Concentrateurs solaires
Fondamentalement, les concentrateurs solaires sont très différents des convertisseurs photovoltaïques… De plus, les centrales solaires de type thermique sont beaucoup plus efficaces que le photovoltaïque en raison d'un certain nombre de caractéristiques.
La tâche du concentrateur solaire est de concentrer les rayons du soleil sur un récipient de liquide de refroidissement, qui peut être par exemple de l'huile ou de l'eau, qui absorbent bien l'énergie solaire. Les méthodes de concentration sont différentes : concentrateurs cylindriques paraboliques, miroirs paraboliques ou tours héliocentriques.
Dans certains concentrateurs, le rayonnement solaire est focalisé le long de la ligne focale, dans d'autres — au point focal où se trouve le récepteur. Lorsque le rayonnement solaire est réfléchi d'une surface plus grande vers une surface plus petite (la surface du récepteur), une température élevée est atteinte, le liquide de refroidissement absorbe la chaleur en se déplaçant à travers le récepteur. Le système dans son ensemble contient également une partie de stockage et un système de transfert d'énergie.
L'efficacité des concentrateurs est considérablement réduite pendant les périodes nuageuses, car seul le rayonnement solaire direct est focalisé.Pour cette raison, ces systèmes atteignent le rendement le plus élevé dans les régions où le niveau d'insolation est particulièrement élevé : dans les déserts, dans la région équatoriale. Afin d'augmenter l'efficacité de l'utilisation du rayonnement solaire, les concentrateurs sont équipés de trackers spéciaux, des systèmes de suivi qui assurent l'orientation la plus précise des concentrateurs dans la direction du soleil.
Étant donné que le coût des concentrateurs solaires est élevé et que les systèmes de suivi nécessitent un entretien périodique, leur utilisation est principalement limitée aux systèmes de production d'énergie industriels.
De telles installations peuvent être utilisées dans des systèmes hybrides avec, par exemple, des hydrocarbures, le système de stockage réduira alors le coût de l'électricité produite. Cela deviendra possible car la génération se fera 24 heures sur 24.
Les concentrateurs solaires à tube parabolique mesurent jusqu'à 50 mètres de long et ressemblent à une parabole à miroir allongée. Un tel concentrateur est constitué d'un ensemble de miroirs concaves, dont chacun collecte les rayons parallèles du soleil et les focalise sur un point précis. Le long d'une telle parabole, un tube avec un liquide de refroidissement est situé, de sorte que tous les rayons réfléchis par les miroirs y soient focalisés. Pour réduire les pertes de chaleur, le tube est entouré d'un tube de verre qui s'étend le long de la ligne focale du cylindre.
Ces hubs sont disposés en rangées dans une direction nord-sud et sont certainement équipés de systèmes de suivi solaire. Le rayonnement focalisé dans la ligne chauffe le liquide de refroidissement à près de 400 degrés, il passe à travers les échangeurs de chaleur, générant de la vapeur qui fait tourner la turbine du générateur.
En toute justice, il convient de noter qu'une cellule photoélectrique peut également être située à la place du tube. Cependant, malgré le fait que les tailles de concentrateur peuvent être plus petites avec des cellules photovoltaïques, cela se traduit par une diminution de l'efficacité et le problème de la surchauffe, ce qui nécessite le développement d'un système de refroidissement de haute qualité.
Dans le désert californien dans les années 1980, 9 centrales électriques à concentrateurs cylindriques paraboliques d'une capacité totale de 354 MW ont été construites. Ensuite, la même société (Luz International) a également construit une installation hybride SEGS I à Deget, d'une capacité de 13,8 MW, qui comprenait en outre des fours à gaz naturel.En général, en 1990, la société avait construit des centrales électriques hybrides d'une capacité totale de 80 MW.
Le développement de la production d'énergie solaire dans des centrales paraboliques est en cours au Maroc, au Mexique, en Algérie et dans d'autres pays en développement avec un financement de la Banque mondiale.
En conséquence, les experts concluent qu'aujourd'hui, les centrales électriques paraboliques sont en retard par rapport aux centrales solaires à tour et à disque en termes de rentabilité et d'efficacité.
Installations solaires à disque - ce sont, comme les antennes paraboliques, des miroirs paraboliques qui concentrent les rayons du soleil sur un récepteur situé au foyer de chacune de ces antennes. Dans le même temps, la température du liquide de refroidissement avec cette technologie de chauffage atteint 1000 degrés. Le fluide caloporteur est immédiatement acheminé vers un générateur ou un moteur qui est associé à un récepteur. Ici, par exemple, des moteurs Stirling et Brighton sont utilisés, ce qui peut augmenter considérablement les performances de tels systèmes, car l'efficacité optique est élevée et les coûts initiaux sont faibles.
Le record mondial d'efficacité d'une installation solaire à antenne parabolique est de 29% d'efficacité thermique-électrique obtenue par une installation de type antenne combinée à un moteur Stirling à Rancho Mirage.
En raison de la conception modulaire, les systèmes solaires de type match sont très prometteurs, ils vous permettent d'atteindre facilement les niveaux de puissance requis pour les utilisateurs hybrides connectés aux réseaux électriques publics et indépendants. Un exemple est le projet STEP, qui consiste en 114 miroirs paraboliques d'un diamètre de 7 mètres situés dans l'état de Géorgie.
Le système produit de la vapeur moyenne, basse et haute pression. La vapeur à basse pression est fournie au système de climatisation de l'usine de tricot, la vapeur à moyenne pression est fournie à l'industrie du tricot elle-même et la vapeur à haute pression est fournie directement pour générer de l'électricité.
Bien sûr, les concentrateurs à disques solaires associés à un moteur Stirling intéressent les propriétaires de grandes sociétés énergétiques. Ainsi, Science Applications International Corporation, en collaboration avec trois énergéticiens, développe un système utilisant un moteur Stirling et des miroirs paraboliques qui pourra produire 25 kW d'électricité.
Dans les centrales solaires de type tour avec un récepteur central, le rayonnement solaire est focalisé sur le récepteur, qui est situé au sommet de la tour…. Un grand nombre de réflecteurs-héliostats sont placés autour des tours... Les héliostats sont équipés d'un système de suivi du soleil à deux axes, grâce auquel ils tournent toujours pour que les rayons soient fixes, concentrés sur le récepteur de chaleur.
Le récepteur absorbe l'énergie thermique, qui fait ensuite tourner la turbine du générateur.
Le liquide caloporteur circulant dans la bouteille transporte la vapeur vers l'accumulateur de chaleur. Habituellement, les travaux sont la vapeur d'eau avec une température de 550 degrés, l'air et d'autres substances gazeuses avec une température allant jusqu'à 1000 degrés, les liquides organiques avec un point d'ébullition bas - inférieur à 100 degrés, ainsi que le métal liquide - jusqu'à 800 degrés.
Selon l'objectif de la centrale, la vapeur peut faire tourner une turbine pour générer de l'électricité ou être directement utilisée dans une sorte de production. La température dans le récepteur varie de 538 à 1482 degrés.
La tour électrique Solar One dans le sud de la Californie, l'une des premières du genre, produisait à l'origine de l'électricité grâce à un système vapeur-eau produisant 10 MW. Ensuite, il a subi une modernisation et le récepteur amélioré, fonctionnant désormais avec des sels fondus et le système de stockage de chaleur, est devenu nettement plus efficace.
Cela a conduit à une percée dans la technologie des concentrateurs solaires pour les centrales électriques à tour de batterie : l'électricité dans une telle centrale électrique peut être produite à la demande, car le système de stockage de chaleur peut stocker la chaleur jusqu'à 13 heures.
La technologie du sel fondu permet de stocker la chaleur solaire à 550 degrés, et l'électricité peut désormais être produite à tout moment de la journée et par tous les temps. La station tour "Solar Two" d'une capacité de 10 MW est devenue un prototype de centrales électriques industrielles de ce type. A l'avenir — la construction d'entreprises industrielles d'une capacité de 30 à 200 MW pour les grandes entreprises industrielles.
Les perspectives sont colossales, mais le développement est freiné par le besoin de grandes surfaces et les coûts importants de construction de stations-tours à l'échelle industrielle. Par exemple, pour placer une station-tour de 100 mégawatts, il faut 200 hectares, alors qu'une centrale nucléaire capable de produire 1 000 mégawatts d'électricité ne nécessite que 50 hectares. Les stations paraboliques-cylindriques (type modulaire) pour les petites capacités, en revanche, sont plus rentables que les tours.
Ainsi, les concentrateurs à tour et à auge parabolique conviennent aux centrales électriques de 30 MW à 200 MW connectées au réseau. Les concentrateurs de disques modulaires conviennent à l'alimentation autonome de réseaux ne nécessitant que quelques mégawatts. Les systèmes de tour et de dalle sont coûteux à fabriquer mais offrent un rendement très élevé.
Comme vous pouvez le constater, les concentrateurs paraboliques occupent une position optimale en tant que technologie de concentrateur solaire la plus prometteuse pour les années à venir.
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