La réception à concentration

Une concentration optique optimale est atteinte avec des miroirs à profils paraboloïdes, de par le stigmatisme des rayons concentrés provenant d'un faisceau lumineux quasi unidirectionnel.

D'autres géométries de concentrateurs sont possibles, principalement sphère, demi-cylindre de révolution et cône. Du fait de leur caractère astigmate ces profils présentent des taux de concentration moindres que les paraboloïdes, mais peuvent être adaptés à certaines applications particulières [48] [50].

Les études modernes plus précises, permettent une définition complète de géométries optimales pour les applications visées. Il est notable cependant qu'une grande majorité de concentrateurs actuels sont basés sur le principe du stigmatisme ou des variantes pseudo-stigmatiques : héliostats plans, facettes, concentrateur linéaire de Fresnel (CLFR).

En réalité, le soleil est une source lumineuse étendue, dont la part de rayonnement directe nous parvient avec un angle apparent de 32', soit 0,53° [50].

La lumière arrive donc sur l'absorbeur, au niveau du plan focal, sous forme d'une tache image, présentant une déformation globale plus ou moins importante (aberrations, coma...) selon la géométrie du réflecteur et de l'absorbeur (profil, ouverture) et l'angle d'incidence des rayons solaires.

La concentration géométrique C_{g est alors définie par le rapport de la surface utile de captage}

du rayonnement à la surface éclairée de l'absorbeur. La tache image présente également des irrégularités de second ordre dues aux imperfections géométriques des surfaces réglées (imperfection du profil, états de surface).

Il faut souligner l'importance des propriétés optiques des miroirs des revêtements de protection (propriétés optiques, résistance aux intempéries, aux UV...), ces mêmes propriétés pouvant elles-même varier selon l'angle d'incidence de la lumière reçue et sa composition spectrale, ainsi que la température :

Les réflecteurs classiques à dépôt d'argent au dos d'une surface en verre sont très performants (réflectivité globale > à 95%) et fiables mais coûteux [34] [54].

L'aluminium poli présente également de bonnes propriétés de réflexion (réflectivité moyenne de 95%) mais est très sensibles à l'oxydation [34] [54]. Une alternative au revêtement en verre est une couche polymère, bon marché et menant à des performances correctes (réflectivité de 85%), mais posant un problème de longévité par dégradation due aux rayonnements ultraviolets [34].

Enfin, des feuilles d'inox poli (réflectivité de 70%) [54] ou d'acier galvanisés peuvent convenir, pour des exigences moindres en terme de température et rendement.

Une variante à la concentration par réflexion, de fonctionnement similaire, est l'utilisation de lentilles (à réfraction ou à réflexion, à une ou deux dimensions...) , au point qu'il est fréquent que des concentrateurs à réflecteurs de Fresnel soient abusivement dénommés "lentilles". La différence essentielle étant que le récepteur des rayons concentrés se trouve alors derrière le concentrateur et l'encombrement du dispositif est donc traité différemment.

D'une manière générale, un capteur à concentration est caractérisé par :

• Un facteur optique, produit des caractéristiques cohérentes de chaque composant de la chaîne optique, tenant compte des diverses imperfections ; typiquement : réflectivité globalisée du concentrateur (ρ), transmittance moyenne de l'enveloppe de l'absorbeur (τ), absorbtance du collecteur au rayonnement solaire (α). Le facteur optique détermine le rendement maximal du dispositif héliothermique, pour le cas limite de captage à température ambiante.

l'angle apparent du disque solaire et la surface utile de l'absorbeur.

• La fabrication de l'absorbeur (isolation arrière, tirage au vide, sélectivité...) détermine son facteur de pertes convectives (u) ainsi que son facteur de pertes radiatives (émissivité à la température d'usage).

Ces paramètres peuvent être pré-évalués en fonction des choix technologiques envisagés [48] ou déterminés expérimentalement. Ils sont régulièrement fournis par les fabricants des absorbeurs. Il devient alors possible d'évaluer le rendement thermique global du capteur pour une insolation donnée et selon la température souhaitée.

Il est usuel de déterminer, si possible de prévoir, la température de stagnation de l'ensemble, en particulier pour l'ensoleillement maximal, afin de déterminer ou vérifier le choix des matériaux de l'absorbeur quant à leur tenue thermique.

L'efficacité des capteurs à concentration modernes repose sur l'optimisation géométrique des surfaces réfléchissantes (profil, ouverture, revêtements, états de surface) et leur couplage avec les absorbeurs, avec la sélectivité adaptée. Cette optimisation est complémentaire au dispositif de suivi horaire du soleil pour que la lumière soit effectivement concentrée au lieu de l'absorbeur.

2.2.3.1 Concentrateurs à une direction

Encore appelée concentration "un axe" du fait que ces concentrateurs sont souvent équipés d'un système de suivi solaire à un seul axe.

La surface de captage est focalisée vers un absorbeur de même longueur que le concentrateur (ou éventuellement plus long pour compenser partiellement la perte d'éclairement par incidence longitudinale des rayons concentrés) mais de largeur réduite. Si les rayons captés sont tous parfaitement parallèles, un cylindre parabolique (CP) les concentre sur une ligne, d'où l'appellation "linéaire"qui est parfois donnée aux concentrateurs 1D.

Le plus fréquent et le plus développé commercialement des concentrateurs est le cylindre parabolique (figure 2.3).

Figure 2.3 : Vue d'une boucle de captage à cylindro-paraboliques de la centrale Andasol-1. On notera le grand rapport longueur / largeur de la boucle, et les raccord articulés au niveau des absorbeurs.(Solar Millenium)

Les modules destinés aux centrales solaires de haute puissance sont optimisés en performance pour être commercialement viable : En terme de dimensionnement cela correspond à une ouverture importante (4,5m environ), compromis entre performance et résistance au vent. La taille des capteurs impose des dispositions particulières pour le nettoyage des miroirs et des absorbeurs. Les puissances importantes autorisent l'utilisation de surfaces réflectives élaborées et

d'absorbeurs à hautes performances.

Figure 2.4 : Capteurs à CLFR utilisés pour la surchauffe de vapeur d'une centrale initialement alimentée au charbon. On note l'étendue en largeur des réflecteurs dont l'axe de pivotement est à hauteur d'homme, et les absorbeurs à renforcement optique.

(Ausra)

Une variante est le système à concentrateur linéaire de Fresnel (CLFR : figure 2.4). Des faisceaux de réflecteurs mobiles permettent des largeurs de concentrateurs encore plus grande avec moins de problème de prise au vent, seul l'absorbeur étant situé en hauteur. Cette technologie est toutefois encore en phase de développement pré-commercial [53].

Figure 2.5 : Un petit capteur cylindro-parabolique modulaire : le SopoNova 4.0 . Destiné aux micro-systèmes décentralisés de production d'électricité, cogénération, climatisation. Ces modules de 5,57m² sont prévus pour fonctionner entre 90°C et 200°C sous une insolation de 850 W/m². Une puissance de moyenne 0,512 kWth par module permet d'adapter le champ de captage au plus près du besoin. (Sopogy)

Figure 2.6 : Capteurs CP installés par l'ONG Solar Turbine Group International dans le village de Ha Teboho (Lesotho) essentiellement pour la production d'eau chaude, permettant d'éviter la combustion de bois. Le cogénérateur à turbine ORC générait quelques 600W d'électricité pour 20kW thermiques. Un maximum d'éléments sont issus de récupération.(STG International)

Il existe également, outre les nombreuses réalisations amateurs, des cylindres paraboliques de petite taille fabriqués au niveau commercial. De tels capteurs peuvent être fabriqués très simplement, avec des structures légères (figures 2.5 et 2.6) permettant des raccords simplifiés entre les modules.

Contrairement aux CP de haute puissance, les réflecteurs de petites tailles sont souvent réalisés avec des matériaux simples tels que de l'acier galvanisé ou inoxydable.

De nombreux arrangements sont envisageables, tant pour la disposition du champ de concentrateurs (en ligne, boucles, râteau symétrique...) [55] que pour le type d'absorbeur ( vitrage ou non du concentrateur ; enveloppe tubulaire en verre, simple ou évacuée, type "baïonnette"...).

A noter qu'une monture équatoriale (figure 2.6), même avec une poursuite en déclinaison approximative (orientation manuelle mensuelle ou saisonnière) est avantageuse en terme d'efficacité de captage, et particulièrement adaptée aux régions subtropicales (inclinaison maximale du soleil de seulement 46° au niveau des tropiques).

Des réflecteurs CLFR de petite taille sont également envisageables, un concentrateur plan remplaçant le CP (figure 2.7). Ce type de concentrateur est toutefois d'une mise au point délicate. L'utilisation d'un concentrateur secondaire (ou renforcement) est alors indiqué pour compenser les défauts de focalisation (figure 2.8).

Figure 2.7 : Un concentrateur extra-plat (CEP) . On note l'orientation selon l'axe médian du concentrateur et les raccords souples de l'absorbeur. (EPFL-LENI)

Figure 2.8 : Vue en coupe transversale (simulation) d'un CPC utilisé pour corriger la focalisation des rayons concentrés. (Fraunhofer ISE / DLR)

Les concentrateurs à stigmatisme (parabole) et assimilés permettent une concentration plus élevée que les réflecteurs astigmates (cylindres par exemple) : Un CP optimisé permettrait une concentration idéale proche de 107, tandis qu'un concentrateur linéaire de révolution défocalisé atteindrait un Cg d'environ 55. En pratique, compte tenu des imperfections géométriques et de la réalisation pratique, les CP ont un facteur de concentration compris entre 20 et 70 [48].

2.2.3.2 Concentration à deux axes

Le concentrateur parabolique constitue un élément clef des systèmes à haute température : Pour ce qui est de la surface réfléchissante le compromis est difficile entre performance, fiabilité et coût. Une des difficultés à réaliser les miroirs "deux axes" provient de la géométrie globale des miroirs.

Pour les petites puissances le concentrateur est unique, il s'agit d'obtenir des surfaces à double courbure. Plusieurs structures de miroir existent (figure 2.9) :

Une parabole unique peut être réalisée par un assemblage de "pétales" (ex : EURODISH ) ou de facettes trapézoïdales (ex : ADDS , Albuquerque) de miroirs élémentaires fixés entre eux sur

une structure parabolique.

Un méthode permet d'obtenir une seule surface réfléchissante : une membrane métallique ou polymère déformée par dépression épouse approximativement un forme paraboloïde (DISTAL 2, PSA Almería). Cette technique (dite "stretched-membrane") est assez simple à mettre en œuvre, mais a révélé des problème de stabilité et durée de vie des matériaux pour les grandes surfaces ; elle est donc désormais réservée aux petites surfaces et encore expérimentale.

Une alternative est l'emploi de miroirs concentrateurs élémentaires montés sur une structure parabolique, réglés ou orientés individuellement. Les éléments peuvent être de type rigides (Suncatcher, Arizona ou AZ-TH à Solúcar) ou de petits miroirs paraboliques de type "stretch-membrane" (SunDish, Arizona).

Figure 2.9 : Variantes de réflecteurs "deux axes" (de gauche à droite et de haut en bas) : Facettes "stretch-menbrane" du SunDish (SAIC), "Pétales" de dish-Stirling (Infinia), facettes rigides du projet AZ-TH (Abengoa), et Tour solaire PS10 (Abengoa)

Un autre facteur influant fortement sur la performance globale du système est la stratégie adoptée sur le suivi solaire deux-axes. La régulation en boucle fermée s'appuie sur des mesures en temps réel (thermocouple, pyrhéliomètre) tandis que la régulation en boucle ouverte utilise les coordonnées calculées du soleil. La stratégie en boucle fermée est en principe la plus performante, mais complexe à mettre en œuvre en permanence ; en comparaison la régulation en boucle ouverte peut engendrer une baisse de plusieurs point sur le rendement global . Une stratégie hybride (un jour en boucle fermée / plusieurs jours en boucle ouverte) ayant une performance intermédiaire.

Pour les hautes puissances (tours solaires), le concentrateur est réalisé par un champ d'héliostats, constituant en quelque sorte une "parabole macroscopique", variante de réflecteur de

Fresnel à deux dimensions . Si le problème du gauchissement des surfaces élémentaires est éliminé, reste les problématiques du revêtement réfléchissant et surtout de l'orientation selon deux axes : Chaque héliostat doit avoir son propre système d'orientation, et une centrale de commande doit gérer l'ensemble du champ solaire en fonction de l'horaire et de la puissance demandée.

Les réflecteurs à structures coniques, selon plusieurs variantes constituent une autre possibilité de réaliser des concentrateurs bidimensionnels :

Un simple cône d'angle au sommet 45° réfléchit des rayons parallèles à l'axe sur un segment de droite colinéaire à ce même axe. Un tel dispositif présente un taux de concentration théorique de 200, en pratique seule une surface tronconique est utilisable, avec toujours la diffusion angulaire des rayons solaires, donc une concentration moindre. Historiquement ce type de concentrateurs est parmi les premiers à avoir été utilisés pour la conversion thermomécanique de l'énergie solaire [17] (figure 1.8). Des réflecteurs tronc-coniques multiples, de petite taille, sont envisagés aujourd'hui pour constituer des panneaux PV à concentration.

Des concentrations plus importantes sont possibles par juxtaposition de troncs de cônes d'angle au sommet différents, permettant d'approcher un profil parabolique [48], contigus ou selon une disposition de type Fresnel. Il est notoire que la réalisation pratique de troncs de cône élémentaires restreint cette solution à des réflecteurs de petite taille.

Dans la pratique, la surface de l'absorbeur ne peut pas être éclairée de manière homogène : D'une part, le rayonnement solaire arrive sur Terre avec un angle apparent à l'intérieur duquel le rayonnement n'est pas homogène, d'autre part les concentrateurs optiques réels présentent des imperfections (coma, aberrations) [48] [50]. Aussi la surface d'un absorbeur n'est jamais régulièrement éclairée et, selon la configuration du concentrateur, une partie plus ou moins importante du rayonnement réfléchi n'atteint pas l'absorbeur. On peut définir la fraction énergétique comme le rapport de l'éclairement réellement utilisée à la captation d'énergie – c'est-à-dire reçu par l'absorbeur – à la totalité du rayonnement réfléchi. La concentration géométrique obtenue avec un miroir paraboloïde parfait, optimisée en ouverture (théoriquement pour un demi-angle au sommet de 45°) [48] [50] est de 10000 dans le plan focal. Il est toutefois possible d'atteindre des concentrations plus élevées (de l'ordre de 20000 pour un réflecteur paraboloïde, voire théoriquement jusqu'à 48248 [48]) en augmentant l'ouverture, mais en diminuant la fraction énergétique. Au contraire l'augmentation de la fraction énergétique induit une baisse de la concentration. De plus, pour une température d'usage donnée, le rendement de conversion héliothermique augmente avec la concentration [48]. L'optimisation réelle d'un concentrateur doit donc tenir compte de l'usage et faire des compromis selon la manière dont on aborde les contraintes techniques (tenue en température de l'absorbeur, tolérances géométriques du concentrateur, précision du suivi solaire).

Ces considérations expliquent, par exemple, que les divers Dish-Stirling actuellement en développement affichent des performances voisines malgré des concentrations géométriques différentes, et cela en apparente contradiction avec les températures des cavités réceptrices [34].