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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Centrales solaires thermiques. Concentrateurs solaires. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Ces centrales électriques concentrent l’énergie solaire à l’aide de lentilles et de réflecteurs. Puisque cette chaleur peut être stockée, ces centrales peuvent produire de l’électricité selon les besoins, de jour comme de nuit, par tous les temps. De grands miroirs - ponctuels ou linéaires - concentrent les rayons du soleil à tel point que l'eau se transforme en vapeur, libérant suffisamment d'énergie pour faire tourner une turbine. Société "Luz Corp." installé d'immenses champs de tels miroirs dans le désert californien. Ils produisent 354 MW d'électricité. Ces systèmes peuvent convertir l'énergie solaire en électricité avec un rendement d'environ 15 %. Toutes les technologies décrites, à l'exception des bassins solaires, utilisent des concentrateurs pour atteindre des températures élevées, qui réfléchissent la lumière du Soleil d'une plus grande surface vers une plus petite surface du récepteur. Généralement, un tel système se compose d'un concentrateur, d'un récepteur, d'un liquide de refroidissement, d'un système de stockage et d'un système de transmission d'énergie.
La chaleur solaire peut être économisée de différentes manières. Les technologies modernes comprennent les concentrateurs paraboliques, les miroirs paraboliques solaires et les tours solaires. Ils peuvent être combinés avec des installations de combustion de combustibles fossiles et, dans certains cas, adaptés au stockage thermique. Le principal avantage d’une telle hybridation et d’un tel stockage thermique est qu’une telle technologie peut fournir une production d’électricité distribuable (c’est-à-dire que la production d’électricité peut être réalisée aux moments où cela est nécessaire). L’hybridation et le stockage thermique peuvent augmenter la valeur économique de l’électricité produite et réduire son coût moyen. Système parabolique (plateau) 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 à un ou deux axes. Dans de rares cas, ils sont stationnaires.
Les estimations de cette technologie montrent un coût plus élevé que celui des centrales solaires à tour et parabole, principalement en raison de concentrations plus faibles de rayonnement solaire, et donc de températures plus faibles et, par conséquent, d'efficacité. Cependant, avec une plus grande expérience d'exploitation, une technologie améliorée et des coûts d'exploitation inférieurs, les concentrateurs paraboliques pourraient devenir la technologie la moins coûteuse et la plus fiable d'un avenir proche. Construits dans les années 80 dans le désert du sud de la Californie par Luz International, neuf de ces systèmes constituent à ce jour la plus grande installation de production d'électricité solaire thermique. Ces centrales électriques fournissent de l’électricité au réseau électrique du sud de la Californie. En 1984, Luz International a installé le système de production d'énergie solaire Solar Electric Generating System I (ou SEGS I), d'une capacité de 13,8 MW, à Daggette (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 fournaises au gaz naturel, utilisées 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. En raison de nombreuses difficultés législatives et politiques, Luz International et ses filiales ont déposé leur bilan le 25 novembre 1991. Les stations SEGS I à IX sont désormais exploitées par d'autres sociétés dans le cadre de l'ancien contrat avec Southern California Edison. Les projets de construction des « SEGS X, XI, XII » ont dû être abandonnés, ce qui a entraîné la perte de 240 MW supplémentaires de capacité prévue.
Type de plaque solaire Ce type de système solaire consiste en une batterie de miroirs paraboliques (de forme similaire à une antenne parabolique) qui concentrent l’énergie solaire sur des récepteurs situés au point focal de chaque parabole. Le liquide dans le récepteur est chauffé à 1000°C et est directement utilisé pour produire de l'électricité dans un petit moteur et un générateur connectés au récepteur.
De plus, grâce à leur conception modulaire, ces systèmes constituent l’option optimale pour répondre aux besoins en électricité des consommateurs autonomes (kilowatt) et hybrides (mégawatt) connectés aux réseaux publics. 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 vaste système de miroirs paraboliques qui a fonctionné de 1982 à 1989. à 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 la production de tricot et de la vapeur à basse pression pour le système de climatisation de la même usine de tricot. En octobre 1989, le service public a fermé la centrale en raison de dommages à la turbine principale et d'un manque de fonds pour réparer la centrale. 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 %.
Une coentreprise entre Sandia National Lab et Cummins Power Generation tente actuellement de commercialiser le système de 7,5 kW. Cummins espère vendre 10 000 unités par an d'ici 2004. D'autres sociétés se sont intéressées à l'utilisation conjointe de miroirs paraboliques et de moteurs Stirling. Ainsi, Stirling Technology, Stirling Thermal Motors et Detroit Diesel, ainsi que Science Applications International Corporation, ont créé une coentreprise dotée d'un capital 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. Le système de suivi biaxial contrôlé par ordinateur positionne les héliostats de manière à ce que les rayons réfléchis du soleil 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 fait tourner une turbine pour produire de l'électricité ou est utilisée directement dans des processus industriels. Les températures du récepteur varient de 538 à 1482 XNUMX °C.
La première centrale électrique à tour, appelée Solar One, près de Barstow, en Californie du Sud, a démontré avec succès l'utilisation de cette technologie pour produire de l'électricité. L'entreprise était en activité au milieu des années 1980. Il utilisait un système eau-vapeur de 10 MWe. 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 électriques à tour sont devenues une technologie solaire unique qui permet la distribution d'électricité à des facteurs de charge allant jusqu'à 65 %. Dans un tel système, le sel fondu est pompé depuis un réservoir « froid » à une température de 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 centrale électrique à tour de 10 MW située en Californie, est un prototype pour les grandes centrales électriques industrielles. Elle a produit pour la première fois de l'électricité en avril 1996, marquant le début d'une période de trois ans d'essais, d'évaluation et de production pilote visant à démontrer la technologie des sels fondus. La chaleur solaire est stockée dans du sel fondu à une température de 3°C, ce qui permet à la centrale de produire de l'électricité de jour comme de 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 Le tableau résume les principales caractéristiques des trois options de production d’énergie solaire thermique. Les tours et les concentrateurs paraboliques fonctionnent de manière optimale dans les grandes centrales électriques connectées au réseau d'une capacité de 30 à 200 MW, tandis que les systèmes à plaques sont constitués de modules et peuvent être utilisés aussi bien dans des installations autonomes qu'en groupes d'une capacité totale de plusieurs mégawatts. Les centrales cylindriques paraboliques constituent aujourd’hui la technologie d’énergie solaire la plus développée et sont susceptibles d’être utilisées dans un avenir proche. Les centrales électriques de type tour, grâce à leur capacité de stockage thermique 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. Caractéristiques des centrales solaires thermiques
(p) = prévision ; (d) = fait Comparaison des principales technologies solaires thermiques
Quelques problèmes économiques et de conception des centrales solaires thermiques Le coût de l’électricité produite par les centrales solaires thermiques dépend de nombreux facteurs. Ceux-ci incluent les coûts d’investissement, les coûts d’exploitation et de maintenance ainsi que les performances du système. Il est toutefois important de noter que le coût de la technologie et le coût final de l’électricité produite sont soumis à l’influence significative de facteurs externes non directement liés à cette technologie. Par exemple, les concentrateurs paraboliques et les tours sous forme de petites installations autonomes peuvent être assez coûteux. Pour réduire leur coût et les rendre compétitifs par rapport aux centrales électriques modernes fonctionnant aux combustibles fossiles, il est nécessaire d'augmenter progressivement leur puissance et de construire des centres d'énergie solaire, où plusieurs installations énergétiques sont implantées sur un même site. De plus, à mesure que ces technologies remplacent les carburants traditionnels, les réglementations fiscales peuvent avoir un impact significatif sur leur compétitivité. Coût versus valeur Grâce au stockage thermique et à l’hybridation, les centrales solaires thermiques peuvent devenir une source d’électricité durable et flexible. Il est fiable et capable de produire de l’électricité lorsque cela est nécessaire. En conséquence, l’électricité distribuée est d’une grande valeur pour le service public car elle compense le besoin de construire et d’exploiter de nouvelles centrales électriques. Cela signifie que même si une centrale solaire thermique peut coûter plus cher qu’une centrale électrique traditionnelle, sa valeur peut être plus élevée. Avantages des centrales solaires Les centrales solaires thermiques créent deux fois et demie plus d’emplois qualifiés et bien rémunérés que les centrales électriques traditionnelles utilisant des combustibles fossiles. La California Energy Commission a mené une étude qui a révélé que même avec les crédits d'impôt existants, une centrale solaire thermique paierait environ 1,7 fois plus d'impôts fédéraux et locaux qu'une centrale à cycle combiné de capacité équivalente. Si ces centrales électriques recevaient les mêmes taxes, le coût de l’électricité qu’elles produisent serait à peu près le même. Potentiel Si seulement 1 % des déserts de la planète étaient utilisés pour produire de l’électricité solaire thermique propre, cela produirait plus d’électricité que ce qui est actuellement produit par la combustion de combustibles fossiles dans le monde. résultats Les technologies de production d’électricité solaire thermique basées sur la concentration de la lumière solaire en sont à différents stades de développement. Les concentrateurs paraboliques sont déjà utilisés à l'échelle industrielle : dans le désert de Mojave (Californie), la capacité d'installation est de 354 MW. Les centrales électriques de type tour solaire sont en phase de projet de démonstration. Un projet pilote baptisé « Solar Two » d'une capacité de 10 MW est en cours de test à Barstow (USA). Les systèmes de type parabole passent par le stade de projets de démonstration. Plusieurs projets sont en cours de développement. Une station prototype de 25 kilowatts fonctionne à Golden (USA). Les centrales solaires thermiques présentent un certain nombre de caractéristiques qui en font une technologie très attractive sur le marché mondial en pleine expansion des énergies renouvelables. En Ukraine, sous le régime soviétique, dans les années 80, une centrale solaire expérimentale d'une capacité de 5 MW a été construite près de la ville de Shchelkino, dans le district de Leninsky de la République autonome de Crimée. Pendant la perestroïka, lorsque la centrale solaire a perdu le soutien financier de l’État, elle n’a pas pu récupérer ses propres coûts d’exploitation. La centrale solaire a été fermée et volée. En 2005, la centrale solaire a finalement été démantelée conformément à la décision du ministère ukrainien des Combustibles et de l'Énergie. Les centrales solaires thermiques ont connu un parcours difficile au cours des dernières décennies. La poursuite des travaux de développement devrait rendre ces systèmes plus compétitifs par rapport aux énergies fossiles, accroître leur fiabilité et constituer une alternative sérieuse à la demande toujours croissante d'électricité.
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Commentaires sur l'article : Sergueï Mikhaïlovitch Dovbush, rocosov@yandex.ru Il y a assez de soleil partout pour tout le monde en été, et pour les mois froids d'hiver, il faut des réserves d'énormes accumulateurs de chaleur, équipés profondément sous terre.Pour cela, il est rentable d'utiliser des fosses à charbon épuisées.alimentation en eau chaude.
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