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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Centrales solaires. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives La quantité totale d'énergie solaire atteignant la surface de la Terre en une semaine dépasse l'énergie de toutes les réserves mondiales de pétrole, de gaz, de charbon et d'uranium. La chaleur solaire peut être stockée de plusieurs façons. Les technologies modernes comprennent les concentrateurs paraboliques, les miroirs paraboliques solaires et les tours d'énergie solaire. Ils peuvent être combinés avec des installations de combustion de combustibles fossiles et, dans certains cas, adaptés pour le stockage de chaleur. Le principal avantage d'une telle hybridation et d'un tel stockage thermique est qu'une telle technologie peut fournir une planification de la production d'électricité (c'est-à-dire que la production d'électricité peut être effectuée aux moments où elle est nécessaire). L'hybridation et le stockage de la chaleur peuvent augmenter la valeur économique de l'électricité produite et réduire son coût moyen. Concentrateurs solaires paraboliques
Ces installations utilisent des miroirs paraboliques (plateaux) qui concentrent la lumière solaire sur des tubes récepteurs contenant un fluide caloporteur. Ce liquide est chauffé à près de 400°C et pompé à travers une série d'échangeurs de chaleur ; cela produit de la vapeur surchauffée, qui entraîne un turbogénérateur conventionnel pour produire de l'électricité. Pour réduire les pertes de chaleur, le tube récepteur peut être entouré d'un tube de verre transparent placé le long de la ligne focale du cylindre. En règle générale, ces installations comprennent des systèmes de suivi solaire uniaxiaux ou biaxiaux. Dans de rares cas, ils sont stationnaires. Construits dans les années 80 dans le désert du sud de la Californie par Luz International, neuf de ces systèmes constituent aujourd'hui la plus grande centrale solaire thermique au monde. Ces centrales électriques fournissent de l’électricité au réseau électrique public du sud de la Californie. En 1984, Luz International a installé un système de production d'électricité solaire I (ou SEGS I) de 13,8 MW à Deggett, en Californie du Sud. Dans les tubes récepteurs, l’huile était chauffée à une température de 343°C et de la vapeur était générée pour produire de l’électricité. La conception "SEGS I" prévoyait 6 heures de stockage de chaleur. Il utilisait des fours à gaz naturel, utilisés en l’absence de rayonnement solaire. La même société a construit des centrales électriques similaires "SEGS II - VII" d'une capacité de 30 MW. En 1990, les « SEGS VIII et IX » ont été construits à Harper Lake, chacun d'une capacité de 80 MW.
Les estimations de la technologie montrent qu'elle est plus chère que les centrales solaires de type tour et parabole (voir ci-dessous), principalement en raison de la plus faible concentration de rayonnement solaire, et donc des températures plus basses et, par conséquent, de l'efficacité. Cependant, avec une plus grande expérience d'exploitation, une technologie améliorée et des coûts d'exploitation réduits, les concentrateurs paraboliques pourraient être la technologie la moins chère et la plus fiable du futur proche. Type de plaque solaire
Ce type de centrale solaire est un empilement de miroirs paraboliques (de forme similaire à une antenne parabolique) qui concentrent l'énergie solaire sur des récepteurs situés au point focal de chaque antenne. Le liquide dans le récepteur est chauffé jusqu'à 1000 degrés et est directement utilisé pour générer de l'électricité dans un petit moteur et un générateur connectés au récepteur. Les moteurs Stirling et Brayton sont actuellement en cours de développement. Plusieurs systèmes pilotes allant de 7 kW à 25 kW sont en fonctionnement aux États-Unis. Une efficacité optique élevée et un faible coût initial font des systèmes miroir/moteur les plus efficaces de toutes les technologies solaires. Le moteur Stirling et le système de miroirs paraboliques détiennent le record mondial de la conversion la plus efficace de l'énergie solaire en électricité. En 1984, le Rancho Mirage en Californie a atteint un rendement pratique de 29 %.
De plus, grâce à la conception modulaire, ces systèmes représentent la meilleure option pour répondre aux besoins en énergie des consommateurs autonomes (de l'ordre du kilowatt) et hybrides (de l'ordre du mégawatt), connectés aux réseaux de distribution. Cette technologie a été mise en œuvre avec succès dans un certain nombre de projets. L'un d'eux est le projet STEP (Solar Total Energy Project) dans l'État américain de Géorgie. Il s'agit d'un grand système de miroirs paraboliques qui a fonctionné en 1982-1989. dans la Shenandoah. Il se composait de 114 miroirs de 7 mètres de diamètre chacun. Le système produisait de la vapeur à haute pression pour la production d'électricité, de la vapeur à moyenne pression pour l'industrie du tricot et de la vapeur à basse pression pour le système de climatisation de la même usine de tricotage. D'autres sociétés se sont également intéressées au partage de miroirs paraboliques et de moteurs Stirling. Par exemple, Stirling Technology, Stirling Thermal Motors et Detroit Diesel, ainsi que Science Applications International Corporation, ont formé une coentreprise de 36 millions de dollars pour développer un système de 25 kilowatts basé sur le moteur Stirling. Tours solaires avec récepteur central
Ces systèmes utilisent un champ tournant de réflecteurs héliostats. Ils concentrent la lumière du soleil sur un récepteur central construit au sommet de la tour, qui absorbe l'énergie thermique et entraîne un turbogénérateur. Un système de suivi biaxial contrôlé par ordinateur positionne les héliostats de manière à ce que les rayons solaires réfléchis soient stationnaires et tombent toujours sur le récepteur. Le liquide circulant dans le récepteur transfère de la chaleur à l'accumulateur de chaleur sous forme de vapeur. La vapeur entraîne une turbine pour produire de l'électricité ou est directement utilisée dans des processus industriels. Les températures du récepteur varient de 538 à 1482°C. La première centrale à tour, appelée « Solar One », près de Barstow, en Californie du Sud, a démontré avec succès l'application de cette technologie à la production d'électricité. L'entreprise était en activité au milieu des années 1980. Il utilisait un système eau-vapeur d’une capacité de 10 MW. En 1992, un consortium de sociétés énergétiques américaines a décidé de moderniser Solar One pour faire la démonstration d'un récepteur de sels fondus et d'un système de stockage thermique. Grâce au stockage de chaleur, les centrales à tour sont devenues une technologie solaire unique qui permet de distribuer de l'électricité avec un facteur de charge allant jusqu'à 65 %. Dans un tel système, le sel fondu est pompé depuis un réservoir « froid » à 288°C et passe à travers un récepteur où il est chauffé à 565°C puis renvoyé vers le réservoir « chaud ». Le sel chaud peut désormais être utilisé pour produire de l’électricité selon les besoins. Dans les modèles modernes de telles installations, la chaleur est stockée pendant 3 à 13 heures.
Solar Two, une tour électrique de 10 MW située en Californie, est le prototype des grandes centrales électriques industrielles. Il a fourni de l'électricité pour la première fois en avril 1996, marquant le début d'une période de trois ans de tests, d'évaluation et de production d'énergie pilote pour démontrer la technologie des sels fondus. La chaleur solaire est stockée dans du sel fondu à une température de 3°C, grâce à laquelle la centrale peut produire de l'électricité jour et nuit, par tous les temps. La réussite du projet "Solar Two" devrait faciliter la construction industrielle de telles tours dans la gamme de puissance de 550 à 30 MW. Comparaison des spécifications Les tours et les concentrateurs paraboliques-cylindriques fonctionnent de manière optimale dans le cadre de grandes centrales électriques connectées au réseau d'une capacité de 30 à 200 MW, tandis que les systèmes de type disque se composent de modules et peuvent être utilisés à la fois dans des installations autonomes et dans des groupes avec un capacité totale de plusieurs mégawatts. Les cuvettes paraboliques sont de loin la technologie d'énergie solaire la plus avancée et sont susceptibles d'être utilisées dans un proche avenir. Les centrales électriques de type tour, en raison de leur capacité de stockage de chaleur efficace, peuvent également devenir des centrales solaires dans un avenir proche. La nature modulaire des "plateaux" leur permet d'être utilisés dans des installations plus petites. Les tours et les "assiettes" permettent d'atteindre des valeurs d'efficacité plus élevées pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique à un coût inférieur à celui des concentrateurs paraboliques. Cependant, on ne sait toujours pas si ces technologies permettront d'obtenir la réduction requise des coûts d'investissement. Les concentrateurs paraboliques sont maintenant une technologie éprouvée, attendant leur chance de s'améliorer. Les centrales électriques à tour doivent démontrer l'efficacité et la fiabilité opérationnelle de la technologie des sels fondus à l'aide d'héliostats peu coûteux. Pour les systèmes de type champignon, il est nécessaire de créer au moins un moteur commercial et de développer un concentrateur peu coûteux.
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