Conception mécanique et programmation d'un système de captation et de transport d'énergie solaire concentrée par fibres optiques

RÉSUMÉ: Ce mémoire présente la conception et la réalisation de la partie électromécanique d'un système de captation et de transport par fibres optiques d'énergie solaire extrêmement concentrée. Le but de la recherche est de trouver la bonne configuration mécanique du système en plus d'une stratégie de suivi solaire de précision. Tout d'abord, la conception et la fabrication d'un système simple et robuste accueillant trois collecteurs solaires paraboliques munis de câbles de fibres optiques sont réalisées. Différent critères ont été inclus dans le processus de conception, incluant des déflexions et des jeux mécaniques minimaux, une fabrication boulonnée permettant un transport compact et un assemblage rapide et finalement, un niveau d'ajustement su sant pour assurer la collimation des composants optiques. La méthode de conception assistée par ordinateur jointe à la méthode d'analyse par éléments finis ont permis de concevoir et d'évaluer le comportement de la structure avant sa fabrication. Un outil de collimation avec trois lasers a été fabriqué, calibré et utilisé pour vérifier les performances désirées du système mécano-optique développé. En ce qui concerne le suivi solaire de précision, les méthodes par boucle ouverte et fermée ont été étudiées et considérées. La première méthode peut être très précise en utilisant des algorithmes astronomiques, mais la mécanique et l'ajustement initial du système limite généralement les résultats. Par contre, la deuxième méthode en boucle fermée est très précise lors des journées sans nuage, mais perd son orientation rapidement lors des dégradations météorologiques. Un algorithme de poursuite solaire hybride se basant sur les deux méthodes a alors été développé, combinant la précision de la méthode de calcul du NREL (National Renewable Energy Laboratory) avec la rétroaction d'un capteur de position solaire permettant la correction de l'erreur. Une précision absolue sous les 0,025 a été atteinte. Finalement, différents câbles solaires ont été testés en utilisant le système développé. La dernière itération du câble a une efficacité de transmission de 47% avec 80W de puissance à la sortie et 5800x de concentration optique à l'entrée. Un four à convection thermique avec stockage dans un bain de sel solaire fondu a été testé comme application en l'alimentant par le câble solaire. Des résultats préliminaires intéressants ont été obtenus montant que la température du bassin de sel a atteint 100C, alors que l'air en circulation a atteint 60C. -- Mot(s) clé(s) en français : Énergie solaire concentrée, Guide d'ondes solaire, Fibres optiques, Poursuite solaire, Contrôle hybride, Énergie renouvelable. -- ABSTRACT: This thesis presents the design and implementation of the electromechanical part of a highly concentrated solar energy capture and transport system. The purpose of the research is to find the correct mechanical configuration of the system in addition to a precision solar tracking strategy. First, the design and manufacture of a simple and robust system hosting three parabolic solar collectors equipped with fiber optic cables are realized. Various criteria were included in the design process, such as minimal deflections and mechanical backlashes, a bolted manufacture allowing compact transport and fast assembly and finally, a level of adjustment sufficient to ensure the collimation of all optical components. The computer-assisted design method combined with the finite element analysis method made it possible to design and evaluate the behavior of the structure before its fabrication. A collimation tool with three lasers has been built, calibrated and used to verify the desired performance of the developed opto-mechanical system. In regards to precision solar tracking, open and closed loop methods have been studied and considered. The first method can be very accurate using astronomical algorithms, but the mechanics and initial adjustments of the system usually limits the results. On the other hand, the closed-loop method is very precise during cloudless days, but loses its orientation quickly during weather degradations. A hybrid solar tracking algorithm based on both methods was then developed, combining the precision of the National Renewable Energy Laboratory (NREL) calculation method with the feedback of a solar position sensor to correct the error. An absolute precision below 0,025 has been reached. Finally, different solar cables were tested using the developed system. The last iteration of the cable has a transmission efficiency of 47% with 80W of power at the output and 5800x of optical concentration at the input. A thermal convection oven with storage in a molten solar salt bath, feeded by the solar cable, was tested. Interesting preliminary results have been obtained in that the temperature of the salt tank has reached 100C, while the circulating air has reached 60C. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Concentrated solar energy, Solar wave guide, Optical fiber, Solar Tracking, Hybrid control, Renewable energy