Énergie thermique solaire
L’énergie solaire thermique (STE) est une forme d’énergie et de technologie permettant d’exploiter l’énergie solaire pour produire de l’énergie thermique ou de l’énergie électrique destinée à l’industrie, dans les secteurs résidentiel et commercial.
Vue d’ensemble
Les capteurs solaires thermiques sont classés par l’Energy Information Administration des États-Unis comme des collecteurs à basse, moyenne ou haute température. Les collecteurs à basse température sont généralement non émaillés et utilisés pour chauffer les piscines ou pour chauffer l’air de ventilation. Les collecteurs à moyenne température sont généralement des plaques plates, mais sont utilisés pour chauffer l’eau ou l’air à usage résidentiel et commercial. Les collecteurs à haute température concentrent la lumière du soleil à l’aide de miroirs ou de lentilles et sont généralement utilisés pour satisfaire les besoins en chaleur jusqu’à une pression de 300 ° C / 20 bars dans les industries et pour la production d’électricité. Les deux catégories incluent l’énergie solaire concentrée (CST) pour satisfaire les besoins en chaleur dans les industries, et l’énergie solaire concentrée (CSP) lorsque la chaleur collectée est utilisée pour la production d’électricité. CST et CSP ne sont pas remplaçables en termes d’application. Les plus grandes installations sont situées dans le désert américain de Mojave, en Californie et au Nevada. Ces usines utilisent une variété de technologies différentes. Les exemples les plus importants incluent la centrale solaire d’Ivanpah (377 MW), l’installation de systèmes à énergie solaire (354 MW) et les Crescent Dunes (110 MW). L’Espagne est l’autre grand développeur de centrales thermiques solaires. Parmi les exemples les plus importants, citons la centrale solaire Solnova (150 MW), la centrale solaire Andasol (150 MW) et la centrale solaire Extresol (100 MW).
Systèmes de chauffage et de refroidissement solaires à basse température
Les systèmes d’utilisation de l’énergie thermique solaire à basse température comprennent des moyens de collecte de chaleur; généralement stockage de chaleur, à court terme ou intersaisonnier; et distribution dans une structure ou un réseau de chauffage urbain. Dans certains cas, plusieurs de ces fonctions sont inhérentes à une seule caractéristique du système (par exemple, certains types de capteurs solaires stockent également de la chaleur). Certains systèmes sont passifs, d’autres sont actifs (nécessitant une autre énergie externe pour fonctionner).
Le chauffage est l’application la plus évidente, mais le refroidissement solaire peut être réalisé pour un bâtiment ou un réseau de refroidissement urbain en utilisant un refroidisseur à absorption ou à adsorption (pompe à chaleur) à entraînement thermique. Il y a une coïncidence productive: plus la chaleur dégagée par l’isolation est importante, plus la puissance de refroidissement augmente. En 1878, Auguste Mouchout est un pionnier du refroidissement solaire en fabriquant de la glace à l’aide d’un moteur à vapeur solaire fixé à un appareil de réfrigération.
Aux États-Unis, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) représentent plus de 25% (4,75 EJ) de l’énergie utilisée dans les bâtiments commerciaux (50% dans les villes du nord) et près de la moitié (10,1 EJ) de l’énergie utilisée dans les bâtiments résidentiels. Les technologies de chauffage, de refroidissement et de ventilation solaires peuvent être utilisées pour compenser une partie de cette énergie. La technologie de chauffage solaire la plus populaire pour le chauffage des bâtiments est le système intégré de collecte de l’air solaire transpiré intégré au bâtiment, qui se connecte à l’équipement CVC du bâtiment. Selon l’Association des industries d’énergie solaire, plus de 500 000 m2 (5 000 000 pieds carrés) de ces panneaux sont en service en Amérique du Nord depuis 2015.
En Europe, depuis le milieu des années 1990, environ 125 grandes centrales de chauffage solaire thermique ont été construites, chacune avec plus de 500 m2 (5400 ft2) de capteurs solaires. Les plus grands font environ 10 000 m2, avec des capacités thermiques de 7 MW et des coûts de chaleur solaire d’environ 4 Eurocents / kWh sans subventions. 40 d’entre eux ont des capacités nominales de 1 MW thermique ou plus. Le programme Solar District Heating (SDH), auquel participent 14 pays européens et la Commission européenne, travaille au développement technique et commercial et organise des conférences annuelles.
Collecteurs basse température
Les capteurs solaires vitrés sont principalement conçus pour le chauffage des locaux. Ils recirculent l’air du bâtiment à travers un panneau solaire où l’air est chauffé et ensuite renvoyé dans le bâtiment. Ces systèmes de chauffage solaire nécessitent au moins deux pénétrations dans le bâtiment et ne fonctionnent que lorsque l’air du capteur solaire est plus chaud que la température ambiante du bâtiment. La plupart des capteurs vitrés sont utilisés dans le secteur résidentiel.
Les capteurs solaires non vitrés sont principalement utilisés pour préchauffer l’air de la ventilation d’appoint dans les bâtiments commerciaux, industriels et institutionnels à forte charge de ventilation. Ils transforment des murs ou des sections de murs en collecteurs solaires non vitrés, peu coûteux et à haut rendement. Également appelés « panneaux solaires transpirés » ou « murs solaires », ils utilisent un absorbeur de chaleur solaire en métal perforé peint qui sert également de surface de mur extérieur du bâtiment. Le transfert de chaleur à l’air a lieu à la surface de l’absorbeur, à travers l’absorbeur métallique et derrière l’absorbeur. La couche limite de l’air chauffé par le soleil est aspirée dans une perforation proche avant que la chaleur puisse s’échapper par convection vers l’air extérieur. L’air chauffé est ensuite aspiré par l’arrière de la plaque absorbante dans le système de ventilation du bâtiment.
Un mur Trombe est un système de chauffage solaire passif et de ventilation composé d’un canal d’air entre une fenêtre et une masse thermique orientée vers le soleil. Pendant le cycle de ventilation, la lumière solaire stocke la chaleur dans la masse thermique et réchauffe le canal d’air, provoquant une circulation dans les évents situés en haut et en bas du mur. Pendant le cycle de chauffage, le mur Trombe émet de la chaleur stockée.
Les bassins solaires de toit sont des systèmes solaires uniques de chauffage et de refroidissement développés par Harold Hay dans les années 1960. Un système de base consiste en une vessie d’eau montée sur le toit avec une couverture isolante mobile. Ce système peut contrôler l’échange de chaleur entre les environnements intérieurs et extérieurs en couvrant et en découvrant la vessie entre la nuit et le jour. En cas de problème de chauffage, la vessie est découverte pendant la journée, ce qui permet à la lumière du soleil de réchauffer la vessie et de la stocker pour une utilisation en soirée. Lorsque le refroidissement est une préoccupation, la vessie couverte tire la chaleur de l’intérieur du bâtiment pendant la journée et est découverte la nuit pour dégager de la chaleur dans l’atmosphère plus fraîche. La maison Skytherm à Atascadero, en Californie, utilise un prototype d’étang de toit pour le chauffage et le refroidissement.
Le chauffage des locaux solaires avec des collecteurs de chaleur à air solaire est plus populaire aux États-Unis et au Canada que le chauffage avec des collecteurs de liquides solaires, car la plupart des bâtiments ont déjà un système de ventilation pour le chauffage et le refroidissement. Les deux principaux types de panneaux à air solaire sont vitrés et non vitrés.
Sur les 21 000 000 pieds carrés (2 000 000 m2) de capteurs solaires thermiques produits aux États-Unis en 2007, 16 000 000 pieds carrés (1 500 000 m2) étaient des variétés à basse température. Les collecteurs à basse température sont généralement installés pour chauffer les piscines, bien qu’ils puissent également être utilisés pour le chauffage des locaux. Les collecteurs peuvent utiliser de l’air ou de l’eau comme moyen de transférer la chaleur vers leur destination.
Stockage de chaleur dans les systèmes solaires thermiques à basse température
Stockage intersaison La chaleur solaire (ou la chaleur provenant d’autres sources) peut être stockée efficacement entre les saisons opposées dans les aquifères, les couches géologiques souterraines, les grandes fosses spécialement construites et les grands réservoirs isolés et recouverts de terre.
Stockage à court terme. Les masses thermiques stockent l’énergie solaire pendant la journée et libèrent cette énergie pendant les périodes plus froides. Les matériaux de masse thermique courants comprennent la pierre, le béton et l’eau. La proportion et le placement de la masse thermique doivent tenir compte de plusieurs facteurs tels que le climat, la lumière du jour et les conditions d’ombrage. Lorsqu’elle est correctement incorporée, la masse thermique peut maintenir passivement des températures confortables tout en réduisant la consommation d’énergie.
Refroidissement par énergie solaire
À l’échelle mondiale, en 2011, il existait environ 750 systèmes de refroidissement équipés de pompes à chaleur à énergie solaire, et la croissance annuelle du marché était de 40 à 70% au cours des sept années précédentes. C’est un marché de niche car l’économie est un défi, le nombre annuel d’heures de refroidissement étant un facteur limitant. Respectivement, les heures de refroidissement annuelles sont d’environ 1 000 en Méditerranée, 2 500 en Asie du Sud-Est et seulement 50 à 200 en Europe centrale. Cependant, les coûts de construction du système ont chuté d’environ 50% entre 2007 et 2011. Les groupes de travail du programme de chauffage et de refroidissement solaires de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) travaillent sur le développement des technologies impliquées.
Ventilation solaire
Une cheminée solaire (ou cheminée thermique) est un système de ventilation solaire passif composé d’une masse thermique creuse reliant l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment. Au fur et à mesure que la cheminée se réchauffe, l’air intérieur est chauffé, provoquant un courant d’air ascendant qui entraîne l’air dans le bâtiment. Ces systèmes sont utilisés depuis l’époque romaine et restent communs au Moyen-Orient.
Chaleur de processus
Les systèmes de chauffage à procédé solaire sont conçus pour fournir de grandes quantités d’eau chaude ou de chauffage des locaux non résidentiels.
Les bassins d’évaporation sont des bassins peu profonds qui concentrent les solides dissous par évaporation. L’utilisation de bassins d’évaporation pour obtenir du sel de l’eau de mer est l’une des plus anciennes applications de l’énergie solaire. Les utilisations modernes incluent les solutions de saumure concentrées utilisées dans l’extraction par lixiviation et l’élimination des solides dissous des flux de déchets. Au total, les bassins d’évaporation représentent l’une des plus grandes applications commerciales de l’énergie solaire actuellement utilisée.
Les collecteurs transpire non vitrés sont des parois perforées orientées vers le soleil utilisées pour préchauffer l’air de ventilation. Les collecteurs à transpiration peuvent également être montés sur le toit pour une utilisation toute l’année et peuvent augmenter la température de l’air entrant jusqu’à 22 ° C et délivrer des températures de sortie de 45 à 60 ° C. La courte période de récupération des capteurs transpirants (3 à 12 ans) en fait une alternative plus rentable aux systèmes de collecte vitrés. En 2015, plus de 4 000 systèmes avec une surface de capteurs combinée de 500 000 m2 avaient été installés dans le monde entier. Parmi les représentants, on compte un collecteur de 860 m2 au Costa Rica utilisé pour le séchage des grains de café et un collecteur de 1300 m2 à Coimbatore, en Inde, utilisé pour sécher les soucis.
Une usine de transformation alimentaire située à Modesto, en Californie, utilise des auges paraboliques pour produire de la vapeur utilisée dans le processus de fabrication. La surface de captage de 5 000 m2 devrait fournir 15 TJ par an.
Capteurs de moyenne température
Ces collecteurs pourraient être utilisés pour produire environ 50% et plus de l’eau chaude nécessaire à un usage résidentiel et commercial aux États-Unis. Aux États-Unis, un système classique coûte entre 4 000 et 6 000 dollars (1400 à 2200 dollars pour les produits en gros) et 30% du système donne droit à un crédit d’impôt fédéral + un crédit d’État supplémentaire existe dans environ la moitié des États. La main-d’œuvre nécessaire à un système en boucle ouverte simple dans les climats du sud peut prendre de 3 à 5 heures pour l’installation et de 4 à 6 heures dans les régions du nord. Le système du Nord exige une plus grande surface collectrice et une plomberie plus complexe pour protéger le collecteur du gel. Avec cette incitation, le délai de récupération pour un ménage typique est de quatre à neuf ans, selon les États. Des subventions similaires existent dans certaines parties de l’Europe. Un équipage d’un plombier solaire et deux assistants avec une formation minimale peuvent installer un système par jour. L’installation de thermosiphons a des coûts d’entretien négligeables (les coûts augmentent si l’antigel et le courant sont utilisés pour la circulation) et aux États-Unis, les coûts d’exploitation des ménages diminuent de 6 dollars par personne et par mois. Le chauffage solaire de l’eau peut réduire les émissions de CO2 d’une famille de quatre personnes par tonne / an (si l’on remplace le gaz naturel) ou de trois tonnes / an (si l’on remplace l’électricité). Les installations à moyenne température peuvent utiliser plusieurs conceptions: les conceptions les plus courantes sont le glycol sous pression, les systèmes de drainage, les systèmes discontinus et les nouveaux systèmes tolérants au gel à basse pression utilisant des tuyaux en polymère contenant de l’eau avec pompage photovoltaïque. Les normes européennes et internationales sont en cours de révision afin de prendre en compte les innovations en matière de conception et de fonctionnement des collecteurs à température moyenne. Les innovations opérationnelles comprennent le fonctionnement du « collecteur permanent ». Cette innovation réduit ou même élimine l’apparition de contraintes à haute température sans écoulement appelées stagnation qui réduiraient autrement la durée de vie des collecteurs.
Séchage solaire
L’énergie thermique solaire peut être utile pour sécher le bois pour la construction et les combustibles ligneux tels que les copeaux de bois pour la combustion. Le solaire est également utilisé pour les produits alimentaires tels que les fruits, les céréales et le poisson. Le séchage des cultures par des moyens solaires est écologique et économique, tout en améliorant la qualité. Moins il faut d’argent pour fabriquer un produit, moins il peut être vendu pour plaire aux acheteurs et aux vendeurs. Les technologies en matière de séchage solaire comprennent des collecteurs à air à plaques pompées à très bas coût, basés sur des tissus noirs. L’énergie solaire thermique est utile pour sécher des produits tels que les copeaux de bois et d’autres formes de biomasse en augmentant la température tout en laissant passer l’air et en éliminant l’humidité.
Cuisine
Les cuisinières solaires utilisent la lumière du soleil pour la cuisson, le séchage et la pasteurisation. La cuisson solaire compense les coûts de carburant, réduit la demande de combustible ou de bois de chauffe et améliore la qualité de l’air en réduisant ou en éliminant une source de fumée.
Le type de cuiseur solaire le plus simple est celui de la première boîte à cuire construite par Horace de Saussure en 1767. Une cuisinière de base consiste en un contenant isolé avec un couvercle transparent. Ces cuisinières peuvent être utilisées efficacement avec un ciel partiellement couvert et atteignent généralement des températures de 50 à 100 ° C.
Les cuisinières solaires à concentration utilisent des réflecteurs pour concentrer l’énergie solaire sur un récipient de cuisson. Les géométries de réflecteur les plus courantes sont les plaques plates, les disques et les creux paraboliques. Ces modèles cuisent plus rapidement et à des températures plus élevées (jusqu’à 350 ° C), mais nécessitent une lumière directe pour fonctionner correctement.
The Solar Kitchen à Auroville, en Inde, utilise une technologie de concentration unique connue sous le nom de bol solaire. Contrairement aux systèmes conventionnels à réflecteur / récepteur fixe, le bol solaire utilise un réflecteur sphérique fixe avec un récepteur qui suit le centre de la lumière lorsque le Soleil se déplace dans le ciel. Le récepteur du bol solaire atteint une température de 150 ° C qui est utilisée pour produire de la vapeur qui aide à préparer 2 000 repas quotidiens.
En Inde, de nombreuses autres cuisines solaires utilisent une autre technologie de concentration unique connue sous le nom de réflecteur Scheffler. Cette technologie a été développée pour la première fois par Wolfgang Scheffler en 1986. Un réflecteur Scheffler est une antenne parabolique qui utilise un suivi à un axe pour suivre le cours quotidien du Soleil. Ces réflecteurs ont une surface réfléchissante flexible capable de changer de courbure pour s’adapter aux variations saisonnières de l’angle d’incidence de la lumière solaire. Les réflecteurs Scheffler ont l’avantage d’avoir un foyer fixe qui améliore la facilité de cuisson et peut atteindre des températures de 450 à 650 ° C. Construit en 1999 par le Brahma Kumaris, le plus grand système de réflecteurs de Scheffler au monde à Abu Road, le Rajasthan, en Inde, peut préparer jusqu’à 35 000 repas par jour. Au début de 2008, plus de 2000 grandes cuisinières de la conception de Scheffler avaient été construites dans le monde entier.
Distillation
Les alambics solaires peuvent être utilisés pour produire de l’eau potable dans les zones où l’eau propre n’est pas courante. La distillation solaire est nécessaire dans ces situations pour fournir de l’eau purifiée. L’énergie solaire réchauffe l’eau dans l’alambic. L’eau s’évapore alors et se condense au fond du verre de couverture.
Collecteurs haute température
Lorsque des températures inférieures à environ 95 ° C sont suffisantes, comme pour le chauffage des locaux, on utilise généralement des collecteurs à plaques plates du type non concentré. En raison des pertes de chaleur relativement élevées à travers le vitrage, les capteurs à plaques plates n’atteindront pas des températures très supérieures à 200 ° C, même lorsque le fluide caloporteur stagne. Ces températures sont trop basses pour permettre une conversion efficace en électricité.
L’efficacité des moteurs thermiques augmente avec la température de la source de chaleur. Pour y parvenir dans les centrales solaires, le rayonnement solaire est concentré par des miroirs ou des lentilles afin d’obtenir des températures plus élevées – une technique appelée énergie solaire concentrée (CSP). L’effet pratique d’une efficacité élevée est de réduire la taille du collecteur de l’usine et l’utilisation totale du sol par unité d’énergie produite, réduisant ainsi les impacts environnementaux d’une centrale électrique ainsi que ses coûts.
À mesure que la température augmente, différentes formes de conversion deviennent pratiques. Jusqu’à 600 ° C, les turbines à vapeur, une technologie standard, ont un rendement pouvant atteindre 41%. Au-dessus de 600 ° C, les turbines à gaz peuvent être plus efficaces. Des températures plus élevées posent problème car différents matériaux et techniques sont nécessaires. Une proposition pour des températures très élevées consiste à utiliser des sels de fluorure liquides fonctionnant entre 700 ° C et 800 ° C, en utilisant des systèmes de turbine à plusieurs étages pour atteindre une efficacité thermique de 50% ou plus. Les températures de fonctionnement plus élevées permettent à l’usine d’utiliser des échangeurs de chaleur secs à haute température pour son échappement thermique, réduisant ainsi la consommation d’eau de l’usine, ce qui est essentiel dans les déserts où les grandes installations solaires sont pratiques. Les températures élevées rendent également le stockage de chaleur plus efficace, car plus de wattheures sont stockées par unité de fluide.
Les centrales thermiques solaires à concentration commerciale (CSP) ont été développées pour la première fois dans les années 1980. Les centrales solaires thermiques les plus importantes au monde sont maintenant la centrale solaire de 370 MW Ivanpah, mise en service en 2014, et l’installation de 354 MW SEGS CSP, toutes deux situées dans le désert de Mojave en Californie, où plusieurs autres projets solaires ont également été réalisés. À l’exception de la centrale solaire de Shams, construite en 2013 près d’Abu Dhabi, aux Émirats arabes unis, toutes les autres centrales CSP de 100 MW ou plus sont situées aux États-Unis ou en Espagne.
Le principal avantage du CSP est sa capacité à ajouter efficacement un stockage thermique, ce qui permet d’acheminer l’électricité jusqu’à 24 heures. Étant donné que la demande maximale d’électricité se situe généralement entre 16 et 20 heures, de nombreuses centrales électriques CSP utilisent 3 à 5 heures de stockage thermique. Avec la technologie actuelle, le stockage de la chaleur est beaucoup moins cher et plus efficace que le stockage de l’électricité. De cette manière, l’usine CSP peut produire de l’électricité jour et nuit. Si le site CSP possède un rayonnement solaire prévisible, l’usine CSP devient alors une centrale électrique fiable. La fiabilité peut encore être améliorée en installant un système de combustion de secours. Le système de sauvegarde peut utiliser la majeure partie de l’installation CSP, ce qui réduit le coût du système de sauvegarde.
Les installations CSP utilisent des matériaux à conductivité électrique élevée, tels que le cuivre, les câbles d’alimentation, les réseaux de mise à la terre et les moteurs de suivi et de pompage des fluides, ainsi que dans le générateur principal et les transformateurs haute tension.
Avec la fiabilité, le désert inutilisé, l’absence de pollution et le coût du carburant, les obstacles au déploiement de CSP sont les coûts, l’esthétique, l’utilisation du sol et des facteurs similaires pour les lignes de liaison haute tension nécessaires. Bien que seul un faible pourcentage du désert soit nécessaire pour répondre à la demande mondiale en électricité, une grande surface doit toujours être recouverte de miroirs ou de lentilles pour obtenir une quantité importante d’énergie. Un moyen important de réduire les coûts est l’utilisation d’une conception simple.
Lorsque l’on considère les impacts de l’utilisation des terres associés à l’exploration et à l’extraction, au transport et à la conversion des combustibles fossiles, utilisés pour la majeure partie de notre énergie électrique, l’énergie solaire est l’une des ressources énergétiques les plus efficaces:
Le gouvernement fédéral a consacré près de 2 000 fois plus de superficie aux concessions de pétrole et de gaz qu’au développement solaire. En 2010, le Bureau of Land Management a approuvé neuf projets solaires à grande échelle d’une capacité de production totale de 3 682 mégawatts, représentant environ 40 000 acres. En revanche, en 2010, le Bureau of Land Management a traité plus de 5 200 demandes de location de gaz et de pétrole et a délivré 1 308 baux, pour un total de 3,2 millions d’acres. Actuellement, 38,2 millions d’acres de terres publiques à terre et 36,9 millions d’acres supplémentaires d’exploration en mer dans le golfe du Mexique sont en location pour l’exploitation, l’exploration et la production de pétrole et de gaz.
Conceptions du système
Le jour, le soleil a des positions différentes. Pour les systèmes à faible concentration (et les basses températures), le suivi peut être évité (ou limité à quelques positions par an) si des optiques non imageurs sont utilisées. Pour des concentrations plus élevées, cependant, si les miroirs ou les lentilles ne bougent pas, la focalisation des miroirs ou des lentilles change (mais dans ce cas également, l’optique non imagée fournit les angles d’acceptation les plus larges pour une concentration donnée). Par conséquent, il semble inévitable de devoir disposer d’un système de suivi qui suit la position du soleil (pour le solaire photovoltaïque, un suiveur solaire n’est facultatif). Le système de suivi augmente le coût et la complexité. Dans cette optique, différentes conceptions peuvent être distinguées dans la façon dont elles concentrent la lumière et suivent la position du soleil.
Dessins paraboliques
Les centrales électriques à parabole utilisent un creux courbe et réfléchissant qui réfléchit le rayonnement solaire direct sur un tube de verre contenant un fluide (également appelé récepteur, absorbeur ou collecteur) longeant le creux et placé au foyer des réflecteurs. Le creux est parabolique le long d’un axe et linéaire dans l’axe orthogonal. Pour changer la position quotidienne du soleil perpendiculairement au récepteur, le creux s’incline d’est en ouest afin que le rayonnement direct reste concentré sur le récepteur. Cependant, les variations saisonnières de l’angle de la lumière solaire parallèle à l’auge ne nécessitent pas d’ajustement des rétroviseurs, car la lumière est simplement concentrée ailleurs sur le récepteur. Ainsi, la conception du bac ne nécessite pas de suivi sur un deuxième axe. Le récepteur peut être enfermé dans une chambre à vide en verre. Le vide réduit considérablement les pertes de chaleur par convection.
Un fluide (également appelé fluide caloporteur) traverse le récepteur et devient très chaud. Les fluides courants sont l’huile synthétique, le sel fondu et la vapeur sous pression. Le fluide contenant la chaleur est transporté vers un moteur thermique où environ un tiers de la chaleur est convertie en électricité.
Les systèmes paraboliques à pleine échelle sont constitués de nombreux bassins disposés en parallèle sur une vaste superficie. Depuis 1985, un système solaire utilisant ce principe est pleinement opérationnel en Californie aux États-Unis. C’est ce qu’on appelle le système de production d’énergie solaire (SEGS). D’autres conceptions de CSP manquent de ce genre de longue expérience et on peut donc affirmer que la conception parabolique est la technologie CSP la plus éprouvée.
Le SEGS est un ensemble de neuf usines d’une capacité totale de 354 MW et constitue depuis de nombreuses années la plus grande centrale solaire au monde, tant thermique que non thermique. L’usine Nevada Solar One, d’une capacité de 64 MW, est une nouvelle usine. Les centrales solaires Andasol de 150 MW sont situées en Espagne, chaque site ayant une capacité de 50 MW. Notez cependant que ces centrales ont un stockage de chaleur qui nécessite un plus grand champ de capteurs solaires par rapport à la taille du générateur à turbine à vapeur pour stocker la chaleur et envoyer de la chaleur à la turbine à vapeur en même temps. Le stockage de chaleur permet une meilleure utilisation de la turbine à vapeur. Avec une utilisation de jour et de nuit de la turbine à vapeur, la capacité de pointe de 50 MW d’Andasol produit plus d’énergie que la capacité maximale de 64 MW de Nevada Solar One, grâce au système de stockage d’énergie thermique de l’ancienne centrale. La centrale Solana de 280 MW a été mise en service en Arizona en 2013 avec 6 heures de stockage d’énergie. La centrale à cycle combiné à énergie solaire intégrée de Hassi R’Mel en Algérie et le centre d’énergie solaire de Martin Next Generation utilisent tous deux des auges paraboliques en cycle combiné avec du gaz naturel.
Auge fermée
L’architecture à auge fermée encapsule le système solaire thermique dans une serre semblable à une serre. La serre crée un environnement protégé pour résister aux éléments pouvant avoir un impact négatif sur la fiabilité et l’efficacité du système solaire thermique.
Les miroirs réfléchissants solaires incurvés légers sont suspendus dans la structure de serre. Un système de suivi à un axe positionne les rétroviseurs pour suivre le soleil et concentre sa lumière sur un réseau de tuyaux en acier fixes, également suspendus à la structure de la serre. La vapeur est générée directement à l’aide d’une eau de qualité, car l’eau s’écoule de l’entrée sur toute la longueur des tuyaux, sans échangeur de chaleur ni fluide de travail intermédiaire.
La vapeur produite est ensuite acheminée directement au réseau de distribution de vapeur existant du champ, où la vapeur est injectée en continu dans le réservoir. Le fait d’abriter les miroirs du vent leur permet d’atteindre des taux de température plus élevés et d’empêcher la poussière de se former en cas d’exposition à l’humidité. GlassPoint Solar, la société qui a créé le concept Enclosed Trough, affirme que sa technologie peut produire de la chaleur pour environ 5 dollars par million d’unités thermiques britanniques dans les régions ensoleillées, contre 10 à 12 dollars pour les autres technologies solaires thermiques conventionnelles.
Le système de cuves fermées de GlassPoint a été utilisé sur le site de Miraah à Oman, et un nouveau projet a été annoncé récemment pour que la société apporte sa technologie de cuve fermée au gisement de pétrole de South Belridge, près de Bakersfield, en Californie.
Conceptions de tour de puissance
Les tours électriques (également appelées centrales «tour centrale» ou centrales «héliostat») captent et concentrent l’énergie thermique du soleil sur des milliers de miroirs de suivi (appelés héliostats) dans un champ d’environ deux kilomètres carrés. Une tour réside au centre du champ d’héliostat. Les héliostats concentrent la lumière solaire concentrée sur un récepteur situé au sommet de la tour. Dans le récepteur, la lumière solaire concentrée chauffe le sel fondu à plus de 1 000 ° F (538 ° C). Le sel fondu chauffé s’écoule ensuite dans un réservoir de stockage thermique où il est stocké, en maintenant une efficacité thermique de 98%, puis pompé dans un générateur de vapeur. La vapeur entraîne une turbine standard pour produire de l’électricité. Ce processus, également connu sous le nom de « cycle de Rankine », est similaire à une centrale au charbon standard, sauf qu’il est alimenté par de l’énergie solaire propre et gratuite.
L’avantage de cette conception au-dessus de la conception du bac parabolique est la température plus élevée. L’énergie thermique à des températures plus élevées peut être convertie en électricité plus efficacement et peut être stockée à moindre coût pour une utilisation ultérieure. De plus, il est moins nécessaire d’aplanir la surface du sol. En principe, une tour de puissance peut être construite sur le flanc d’une colline. Les miroirs peuvent être plats et la plomberie concentrée dans la tour. L’inconvénient est que chaque miroir doit avoir son propre contrôle à deux axes, tandis que dans le design parabolique, le suivi d’un seul axe peut être partagé pour un grand nombre de miroirs.
Le NREL a réalisé une comparaison coût / performance des concentrateurs à tour parabolique et à parabolique, estimant que d’ici 2020, l’électricité pourrait être produite à partir de pylônes électriques à 5,47 ¢ / kWh et à 6,21 ¢ / kWh de creux paraboliques. Le facteur de capacité des pylônes était estimé à 72,9% et à 56,2% pour les creux paraboliques. Certains espèrent que la mise au point de composants de centrales héliostat peu coûteux, durables et pouvant être fabriqués en série pourrait réduire ce coût.
La première centrale électrique à tour était une PS10 en Espagne d’une capacité de 11 MW, achevée en 2007. Depuis, plusieurs usines ont été proposées, plusieurs ont été construites dans plusieurs pays (Espagne, Allemagne, États-Unis, Turquie, Chine). , Inde) mais plusieurs usines proposées ont été annulées alors que les prix du photovoltaïque ont chuté. Une centrale solaire devrait être mise en service en Afrique du Sud en 2014. La centrale solaire d’Ivanpah en Californie produit 392 MW d’électricité à partir de trois tours, ce qui en fait la plus grande tour de centrale solaire lors de sa mise en service fin 2013.
Dessins de plat
CSP-Stirling est réputée pour être la plus efficace de toutes les technologies solaires (environ 30%, contre environ 15% pour le photovoltaïque solaire) et devrait pouvoir produire l’énergie la moins chère parmi toutes les sources d’énergie renouvelables dans la production à grande échelle. zones chaudes, semi-déserts, etc. Un système Stirling à antenne parabolique utilise une grande parabole réfléchissante (similaire à une antenne parabolique). Il concentre toute la lumière du soleil qui frappe le plat sur un seul point au-dessus du plat, où un récepteur capte la chaleur et la transforme en une forme utile. Typiquement, la parabole est couplée à un moteur Stirling dans un système Dish-Stirling, mais parfois aussi une machine à vapeur est utilisée. Celles-ci créent une énergie cinétique de rotation qui peut être convertie en électricité à l’aide d’un générateur électrique.
En 2005, Southern California Edison a annoncé un accord pour l’achat de moteurs Stirling à énergie solaire auprès de Stirling Energy Systems sur une période de vingt ans et en quantité suffisante (20 000 unités) pour générer 500 mégawatts d’électricité. En janvier 2010, Stirling Energy Systems et Tessera Solar ont mis en service la première centrale de démonstration de 1,5 mégawatt (« Maricopa Solar ») utilisant la technologie Stirling à Peoria, en Arizona. Au début de 2011, la filiale de développement de Stirling Energy, Tessera Solar, a vendu ses deux grands projets, le projet Imperial de 709 MW et le projet Calico de 850 MW respectivement à AES Solar et à K.Road. En 2012, l’usine de Maricopa a été achetée et démantelée par United Sun Systems. United Sun Systems a lancé un système de nouvelle génération, basé sur un moteur Stirling en forme de V et une production de pointe de 33 kW. La nouvelle technologie CSP-Stirling fait baisser le LCOE à 0,02 USD en services publics.
Selon son développeur, Rispasso Energy, une société suédoise, en 2015, son système Dish Sterling testé dans le désert du Kalahari en Afrique du Sud a montré une efficacité de 34%.
Technologies Fresnel
Une centrale à réflecteur linéaire de Fresnel utilise une série de miroirs longs, étroits et à faible courbure (ou même plats) pour concentrer la lumière sur un ou plusieurs récepteurs linéaires positionnés au-dessus des miroirs. Au-dessus du récepteur, un petit miroir parabolique peut être fixé pour concentrer davantage la lumière. Ces systèmes visent à réduire les coûts globaux en partageant un récepteur entre plusieurs miroirs (par rapport aux concepts de creux et de parabole), tout en utilisant la géométrie de mise au point simple avec un axe pour le suivi. Ceci est similaire à la conception du creux (et différent des tours centrales et des plats à double axe). Le récepteur est immobile et les raccords de fluide ne sont donc pas nécessaires (comme dans les bacs et la vaisselle). Les miroirs n’ont pas non plus besoin de supporter le récepteur, ils sont donc structurellement plus simples. Lorsque des stratégies de visée appropriées sont utilisées (des miroirs dirigés vers différents récepteurs à différents moments de la journée), cela peut permettre un regroupement plus dense de miroirs sur la zone de terrain disponible.
Les technologies de poursuite à un seul axe rivales comprennent les technologies relativement récentes de réflecteur linéaire de Fresnel (LFR) et de compact-LFR (CLFR). Le LFR diffère de celui du creux parabolique en ce sens que l’absorbeur est fixé dans l’espace au-dessus du champ du miroir. En outre, le réflecteur est composé de nombreux segments de rangée basse, qui se concentrent collectivement sur un long récepteur de tour surélevé parallèle à l’axe de rotation du réflecteur.
Des prototypes de concentrateurs de lentilles de Fresnel ont été produits pour la collecte de l’énergie thermique par International Automated Systems.Aucun système thermique à pleine échelle utilisant des lentilles de Fresnel n’est connu pour fonctionner, bien que des produits incorporant des lentilles de Fresnel en association avec des cellules photovoltaïques soient déjà disponibles.
MicroCSP
MicroCSP est utilisé pour les centrales électriques de taille communautaire (de 1 MW à 50 MW), pour les applications industrielles, agricoles et de production de chaleur, et lorsque de grandes quantités d’eau chaude sont nécessaires, telles que piscines, parcs aquatiques, grandes installations de blanchisserie, stérilisation, distillation et autres utilisations similaires.
Auge parabolique fermée
Le système solaire thermique à la parabole ci-joint encapsule les composants dans une serre de type commercial. La protection des composants des éléments susceptibles d’avoir un impact négatif sur la fiabilité et l’efficacité du système. Cette protection comprend notamment le lavage nocturne du toit en verre avec des systèmes de lavage automatisés optimisés et économes en eau. Des miroirs légers, réfléchissants et réfléchissants sont suspendus au plafond de la serre par des fils. Un système de suivi à la position unique des miroirs pour récupérer la quantité optimale de lumière solaire. Les miroirs concentrent la lumière du soleil et la concentration sur un réseau de tuyaux en acier fixes, également suspendus à la structure de la serre. L ‘water est pompée à travers les tuyaux et bouillie pour la production de vapeur lorsque le rayonnement solaire intense est appliqué.La vapeur est disponible pour la chaleur du procédé. Les outils de protection contre le risque, ils peuvent atteindre les températures plus élevé et éviter la poussière de s’accumuler sur les rétroviseurs en raison de l’exposition à des problèmes.