Thermal modelling of floating photovoltaic power plants
Modélisation et optimisation du productible de centrales photovoltaïques flottantes.
Résumé
In 2022, more than one Terawatt of photovoltaic modules has been installed throughout the world. This important achievement for the industry also signals the emergence of land-use issues due to the diffuse nature of the solar resource. Therefore, colocating energy production with other services is gaining momentum. This leads photovoltaics to go offshore, where human activity is less important. Therefore, new scientific questions have emerged due to unusual environmental constraints. Among the list, passive cooling of photovoltaics and evaporative rates for covered waterbodies are two elements discussed in this work. The cooling effect concept describes the temperature drops observed in floating compared to land-based installations. This feature is important when designing floating plant as it is translated into a better energy yield. However, the reason of this efficient temperature is unknown; thermal characterisations are necessary so that the cooling gains can be understood and potentially controlled. The work aims to define the leading thermal phenomena in the application. New thermal correlations are proposed to describe the thermal dynamics of two floating experiments. An advanced measurement methodology is implemented on a land-based prototype so that the convective heat rates are obtained with a better accuracy. The similar method is integrated in a floating setup. Then, the research places emphasis on convective transfers and macroscopic airflow at the array scale. A new modelling framework supported by a bi-periodic simulation is created. It is based on the computational fluid dynamics solver code_saturne. The calculation of the airflow is validated using a high-fidelity simulation and compared to wind tunnel results. The framework allows relaxing the solar array design so that airflow properties are evaluated with regard to geometrical dimensions (spacing, tilt, height). Convective and evaporative rates are calculated with regard to these dimensions. Comparison between floating and land-based configurations is performed and some conclusions are drawn on the potential cooling effect from wind action configuration. In a last stage, the microclimate around floating solar is deduced by homogenising the physical quantity of interests in the bi-periodic simulation. To do so, an atmosphericist point of view is adopted. The floating array is assimilated to an effective roughness with scalar properties evolving with regard to wind direction and flow motion. Both flow and scalar fields are then resolved over a patchwork of rough surfaces related to real land-use for an industrial case study; the key advance is to keep the computational effort affordable for the scale under investigation. A new wall function for evaporative rate is created. Moreover, the module temperatures at the array-scale are obtained; a first analysis of the magnitude of temperature heterogeneity is performed so that it can illustrate how much the energy yield is uncertain due to macroscopic airflows.
En 2022, plus d'un TeraWatt de module photovoltaïque (PV) a été installé à travers le monde. Ce fait d'arme, majeur pour la filière, va de pair avec une tension croissante sur l'utilisation des sols. Capter la ressource solaire, diffuse, est gourmand en espace. Ainsi une traction puissante du marché vise à colocaliser les usages et à installer ces moyens de production dans des endroits non-occupés, c'est le cas des installations photovoltaïques flottantes (FPV) sur lac et réservoirs. Les présents travaux abordent deux problématiques qui naissent dans ces applications: le refroidissement passif des modules ainsi que la réduction de l'évaporation des bassins liée à leurs couvertures. Le concept de cooling effect est utilisé pour décrire la chute en température constatée dans ces applications par rapport à des installations terrestres. Ce paramètre est clef pour le producteur photovoltaïque qui voit le productible électrique amélioré. Une première étude de la littérature montre que la description du phénomène n'est cependant pas trivial. Des caractérisations thermiques plus approfondies sont nécessaires pour espérer maitriser ce refroidissement. Dans un premier temps, ces travaux s'attachent à définir la phénoménologie thermique qui anime ces installations. Des corrélations empiriques sont crées à partir de l'analyse des conditions d'opérations de système FPV développées dans le contexte de la thèse. Une nouvelle méthodologie de mesure, qui vise à déterminer le paramètre convectif avec une meilleure efficacité, est mise en oeuvre. D'abord validée sur une centrale au sol, elle est ensuite appliquée sur un système FPV. Afin de vaincre les limitations intrinsèques de la méthodologie convective empirique, des simulations de mécanique des fluides sont mobilisées. Un modèle de simulation bi-périodique est mis en oeuvre sur le code de calcul code_saturne, et l'écoulement macroscopique de l'air dans les centrales PV est modélisé. Différentes configurations de centrales sont analysées afin de comprendre l'impact des propriétés géométriques sur les corrélations convection thermique et sur l'évaporation (espacement inter-modules, angulation et hauteur des modules). Cela se traduit par une analyse morphométrique des centrales qui permet de mettre en lumière les différence d'écoulement entre les centrales au sol et les solutions FPV. Une dernière étape se base sur le référentiel atmosphérique et est dédiée à l'homogénisation des caractéristiques microscopiques des centrales afin d'en déduire les principaux effets sur l'écoulement macroscopique. Le modèle bi-périodique est appliqué sur une géométrie de centrale FPV industrielle. Cela se traduit par la détermination de caractéristique dynamique, thermique et évaporative, implémentée directement dans code_saturne. Dans un contexte industriel, cette stratégie permet d'étudier les propriétés de refroidissement des modules à l'échelle de la centrale, tout en réduisant drastiquement le coût de calcul nécessaire. Un taux de réduction d'évaporation est également calculée sur cette même base.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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