Le Champs héliostatique et ces Configurations de base

Le concept des tours solaires peut être réalisé en plusieurs configurations, définies essentiellement par le récepteur, comme indiqué sur la Figure 1.10. Si le récepteur est constitué d'un absorbeur externe (cylindrique en général), la surface absorbante peut être vue de toutes les directions, ce qui entraîne un champ d'héliostats en anneau ou circulaire. La configuration de ce champ est définie principalement par son efficacité relative à diriger la lumière du soleil vers le récepteur (Figure 1.10a). Pour un degré de puissance donné, il en résulte une tour moins coûteuse. L'inconvénient associé est que la surface chauffée est exposée aux pertes thermiques convectives et radiative.

L'alternative principale est un récepteur à cavité dans lequel la surface chauffée se trouve à l’intérieure d’une enceinte contenant une seule ouverture pour permettre la rentrée des rayons concentrés (Figures 1.10b et 1.10c).Ceci a pour effet que les héliostats loins du cône défini par la normale à l'ouverture vont être pénalisés par le cosinus de ce cône (50% à 60⁰).

Généralement, l'ouverture est dirigée avec un angle prédéfini vers le bas et vers le champ d’héliostats(champ orienté nord dans l'hémisphère sud, champ orienté sud dans l'hémisphère nord) positionnés de tel sorte à illuminer le plus efficacement possible l'ouverture du récepteur (Figure 1.10c). Pour la configuration orientée nord ou sud, l’efficacité optique des héliostats à midi est meilleure que celle de la configuration circulaire ou en anneaux, mais elle est moins efficace le matin et le soir. Pour une même surface d’héliostats l’énergie annuelle collectée par la configuration orientée vers l’un des pôles à midi est inférieur à celle de la configuration circulaire.

Une troisième alternative est le concept de concentration réorientée vers le bas (beam-down concept). Dans cette configuration tous les héliostats concentrent les rayons solaires en un point (un foyer virtuel) mais un miroir secondaire (généralement) hyperbolique intercepte la lumière et la redirige (réoriente) vers le sol (Figure 1.10d). La lumière du soleil redirigée est

Chapitre 1. Développement de technologies de concentration d'énergie solaire

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capturée par un récepteur orienté vers le haut et souvent équipé d’un concentrateur parabolique composé (compound parabolic concentrator CPC) pour récupérer les pertes par

Figure 1.10. Configurations de tour solaires proposées pour l'installation de Solar One : (a) Récepteur externe avec champ circulaire ou en anneau, (b) Récepteur à cavité orienté vers le bas avec un champ en anneau, et (c) Récepteur à cavité avec un champ dirigé vers le nord (modifié à partir des croquis de Sandia), (d) Un champ en anneau avec les rayons solaires orienté vers le bas

grâce à un hyperbole secondaire (beam-down concept) [13].

débordement (Spillage losses) d’une partie de la concentration. C'est important parce que le miroir secondaire agrandit l'image initiale qui aurait été formée au point focal par une amplification linéaire (linear magnification, LM). Si l'on veut rendre le secondaire petit, il doit être placé à proximité du point focal virtuel pour intercepter toute la lumière du champ héliostatique. Cependant, cela se traduit par une grande amplification linéaire (LM) de

l'image finale et réduit la concentration par le carré du LM. Donc, un LM plus petit nécessite un grand secondaire qui est plus coûteux et créera un ombrage considérable sur le champ héliostatique [13].

Les performances d’une centrale à tour dépendent fortement de l'efficacité du champ solaire qui à son tour est lié à la conception de l'héliostat, la distribution héliostatique sur le terrain, le système de poursuite et le système de contrôle. Le champ solaire est constitué d'un grand nombre de miroirs de poursuite, appelés héliostats. Un seul héliostat comprend un ensemble de miroirs, un système de poursuite, un cadre, une fondation de structure et un système de contrôle. La performance du champ héliostatique est une fonction de l'efficacité optique.

L'effet cosinus, l'effet d'ombrage, l'effet de blocage, la réflectivité du miroir, l'atténuation atmosphérique et le déversement du récepteur (spillage) sont les principaux facteurs affectant l'efficacité optique d'un héliostat.

Il est bien connu que 50% du coût d'investissement total et 40% des pertes énergétiques totales d’une centrale à tour sont attribuées au champ héliostatique. Il est alors essentiel d'optimiser sa conception pour réduire le coût en capital et améliorer l'efficacité globale de la centrale [24,25].

1.5.2 La tour

Les conceptions de pylônes proposées sont soit en acier en utilisant des techniques de conception de derrick, soit en béton en utilisant des techniques de conception de cheminées. Les analyses de coûts indiquent que les tours à ossature d'acier coûtent moins cher à des hauteurs inférieures à environ 120 m (400 ft) et que les tours à béton coûtent moins cher pour les hauteurs supérieures. Les résultats d'une telle analyse des coûts décrite dans la référence [27] sont présentés dans la figure 1.11.

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Figure 1.11. Le coût de la tour pour différentes hauteurs [28].

1.5.3 Le récepteur

La technologie des tours solaire à concentration atteint des niveaux de concentrations de 600 à 1200 fois supérieures au rayonnement direct normal (DNI : Direct Normal Irradiation).

Cette concentration élevée de flux crée des défis de conception et de fonctionnement pour assurer que le flux solaire concentré soit réparti uniformément sur la surface de l'absorbeur.

Cela évitera une défaillance thermique au niveau du récepteur utilisé. On outre, le récepteur doit être capable d’uniformiser la distribution de flux solaire fortement concentrée sur la surface de l'absorbeur de telle sorte que des limites de flux concentré bien définies préalablement ne seront pas dépassées.

La conception du récepteur d’une tour solaire à concentration a traditionnellement été l'une des deux configurations possibles - soit une surface cylindrique entièrement exposée, ou une surface concave imbriquée à l'intérieur d’une cavité protectrice. La surface cylindrique exposée, communément appelée récepteur externe, consiste en un certain nombre de panneaux tubulaires individuels disposés dans un cylindre vertical au sommet d'une tour.

Ces panneaux sont généralement exposés aux conditions ambiantes sans vitrage ni protection. Le récepteur à cavité, comme le récepteur externe, est souvent un assemblage de plusieurs panneaux tubulaires. Cependant, cette configuration offre un certain degré de protection contre les conditions ambiantes, car elle est située à l'intérieur d'une cavité ouverte qui réduit les pertes de rayonnement et de convection.

Les deux configurations ont leurs avantages et leurs inconvénients, et peuvent être mieux adaptées à condition de prendre en compte les variables de coût et de localisation. Par exemple, l'efficacité thermique du récepteur externe est améliorée en augmentant

l'exposition de ce dernier à son environnement c.à.d. au champ héliostatique. Le récepteur à cavité gagne en efficacité avec son isolation améliorée par rapport aux conditions ambiantes, mais sa géométrie limite la disposition du champ héliostatique ce qui pénalise l’énergie annuelle interceptée. La figure 1.12 montre un exemple de configurations de récepteur externe et à cavité [29].

Figure 1.12. Deux exemples de récepteurs pour la tour solaire : (à gauche) le récepteur externe, (à droite) le récepteur à cavité, [29].