Tour montante solaire (centrale solaire aérodynamique)
Tour solaire ascendante — un des types de centrales solaires. L'air est chauffé dans un immense capteur solaire (semblable à une serre), monte et sort par une haute tour de cheminée. L'air en mouvement entraîne des turbines pour produire de l'électricité. L'usine pilote a fonctionné en Espagne dans les années 1980.
Le soleil et le vent sont deux sources d'énergie inépuisables. Peuvent-ils être contraints de travailler dans la même équipe ? Le premier à répondre à cette question fut ... Léonard de Vinci. Dès le XVIe siècle, il conçoit un appareil mécanique alimenté par un moulin à vent miniature. Ses pales tournent dans un courant d'air ascendant chauffé par le soleil.
Des experts espagnols et allemands ont choisi la plaine de La Mancha dans la partie sud-est du plateau de la Nouvelle-Castille comme lieu pour mener une expérience unique. Comment ne pas se souvenir que c'est ici que le brave chevalier Don Quichotte, personnage principal du roman de Miguel de Cervantes, autre créateur marquant de la Renaissance, combattit les moulins à vent.
En 1903Le colonel espagnol Isidoro Cabañez a publié un projet de tour solaire. Entre 1978 et 1981, ces brevets ont été délivrés aux États-Unis, au Canada, en Australie et en Israël.
En 1982 près d'une ville espagnole Manzanares Il a été construit et testé à 150 km au sud de Madrid modèle de démonstration d'une centrale éolienne solaire, qui a réalisé l'une des nombreuses idées d'ingénierie de Leonardo.
L'installation contient trois blocs principaux : un tuyau vertical (tour, cheminée), un capteur solaire situé autour de sa base et un turbogénérateur spécial.
Le principe de fonctionnement d'une éolienne solaire est extrêmement simple. Le collecteur, dont le rôle est assuré par un recouvrement constitué d'un film polymère, par exemple une serre, transmet bien le rayonnement solaire.
En même temps, le film est opaque aux rayons infrarouges émis par la surface terrestre chauffée en dessous. Du coup, comme dans toute serre, il y a un effet de serre. Dans le même temps, la majeure partie de l'énergie du rayonnement solaire reste sous le capteur, chauffant la couche d'air entre le sol et le sol.
L'air dans le capteur a une température nettement plus élevée que l'atmosphère environnante. En conséquence, un puissant courant ascendant est généré dans la tour qui, comme dans le cas du moulin à vent Leonardo, fait tourner les pales de la turbogénératrice.
Schéma d'une centrale éolienne solaire
L'efficacité énergétique d'une tour solaire dépend indirectement de deux facteurs : la taille du capteur et la hauteur de la cheminée. Avec un grand collecteur, un plus grand volume d'air est chauffé, ce qui entraîne une plus grande vitesse de son écoulement à travers la cheminée.
L'installation dans la ville de Manzanares est une structure très impressionnante.La hauteur de la tour est de 200 m, le diamètre de 10 m et le diamètre du capteur solaire de 250 m. Sa puissance nominale est de 50 kW.
Le but de ce projet de recherche était d'effectuer des mesures sur le terrain, afin de déterminer les caractéristiques de l'installation dans des conditions techniques et météorologiques réelles.
Les tests d'installation ont été concluants. La précision des calculs, l'efficacité et la fiabilité des blocs, la simplicité du contrôle du processus technologique ont été confirmées expérimentalement.
Une autre conclusion importante a été tirée : déjà avec une capacité de 50 MW, une centrale éolienne solaire devient tout à fait rentable. Ceci est d'autant plus important que le coût de l'électricité produite par les autres types de centrales solaires (tour, photovoltaïque) est encore 10 à 100 fois plus élevé que dans les centrales thermiques.
Cette centrale de Manzanares a fonctionné de manière satisfaisante pendant environ 8 ans et a été détruite par un ouragan en 1989.
Ouvrages prévus
Centrale «Ciudad Real Torre Solar» à Ciudad Real en Espagne. La construction prévue doit couvrir une superficie de 350 hectares qui, en combinaison avec une cheminée de 750 mètres de haut, générera 40 MW de puissance de sortie.
Tour solaire de Burong. Au début de 2005, EnviroMission et SolarMission Technologies Inc. a commencé à collecter des données météorologiques autour de la Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, pour essayer de construire une centrale solaire entièrement opérationnelle en 2008. La puissance électrique maximale que ce projet pourrait développer était de 200 MW.
En raison d'un manque de soutien des autorités australiennes, EnviroMission a abandonné ces plans et a décidé de construire une tour en Arizona, aux États-Unis.
La tour solaire initialement prévue devait avoir une hauteur de 1 km, un diamètre de base de 7 km et une superficie de 38 km2. De cette façon, la tour solaire extraira environ 0,5 % de l'énergie solaire (1 kW / m2) qui est rayonnée à fermé.
A un niveau plus élevé de la cheminée, une plus grande chute de pression se produit, causée par ce que l'on appelle effet de cheminée, qui à son tour provoque une vitesse plus élevée de l'air qui passe.
L'augmentation de la hauteur de la cheminée et de la surface du collecteur augmentera le débit d'air à travers les turbines et donc la quantité d'énergie produite.
La chaleur peut s'accumuler sous la surface du capteur, où elle sera utilisée pour alimenter la tour du soleil en dissipant la chaleur dans l'air frais, le forçant à circuler la nuit.
L'eau, qui a une capacité calorifique relativement élevée, peut remplir les tuyaux situés sous le collecteur, augmentant la quantité d'énergie restituée si nécessaire.
Les éoliennes peuvent être montées horizontalement dans une connexion collecteur-tour, similaire aux plans de tour australiens. Dans un prototype fonctionnant en Espagne, l'axe de la turbine coïncide avec l'axe de la cheminée.
Fantasme ou réalité
Ainsi, l'installation aérodynamique solaire combine les processus de conversion de l'énergie solaire en énergie éolienne, et cette dernière en électricité.
Dans le même temps, comme le montrent les calculs, il devient possible de concentrer l'énergie du rayonnement solaire d'une vaste zone de la surface terrestre et d'obtenir une grande énergie électrique dans des installations uniques sans utiliser de technologies à haute température.
La surchauffe de l'air dans le collecteur n'est que de quelques dizaines de degrés, ce qui distingue fondamentalement la centrale éolienne solaire des centrales thermiques, nucléaires et même solaires à tour.
Les avantages incontestables des installations solaires éoliennes incluent le fait que même si elles sont mises en œuvre à grande échelle, elles n'auront pas d'impact néfaste sur l'environnement.
Mais la création d'une source d'énergie aussi exotique est associée à un certain nombre de problèmes d'ingénierie complexes. Qu'il suffise de dire que le diamètre de la tour à elle seule devrait être de plusieurs centaines de mètres, la hauteur - environ un kilomètre, la superficie du capteur solaire - des dizaines de kilomètres carrés.
Il est évident que plus le rayonnement solaire est intense, plus l'installation développe de puissance. Selon les experts, il est plus rentable de construire des centrales éoliennes solaires dans des zones situées entre 30° de latitude nord et 30° de latitude sud sur des terrains peu adaptés à d'autres usages. Les options d'utilisation du relief montagneux attirent l'attention. Cela réduira considérablement les coûts de construction.
Cependant, un autre problème se pose, dans une certaine mesure caractéristique de toute centrale solaire, mais acquiert une urgence particulière lors de la création de grandes installations aérodynamiques solaires. Le plus souvent, les zones prometteuses pour leur construction sont loin d'être des consommateurs énergivores. De plus, comme vous le savez, l'énergie solaire arrive sur Terre de manière irrégulière.
Les petites tours solaires (de faible puissance) peuvent constituer une alternative intéressante pour générer de l'énergie pour les pays en développement, car leur construction ne nécessite pas de matériaux et d'équipements coûteux ni de personnel hautement qualifié pendant le fonctionnement de la structure.
De plus, la construction d'une tour solaire nécessite un investissement initial important, qui à son tour est compensé par les faibles coûts de maintenance obtenus grâce à l'absence de coûts de carburant.
Un autre inconvénient, cependant, est l'efficacité plus faible de la conversion de l'énergie solaire que par exemple dans les structures miroir des centrales solaires… Cela est dû à la plus grande surface occupée par le collecteur et aux coûts de construction plus élevés.
La tour solaire devrait nécessiter beaucoup moins de stockage d'énergie que les parcs éoliens ou les centrales solaires traditionnelles.
Cela est dû à l'accumulation d'énergie thermique qui peut être libérée la nuit, ce qui permettra à la tour de fonctionner 24 heures sur 24, ce qui ne peut être garanti par des parcs éoliens ou des cellules photovoltaïques, pour lesquels le système énergétique doit disposer de réserves d'énergie sous la forme de centrales électriques traditionnelles.
Ce fait dicte la nécessité de créer des unités de stockage d'énergie en tandem avec de telles installations. La science ne connaît pas encore de meilleur partenaire à ces fins que l'hydrogène. C'est pourquoi les experts considèrent qu'il est plus opportun d'utiliser l'électricité générée par l'installation spécifiquement pour la production d'hydrogène. Dans ce cas, la centrale éolienne solaire devient l'un des principaux composants de la future énergie hydrogène.
Ainsi, dès l'année prochaine, le premier projet mondial de stockage d'énergie hydrogène solide à l'échelle commerciale sera mis en œuvre en Australie. L'énergie solaire excédentaire sera convertie en hydrogène solide appelé borohydrure de sodium (NaBH4).
Ce matériau solide non toxique peut absorber l'hydrogène comme une éponge, stocker le gaz jusqu'à ce qu'il soit nécessaire, puis libérer de l'hydrogène en utilisant la chaleur. L'hydrogène libéré est ensuite passé à travers une pile à combustible pour produire de l'électricité. Ce système permet de stocker l'hydrogène à moindre coût à haute densité et basse pression sans nécessiter de compression ou de liquéfaction énergivore.
De manière générale, les recherches et expérimentations permettent de s'interroger sérieusement sur la place des centrales éoliennes solaires dans la grande industrie énergétique dans un futur proche.