne le domaine de la production d'électricité à l'aide d'une centrale solaire qui comprend un moteur Stirling fonctionnant avec une source chaude et une source froide et accouplé à un alternateur. La puissance électrique produite par la centrale est adaptée à la puissance électrique demandée à la centrale.

L'invention a pour objet plus particulièrement un procédé et une centrale solaire de production d'électricité, ainsi qu'une unité de pilotage.

L'utilisation d'un moteur de type Stirling dans la constitution d'une centrale solaire dédiée à la production d'électricité est connue. Un tel moteur renferme un gaz dans un volume hermétique et fonctionne selon un cycle thermodynamique comprenant quatre phases successives : chauffage du gaz isochore/détente isotherme/refroidissement du gaz isochore/compression isotherme. Les phases de détente et de compression produisent un travail mécanique qui dépend de la quantité de chaleur échangée par l'intermédiaire du gaz entre une source chaude du moteur et une source froide du moteur. Cette quantité de chaleur échangée par l'intermédiaire du gaz dépend elle-même notamment de la différence entre la température de la source chaude et la température de la source froide, des pertes thermiques du moteur et des échangeurs thermiques. Un alternateur est accouplé au moteur pour transformer le travail mécanique en une puissance électrique produite par la centrale.

Il est connu de prévoir une gestion permettant que la puissance électrique produite par la centrale soit adaptée à la puissance électrique demandée à la centrale. Mais le problème provient du fait que la demande électrique peut varier très fortement d'un instant à l'autre, et cette dynamique très rapide n'est a priori pas compatible avec la dynamique intrinsèquement lente, due aux inerties thermiques élevées, de la commande du moteur Stirling qui passe par une régulation de sa source chaude. Le moteur risque soit de s'emballer (risque mécanique), soit de caler (implique un redémarrage).

D'autres types de commandes d'un moteur Stirling que par le biais de la source chaude sont listées ci-dessous, mais elles sont compliquées à mettre en oeuvre, chères et peu robustes : - Régulation de la température de la source chaude (à température froide constante), mais présente l'inconvénient intrinsèque de ne pas fonctionner à la température maximale et donc de faire chuter le rendement de la machine dès que la température baisse. De plus il faut être capable de faire baisser la température ce qui est souvent impossible. - Régulation de la pression moyenne du fluide interne de travail mais nécessite un système compliqué et coûteux. - Variation du volume mort: on peut réguler la puissance à la baisse en rajoutant des volumes morts au volume de travail du moteur. Tout comme pour la régulation en température, pour optimiser le rendement du moteur, il est préjudiciable de jouer sur les volumes morts. De plus, cela nécessite une mécanique compliquée à gérer. - Variation de course du piston mais il est nécessaire d'ajouter des mécanismes compliqués et couteux. - Variation de phase angulaire entre la variation de volume de l'espace de compression et celle de l'espace détente. La puissance est maximale si l'angle de phase est égal à 90°. Mais il est nécessaire d'ajouter des mécanismes compliqués et couteux - Modulation du couple de la charge pour contrôler la vitesse et la 30 puissance du moteur Stirling. Cette méthode nécessite l'ajout d'un stockage d'énergie électrique pour faire baisser temporairement le couple résistant dû la charge électrique, en alimentant la charge via ce stockage. - Régulation via le débit du fluide caloporteur de la source chaude : les moteurs Stirling sont connus pour avoir des courbes caractéristiques (couple, débit) très plates, signifiant qu'en augmentant le débit moteur, le couple augmente peu, de même que la vitesse (à charge constante). La dynamique dans ce type de régulation est donc très lente et a priori incompatible avec l'exigence de dynamique rapide liée aux variations brusques des charges électriques.

Ainsi, il existe un besoin d'une solution permettant de produire de l'électricité à l'aide d'un moteur Stirling ne présentant pas tout ou partie des inconvénients des solutions existantes. Notamment il convient de fournir une commande du moteur Stirling qui permette de répondre sans risque à la dynamique potentiellement très rapide de la demande électrique alimentée par la centrale.

À cet effet, l'invention porte sur un procédé de production d'électricité à l'aide d'une centrale solaire qui comprend un moteur Stirling fonctionnant avec une source chaude et une source froide et accouplé à un alternateur, procédé dans lequel la puissance électrique produite par la centrale est adaptée à la puissance électrique demandée à la centrale. Le procédé comprend un pilotage du moteur Stirling pour le faire travailler à un point de fonctionnement choisi de sorte que le moteur Stirling soit apte à répondre à une variation prédéterminée de la puissance électrique demandée dans un temps inférieur à un seuil prédéterminé.

Le point de fonctionnement peut être déterminé à partir d'un calcul d'une réserve de couple nécessaire, fonction de la puissance électrique demandée, de la variation prédéterminée et du seuil prédéterminé.

Le pilotage du moteur Stirling peut comprendre un asservissement en vitesse de rotation du moteur basé sur une vitesse de consigne élaborée à partir du point de fonctionnement déterminé. L'élaboration de la vitesse de consigne peut être fonction d'une température d'un fluide caloporteur alimentant la source chaude et d'une température d'un fluide caloporteur alimentant la source froide.

10 La température du fluide caloporteur alimentant la source froide peut être estimée à partir d'une température de l'air ambiant servant au refroidissement de ce fluide caloporteur.

L'asservissement en vitesse de rotation du moteur Stirling peut 15 comprendre une régulation du débit d'un fluide caloporteur alimentant la source chaude.

Le point de fonctionnement peut correspondre à une vitesse de consigne déterminée à partir d'un abaque prenant en entrée la valeur de la 20 puissance électrique demandée à la centrale et fournissant en sortie la vitesse de consigne.

L'adaptation de la puissance électrique produite par la centrale à la puissance électrique demandée à la centrale, peut comprendre un 25 contrôle périodique ou continu de la puissance électrique produite par la centrale en fonction de la puissance électrique demandée consistant à limiter la puissance électrique produite par la centrale en cas de dépassement de la puissance électrique demandée par rapport à un profil de référence préétabli correspondant à une puissance électrique 30 demandée instantanée maximale autorisée.5 Le contrôle périodique ou continu de la puissance électrique produite par la centrale peut comprendre un délestage dans une résistance de décharge en cas de production électrique par l'alternateur supérieure à la puissance électrique demandée.

Le procédé peut comprendre un établissement du profil de référence constitué par une somme de briques élémentaires à chacune desquelles est affecté un paramètre de priorité, un départ électrique en sortie de la centrale étant associé à chacune des briques et chaque départ étant muni d'un contacteur.

L'établissement du profil de référence peut comprendre une modulation régulière en fonction d'une estimation d'une réserve d'énergie sur une période à venir et d'une prédiction de l'ensoleillement disponible sur la période à venir.

La limitation de la puissance électrique produite par la centrale en cas de dépassement de la puissance électrique demandée par rapport au profil de référence peut comprendre une gestion d'un délestage électrique par ouverture des contacteurs dans un ordre inverse des paramètres de priorité affectés aux briques jusqu'à obtenir une puissance électrique demandée qui soit inférieure au profil de référence.

D'autre part une unité de pilotage d'une centrale solaire de production d'électricité qui comprend un moteur Stirling fonctionnant avec une source chaude et une source froide et accouplé à un alternateur, peut mettre en oeuvre un procédé tel que mentionné précédemment.

L'unité de pilotage peut intégrer un système d'asservissement de la 30 vitesse de rotation du moteur Stirling, ce système intégrant un bloc d'élaboration d'une vitesse de consigne élaborée à partir du point de fonctionnement auquel travaille le moteur Stirling par le pilotage de l'unité de pilotage.

Enfin une centrale solaire de production d'électricité qui comprend un moteur Stirling fonctionnant avec une source chaude et une source froide et accouplé à un alternateur, peut comprendre une unité de pilotage telle que mentionnée ci-dessus.

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier présenté à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement une centrale solaire selon un aspect de l'invention, - la figure 2 illustre un système d'asservissement d'une unité de pilotage selon un autre aspect de l'invention, - les figures 3 et 4 représentent la courbe du couple moteur en fonction du débit du fluide caloporteur de la source chaude, respectivement dans un fonctionnement standard connu et dans un fonctionnement selon un procédé de l'invention, - la figure 5 représente la courbe des réserves de couple en fonction de la puissance du moteur, dans le cas d'un exemple d'application, - la figure 6 représente les courbes des points de fonctionnement, en fonction de la puissance du moteur, respectivement dans un fonctionnement standard connu et dans un fonctionnement selon un exemple de procédé de l'invention, - la figure 7 représente un exemple de profil de référence préétabli correspondant à une puissance électrique demandée instantanée maximale autorisée, - et la figure 8 représente une architecture électrique envisageable en sortie de la centrale solaire.

Description de modes préférentiels de l'invention

La figure 1 illustre schématiquement une centrale solaire de production d'électricité selon un mode d'exécution de l'invention.

La centrale solaire comprend un circuit hydraulique fermé 10, dans lequel circule un premier fluide caloporteur tel que de l'eau par exemple, chauffée par des capteurs solaires 11. Ce fluide caloporteur, après son chauffage, peut être stocké dans un réservoir de stockage 12 placé sur une branche du circuit parallèle à la branche portant les capteurs 11. Tout ou partie du fluide caloporteur chaud produit est orienté vers un moteur Stirling 13 pour apporter l'énergie nécessaire par un premier échangeur thermique chaud 14 du moteur 13, représentant sa source chaude. En aval de l'échangeur 14, le fluide caloporteur retourne dans le réservoir 12 ou vers les capteurs solaires 11.

Une première pompe de circulation 15 du fluide est installée sur la branche du circuit 10 comportant les capteurs solaires 11, en aval de ceux-ci. Une deuxième pompe de circulation 16 du fluide est installée sur la branche du circuit sur laquelle est placé le premier échangeur 14. Un contrôle des pompes 15, 16 permet de contrôler le débit de fluide caloporteur chaud circulant sélectivement dans les différentes branches du circuit hydraulique 10.

Par ce biais, la centrale solaire est adaptée à un fonctionnement jour et nuit, en orientant tout ou partie importante du fluide caloporteur chaud vers les capteurs solaires 11 en journée, afin d'obtenir son chauffage maximal, et en coupant la circulation du fluide (par une action sur la pompe 15) du fluide vers les capteurs solaires 11 la nuit. Le fluide caloporteur stocké dans le réservoir 12 prend le relais la nuit pour apporter l'énergie nécessaire au moteur 13.

Le moteur Stirling permet de transformer une partie du flux de chaleur apporté par le fluide caloporteur chaud, par l'intermédiaire du premier échangeur chaud 14, en un travail mécanique 17, afin d'entraîner un alternateur 18 et de produire une énergie électrique 19.

La centrale électrique comprend de plus un deuxième circuit hydraulique fermé 20 dans lequel circule un deuxième fluide caloporteur froid, tel que de l'eau, au moyen d'une troisième pompe de circulation 21. Le deuxième fluide caloporteur traverse le moteur Stirling 13 au travers d'un deuxième échangeur thermique froid 22. Le fluide caloporteur froid subit un réchauffement dans le moteur 13, pour lequel il représente la source froide, puis bénéficie d'un refroidissement au niveau d'un échangeur à air 23 évacuant de la chaleur vers l'air extérieur.

Le moteur Stirling 13 peut se présenter sous n'importe quelle forme existante et peut comprendre un module d'échange thermique qui comprend une chambre de transfert contenant un mécanisme déplaceur destiné à déplacer une quantité de gaz vers au moins un échangeur thermique chaud 14 ou vers au moins un échangeur thermique froid 22. Ces échangeurs chaud et froid sont destinés à respectivement réchauffer et refroidir la quantité de gaz. D'autre part, le mécanisme déplaceur peut comporter deux sous-ensembles mobiles et séparés l'un de l'autre par un premier échangeur thermique, des moyens de synchronisation autorisant un déplacement synchronisé et simultané en translation des deux sous-ensembles mobiles vers deux seconds échangeurs thermiques selon un axe longitudinal de déplacement, ces seconds échangeurs étant placés de part et d'autre du premier échangeur thermique, et à une température de fonctionnement distincte de celle du premier échangeur. Le moteur Stirling comprend un moyen de commande du mécanisme déplaceur, et une chambre de compression reliée à la chambre de transfert du module à échangeurs thermiques avant une ouverture d'échange, cette chambre de compression comprenant un piston de commande qui se déplace en translation sous l'effet des variations de pression générée dans la chambre de transfert. De plus, tous types de capteurs solaires peuvent être utilisés, des capteurs plans, à tube sous vide, à concentration, etc.

La centrale solaire selon l'invention comprend en outre une unité de pilotage (non représentée), qui comprend une intelligence interne, sous la forme de logiciel (software) et/ou de matériel (hardware), qui permet de gérer les différents paramètres de fonctionnement de la centrale solaire, comme les pompes, pour une régulation des différents débits des fluides caloporteurs dans les branches des circuits 10 et 20. Cette unité de pilotage envoie des signaux de commande vers les différents composants. En entrée, elle peut recevoir des données comme des mesures de température des fluides chaud et froid de respectivement les deux circuits 10, 20, en différents points de ces circuits, et des mesures électriques telles que courant et tension au niveau des charges électriques, à partir de différents capteurs. L'unité de pilotage est configurée de sorte à accomplir un procédé de production d'électricité selon un autre aspect de l'invention, qui sera décrit ci-dessous.

En aval de l'alternateur 18, la centrale électrique peut être pourvue d'une architecture électrique spécifique représentée sur la figure 8, pour réguler l'énergie électrique 19, les différents contacteurs KB1 à KB6 étant également pilotés par l'unité de pilotage, laquelle peut également comprendre un système d'asservissement illustré sur la figure 2.

Le procédé de production d'électricité, à l'aide de la centrale solaire qui comprend le moteur Stirling 13 fonctionnant avec la source chaude 14 et la source froide 22 et accouplé à l'alternateur 18, prévoit que la puissance électrique Pmotref produite par la centrale, dépendant de la puissance moteur, est adaptée à la puissance électrique demandée à la centrale. Le concept de l'invention repose sur le fait que ce procédé, contrôlé par l'unité de pilotage, comprend un pilotage du moteur Stirling 13 pour le faire travailler à un point de fonctionnement choisi de sorte que le moteur Stirling 13 soit apte à répondre à une variation prédéterminée Paugmmax de la puissance électrique demandée Pmotref dans un temps inférieur à un seuil prédéterminé tmax. Plus précisément, le point de fonctionnement, qui correspond à un couple de données (vitesse de rotation du moteur 13 ; puissance mécanique délivrée par le moteur 13), est déterminé ou calculé de sorte à ce que le moteur 13 présente une dynamique de réponse en puissance mécanique (capacité à varier de vitesse de rotation dans un temps donné, grâce à une réserve suffisante de couple mécanique) suffisante pour répondre à la variation Paugmmax dans un temps inférieur au seuil tmax. Comme l'illustre la figure 6 pour un exemple particulier fonction d'un choix possible de Paugmmax et de tmax, il est possible de déterminer l'ensemble des points de fonctionnement du moteur 13 sur une plage de puissance donnée, par exemple comprise entre 2 et 10kW.

Pour une puissance électrique demandée Pmotref donnée, le point de fonctionnement est déterminé à partir d'un calcul d'une réserve de couple Craserv nécessaire, fonction de la puissance électrique demandée Pmotref, de la variation prédéterminée Paugmmax et du seuil prédéterminé tmax.

Le pilotage du moteur Stirling 13 au point de fonctionnement ainsi déterminé comprend un asservissement en vitesse de rotation du moteur 13 basé sur une vitesse de consigne Vrefmot élaborée à partir de ce point de fonctionnement. L'asservissement, qui comprend une régulation par les pompes 16, 21 des débits du fluide caloporteur chaud alimentant la source chaude 14 et du fluide caloporteur froid alimentant la source froide 22, est réalisé par le système d'asservissement de la figure 2, qui comprend à cet effet un bloc d'élaboration 24 qui détermine Vrefmot à partir de la puissance électrique demandée Pmotref, elle-même pouvant être déduite des intensité et tension électriques Icare et Ucharge liées à la charge électrique 25 alimentée par la centrale.

L'élaboration de la vitesse de consigne Vrefmot est fonction d'une température T'mc du fluide caloporteur chaud alimentant la source chaude 14 et d'une température du fluide caloporteur alimentant la source froide 22, elle-même pouvant être estimée à partir d'une température Tamb de l'air ambiant servant au refroidissement de ce fluide caloporteur.

Le point de fonctionnement vers lequel l'unité de pilotage place le moteur 13, fonction de la puissance Pmotref et donc de la puissance mécanique que le moteur 13 doit fournir, correspond à la vitesse de consigne Vrefmot à cette puissance. La vitesse de consigne Vrefmot peut notamment être déterminée à partir d'un abaque prenant en entrée la valeur de la puissance électrique demandée Pmotref à la centrale et fournissant en sortie la vitesse de consigne Vrefmot- Un exemple d'un tel abaque est représenté par la courbe Cl sur la figure 6, les points de fonctionnement de cet abaque établi pour une plage de puissance entre 2 et 10kW étant déterminés pour une variation Paugmmax.de 3kW par exemple, pour un seuil de temps tmax de 60 secondes par exemple.

Le système d'asservissement qui intègre le bloc d'élaboration 24 de la vitesse de consigne Vrefmot à partir du point de fonctionnement auquel travaille le moteur Stirling 13 par le pilotage de l'unité de pilotage, comprend d'autre part une boucle de régulation du couple mécanique 26 et une boucle de régulation du débit de circulation du fluide caloporteur chaud 27, afin de réguler effectivement le moteur 13 sur le point de fonctionnement déterminé, à travers le bloc de commande en couple 28 de la boucle 26 et le bloc de commande en débit 29 de la boucle 27, laquelle incorpore un bloc de modèle moteur 30. Enfin, une troisième boucle 31 relie la sortie d'un bloc de modèle alternateur/onduleur 32 à l'entrée d'un bloc de modèle mécanique du moteur 33.

En résumé, il est d'abord calculé la puissance moteur nécessaire en fonction de la puissance demandée à la machine électrique : /I _ f charge p ot,f Puis partant d'un cahier des charges donné définissant une augmentation de puissance donnée Paugmmax en un temps donné tmax, on calcule, pour toute la plage de puissance de la centrale sur laquelle on souhaite pouvoir fonctionner, la réserve de couple nécessaire. \Uondul (Creserv) = f / Connaissant la température chaude T'mc et la température ambiante Tamb et la réserve de couple nécessaire, on calcule alors le point de fonctionnement sur lequel on souhaite faire travailler le moteur, c'est-à- dire, pour une puissance donnée, la vitesse de référence à laquelle on souhaite faire fonctionner le moteur : /pmotref (V mot, ) / Tm' c Tamb C reserv30 Ensuite il s'agit de réguler effectivement le moteur sur le point de fonctionnement défini, à travers les blocs 28 et 29 : - Une première loi de commande (bloc 28) calcule un couple moteur cible Crefmot pour s'asservir autour de la vitesse cible par la boucle 26 (fonction de l'erreur de suivi de vitesse et prenant en compte l'inertie mécanique). - On cherche ensuite à asservir le couple moteur à ce couple cible par la boucle 27. Pour cela une deuxième loi de commande (bloc 29) calcule un débit chaud cible (fonction de l'erreur de suivi de consigne en couple et d'un modèle prenant en compte l'inertie thermique). Des formules de transfert possibles relatives aux blocs 28 à 30 et 32 et 33 sont : - pour le bloc 30: 1 , avec trc temps de réponse du moteur 1+trc.p Stirling (typiquement 25s) pmfd.V " 1 -1~ "mot - pour le bloc 33:x =- J x+ J J C d +Cload, y=x - pour le bloc 32: E2 =V2+(I.Xd)2+2.V.I.Xd.sinÇ et Cload = - les contrôleurs 28 et 29 peuvent être des fonctions de transfert de type PID, correcteurs classiques fréquemment utilisés dans ce 25 type de commande. Avec les notations suivantes : VI w.17a1t C Couple moteur (N.m) mot C load Couple charge (N.m) C Couple de friction visqueux moteur (N.m) fr_v Cf, d Couple de friction sec moteur (N.m) C = C + C Couple de friction moteur (N.m) fr fr_v frd pmfd Pression principale de friction dynamique (Bar.mi-1 ) pmfs Pression principale de friction statique (Bar) V Volume d'espace de compression et d'espace de dilatation (m3) J Moment d'inertie (kg.m2) CO Vitesse de rotation moteur (rad.s-') lait Rendement aletrnateur (%) V Tension de sortie alternateur (V) j Courant de sortie alternateur (V) ~Q Angle de phase entre courant et tension (°) X Reactance alternateur (S2) d E Force électromotrice (V) N Mesure bruit (rad.s-') mes Un exemple particulier non limitatif de procédé ci-dessus est présenté en référence aux figures 3 à 6. Cet exemple particulier correspond à un choix de Paugmmax de 3kW et de tmax de 60s, ces valeurs restant évidemment variables en fonction des besoins.

En prenant comme hypothèse que le moteur Stirling 13 fournit une puissance de 4kW, et que l'on souhaite pouvoir répondre à une augmentation Paugmmax de 3kW en un temps max tmax de 60s. Dans un fonctionnement standard recherchant les points de fonctionnement de rendement maximal du moteur, le point de fonctionnement P1 stationnaire (calculé pour optimiser le rendement) du moteur 13 et sa dynamique de couple (courbe C2) en fonction du débit de fluide caloporteur chaud associée seraient tels que représentés sur la figure 3.

Afin de fournir les 4kW, le point P1 stationnaire correspond également à une vitesse du moteur de 16.5rad/s.

Dans le cahier des charges, il s'agit donc de rejoindre le nouveau point de fonctionnement à 7kW en 60s, ce point étant calculable de manière classique comme caractérisé par un couple de 229Nm et une vitesse de 30.6rad/s s'il est toujours recherché d'optimiser le rendement du moteur.

Une simulation parallèle (qui ne prend pas en compte la limitation du couple moteur) montre que pour varier une puissance de 4 à 7kW en 60s il est nécessaire de disposer d'une réserve de couple de 50Nm. Ainsi le point de fonctionnement P1 standard, qui ne donne une réserve de couple que de 10Nm environ, ne permet pas de répondre au cahier des charges concernant Paugmmax et tmax.

Le procédé précédemment décrit permet de faire fonctionner le moteur 13 sur un point de fonctionnement bien spécifique, non optimal vis-à-vis de son rendement mais permettant de garantir la réserve de couple nécessaire de 50Nm pour répondre à l'exemple de cahier des charges.

Dans l'exemple ici considéré, le nouveau point de fonctionnement P2 stationnaire et sa dynamique de couple (courbe C3) associée sont tels que représentés sur la figure 4. Le nouveau point de fonctionnement P2 fournit également 4 kW, mais avec un couple de 173Nm et une vitesse de rotation de 23.1 rad/s. Ce point de fonctionnement P2 présente l'avantage d'être compatible avec la réserve de couple de 50Nm, plus éventuellement une marge de sécurité, en dépit d'une baisse du rendement de 20.8% à 18%.

La figure 5 illustre, pour cet exemple de cahier des charges au sujet de Paugmmax et tmax, sur une plage de puissance attendue de fonctionnement du moteur entre 2-10kW, les réserves de couple nécessaires : - courbe C4 : correspondant à un rendement optimal du moteur, - courbe C5 : correspondant au besoin pour être capable d'augmenter de 3kW en 60s, - courbe C6 effective avec les nouveaux points de fonctionnement calculés sur toute la plage de puissance.

Comme déjà évoqué ci-dessus, la figure 6 quant à elle illustre un abaque (courbe Cl) avec les nouveaux points de fonctionnement avec en abscisse (entrée de l'abaque) la puissance désirée et en ordonnée (sortie de l'abaque) la vitesse de référence Vrefmot. Chacun de ces points de fonctionnement permet de répondre au cahier des charges, au contraire de ceux standards (calculés classiquement pour optimiser le rendement du moteur) illustrés par la courbe C7 sur la figure 6.

Dans un mode de réalisation avantageux, l'adaptation de la puissance électrique produite par la centrale à la puissance électrique demandée à la centrale, comprend un contrôle périodique ou continu de la puissance électrique produite par la centrale en fonction de la puissance électrique demandée consistant à limiter la puissance électrique produite par la centrale en cas de dépassement de la puissance électrique demandée par rapport à un profil de référence préétabli correspondant à une puissance électrique demandée instantanée maximale autorisée. Cette gestion de l'énergie en fonction du profil de la demande peut bien entendu être réalisée avec d'autres modes de production que celui objet de l'invention.

Ainsi, un profil de référence (dont un exemple est illustré sur la figure 7) est établi en étant constitué par une somme de briques élémentaires B1 à B7. À chacune des briques B1 à B6 est affecté un paramètre de priorité. Puis comme l'illustre l'architecture électrique de la figure 8, un départ électrique en sortie de l'onduleur/alternateur 18 est associé à chacune des briques B1 à B6 et chaque départ est muni d'un contacteur, respectivement KB1 à KB6 pilotés par un gestionnaire d'énergie 34 lui-même pouvant être commandé par l'unité de pilotage.

La centrale solaire étant notamment destinée à une électrification rurale, donc typiquement à un village isolé, il s'agit dans un premier temps de recenser les différents besoins électriques élémentaires et de les classer par ordre de priorité. À titre d'exemple, le profil de la figure 7 est basé sur les différents besoins recensés pour un tel village avec des niveaux de priorité différents associés à chacune des briques élémentaires. Très haute priorité : alimentation des auxiliaires (pompes, capteurs) nécessaires au fonctionnement de la centrale, - Haute priorité : alimentation d'un dispensaire par exemple, - Moyenne priorité : alimentation d'une activité économique (commerce, moulin, atelier de couture, atelier de mécanique, chargeur de batterie, station de base pour téléphone mobile...), - Basse priorité : alimentation des domiciles pour la lumière et/ou la télévision par exemple.

Il peut ainsi être établi un profil journalier du type de la figure 7 avec des briques de priorité décroissante (B1 : Haute priorité ; B6 : Basse priorité). 25 Il s'agit alors d'associer à ces besoins une architecture électrique (exemple de la figure 8) permettant de pouvoir gérer un délestage fin de ces charges. Un contacteur KB1 à KB6 est associé à chacune des briques B1 à B6. Il est alors possible d'associer à ces contacteurs KB1 à 30 KB6 un disjoncteur dédié ou centralisé pour garantir la sécurité. Cette architecture doit également pouvoir permettre de gérer l'alimentation d'une résistance de décharge 35 permettant d'ajuster la consommation à la production.

La limitation de la puissance électrique produite par la centrale en cas de dépassement de la puissance électrique demandée par rapport au profil de référence comprend une gestion d'un délestage électrique par ouverture des contacteurs KB1 à KB6 dans un ordre inverse des paramètres de priorité affectés aux briques B1 à B6 jusqu'à obtenir une puissance électrique demandée qui soit inférieure au profil de référence de la figure 7.

Le contrôle périodique ou continu, par un gestionnaire de la résistance de décharge 37 lui-même pouvant être commandé par l'unité de pilotage, de la puissance électrique produite par la centrale peut comprendre un délestage dans la résistance de décharge 35 en cas de production électrique par l'alternateur 18 supérieure à la puissance électrique demandée. Un capteur de courant 36 est prévu entre l'alternateur 18 et les contacteurs KB1 à KB6.

Le profil de référence étant compatible avec la dynamique intrinsèquement lente du moteur 13, la stratégie de pilotage consiste à faire suivre ce profil de référence au moteur.

Ce profil correspondant à la consommation maximale autorisée, il doit nécessairement être supérieur au véritable besoin de puissance électrique. Pour garantir de ne pas dépasser ce profil, on ajuste au niveau de chaque départ électrique une puissance maximale autorisée et on isole ce départ dès qu'il dépasse cette puissance maximale grâce aux contacteurs KB1 à KB6. Enfin pour garantir que la puissance électrique fournie ne sera pas supérieure à celle consommée, on déleste en temps réel l'énergie électrique non utile sur la résistance de décharge 35.

Enfin l'établissement du profil de référence comprend une modulation régulière en fonction d'une estimation d'une réserve d'énergie sur une période à venir et d'une prédiction de l'ensoleillement disponible sur la période à venir. Pour pallier les variations d'ensoleillement, il s'agit de moduler le profil de référence de puissance. Cette modulation est mise à jour de manière régulière en fonction d'une estimation d'énergie disponible dans la réserve thermique 12, d'une prédiction de l'ensoleillement sur les capteurs 11, et également en fonction des priorités d'utilisation de l'énergie électrique pour les briques B1 à B6. Cette stratégie se base sur une estimation sur la journée et la nuit à venir de l'exergie de la réserve d'énergie disponible. Afin de garantir que l'exergie disponible est toujours positive, on va délester au mieux certains départs électriques (chaque départ correspondant à une brique élémentaire B1 à B6 correspondant à un besoin unitaire électrique).

L'algorithme de gestion de l'énergie suivant est alors exécuté de manière périodique : - Prédiction de l'ensoleillement entre l'instant t et 8h (par exemple) le lendemain. Cette prédiction peut se baser sur un profil type d'ensoleillement annuel, saisonnier, ou même être liée à une prédiction météorologique. - Estimation de l'énergie disponible à l'instant t au sein de la réserve thermique (énergie disponible pour être transformée en énergie mécanique puis électrique). Ceci peut être fait à partir d'une estimation de la température moyenne de la réserve (basée elle-même sur une ou plusieurs mesures) - Calcul du profil de consommation demandée (addition des briques élémentaires B1 à B6 de besoin) - Calcul du profil d'énergie de la réserve entre l'instant t et 8h00 du jour suivant.

L'estimation de l'énergie est basée sur la connaissance d'un profil de puissance collectée au cours d'une journée « type ». Ce profil peut être adapté à la saison. Pour tous les instants t,, de t à 8h : EReserve (ti) EReserve (t) + Estockée (ti) - EDestockée (ti Ou : EStockée (ti) = ( Col 'I Stockage X At) t-ti 1 (PElec X At) _ t-ti EDéstockée (ti 'IMot X'IMecaElec 10 Avec : EReserve = Energie relative de la réserve (posée nulle en dessous d'un seuil d'exploitation) Estockée : énergie accumulée dans le stock de l'instant t à l'instant tf EDestockée : énergie déstockée de l'instant t à l'instant tf

15 Pco, : Profil « type » de puissance collectée Pe1ec : Profil de puissance électrique à fournir nstockage = rendement de stockage moyen

fMot = rendement moyen du moteur nMéca -> Bec = Rendement de conversion Electromécanique moyen.

20 At = pas d'échantillonnage L'algorithme comprend en outre les étapes suivantes : Gestion du délestage : Si la courbe du profil d'énergie de la réserve est toujours 25 supérieure à un seuil prédéfini, alors le profil de référence est considéré comme réalisable et aucun délestage (supplémentaire) n'est effectué,5 - Si la courbe devient inférieure au seuil, alors on déleste la moins prioritaire agissant sur ce passage à exergie négative : - On considère l'instant tneg correspondant au passage de l'exergie à un niveau négatif, On considère alors l'ensemble des briques élémentaires B1 à B6 (non déjà délestées) dont le début d'activité se situe entre l'instant t actuel et l'instant tneg, ^ On choisit de délester la brique élémentaire la moins prioritaire parmi cet ensemble de briques, - On reprend ces étapes si nécessaire jusqu'à l'obtention d'un profil à énergie supérieure au seuil critique sur toute la durée considérée (entre t et 8h00 le lendemain). - Pilotage des contacteurs KB1 à KB6 conformément aux choix de délestage effectués dans l'étape précédente Une gestion particulière est appliquée pour la brique B1 la plus prioritaire (alimentation des pompes de la centrale, etc.) : celle-ci n'est délestée, que si la température moyenne de la réserve 12 est inférieure à un seuil ; le seuil d'énergie critique est aussi abaissé, afin de retarder un éventuel arrêt de la centrale.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'électricité à l'aide d'une centrale solaire qui comprend un moteur Stirling (13) fonctionnant avec une source chaude (14) et une source froide (22) et accouplé à un alternateur (18), procédé dans lequel la puissance électrique produite par la centrale est adaptée à la puissance électrique demandée (Pmotref) à la centrale, caractérisé en ce qu'il comprend un pilotage du moteur Stirling pour le faire travailler à un point de fonctionnement (P2) choisi de sorte que le moteur Stirling soit apte à répondre à une variation prédéterminée (Paugmmax) de la puissance électrique demandée dans un temps inférieur à un seuil prédéterminé (tmax).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point de fonctionnement est déterminé à partir d'un calcul d'une réserve de couple (Creserv) nécessaire, fonction de la puissance électrique demandée, de la variation prédéterminée et du seuil prédéterminé.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pilotage du moteur Stirling comprend un asservissement en vitesse de rotation du moteur basé sur une vitesse de consigne (Vrefmot) élaborée à partir du point de fonctionnement déterminé.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élaboration de la vitesse de consigne est fonction d'une température (T'mc) d'un fluide caloporteur alimentant la source chaude et d'une température d'un fluide caloporteur alimentant la source froide.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température du fluide caloporteur alimentant la source froide est estiméeà partir d'une température (Tamb) de l'air ambiant servant au refroidissement de ce fluide caloporteur.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'asservissement en vitesse de rotation du moteur Stirling comprend une régulation du débit d'un fluide caloporteur alimentant la source chaude.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le point de fonctionnement correspond à une vitesse de consigne déterminée à partir d'un abaque (Cl) prenant en entrée la valeur de la puissance électrique demandée à la centrale et fournissant en sortie la vitesse de consigne.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'adaptation de la puissance électrique produite par la centrale à la puissance électrique demandée à la centrale, comprend un contrôle périodique ou continu de la puissance électrique produite par la centrale en fonction de la puissance électrique demandée consistant à limiter la puissance électrique produite par la centrale en cas de dépassement de la puissance électrique demandée par rapport à un profil de référence préétabli correspondant à une puissance électrique demandée instantanée maximale autorisée.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le contrôle périodique ou continu de la puissance électrique produite par la centrale comprend un délestage dans une résistance de décharge (35) en cas de production électrique par l'alternateur supérieure à la puissance électrique demandée.
10. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend un établissement du profil de référence constitué par une somme de briques élémentaires (B1 à B6) à chacune desquelles est affecté un paramètre de priorité, un départ électrique en sortie de la centrale étant associé à chacune des briques et chaque départ étant muni d'un contacteur (KB1 à KB6).
11. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'établissement du profil de référence comprend une modulation régulière en fonction d'une estimation d'une réserve d'énergie sur une période à venir et d'une prédiction de l'ensoleillement disponible sur la période à venir.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la limitation de la puissance électrique produite par la centrale en cas de dépassement de la puissance électrique demandée par rapport au profil de référence comprend une gestion d'un délestage électrique par ouverture des contacteurs dans un ordre inverse des paramètres de priorité affectés aux briques jusqu'à obtenir une puissance électrique demandée qui soit inférieure au profil de référence.
13. 13. Unité de pilotage d'une centrale solaire de production d'électricité qui comprend un moteur Stirling (13) fonctionnant avec une source chaude (14) et une source froide (22) et accouplé à un alternateur (18), caractérisée en ce que l'unité de pilotage met en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 12.
14. 14. Unité de pilotage selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle intègre un système d'asservissement de la vitesse de rotation du moteur Stirling, ce système intégrant un bloc d'élaboration (24) d'unevitesse de consigne (Vretmot) élaborée à partir du point de fonctionnement auquel travaille le moteur Stirling par le pilotage de l'unité de pilotage.
15. 15. Centrale solaire de production d'électricité qui comprend un moteur Stirling fonctionnant avec une source chaude et une source froide et accouplé à un alternateur, caractérisée en ce qu'elle comprend une unité de pilotage selon l'une des revendications 13 et 14.