Toutes les technologies d’énergie solaire à concentration (CSP) utilisent une configuration de miroirs pour concentrer l’énergie lumineuse du soleil sur un récepteur et la convertir en chaleur. La chaleur peut ensuite être utilisée pour créer de la vapeur afin d’actionner une turbine pour produire de l’énergie électrique ou utilisée comme chaleur de processus industriel.
Les centrales solaires à concentration peuvent intégrer des systèmes de stockage d’énergie thermique à utiliser pour produire de l’électricité pendant les périodes nuageuses ou pendant des heures après le coucher ou avant le lever du soleil.Cette capacité à stocker l’énergie solaire fait de l’énergie solaire à concentration une source d’énergie renouvelable flexible et dispatchable.
Les systèmes CSP peuvent également être combinés avec des centrales à cycle combiné, ce qui donne des centrales hybrides qui fournissent une énergie dispatchable de grande valeur. Ils peuvent également être intégrés dans des centrales thermiques existantes qui utilisent un bloc d’énergie comme le CSP ; comme les centrales au charbon, au gaz naturel, aux biocarburants ou géothermiques.
Les centrales CSP peuvent également utiliser des combustibles fossiles pour compléter la production solaire pendant les périodes de faible rayonnement solaire. Dans ce cas, on utilise un chauffage au gaz naturel ou une chaudière/un réchauffeur à vapeur de gaz.
Il existe quatre types de technologies CSP, la plus ancienne utilisée étant celle à auge, et la plus rapide en 2017 étant celle à tour. Pour chacune d’entre elles, il existe diverses variantes de conception ou différentes configurations, selon que le stockage de l’énergie thermique est inclus ou non, et selon les méthodes utilisées pour stocker le solaire thermiquement.
Systèmes à auge parabolique:
Dans un système CSP à auge parabolique, l’énergie du soleil est concentrée par des réflecteurs en forme d’auge à courbure parabolique sur un tuyau récepteur – le tube absorbeur de chaleur – qui court le long d’environ un mètre au-dessus de la surface incurvée des miroirs. La température du fluide caloporteur circulant dans le tube, généralement de l’huile thermique, est portée de 293ºC à 393ºC, et l’énergie thermique est ensuite utilisée dans le bloc thermique pour produire de l’électricité dans un générateur de vapeur classique.
Un champ de capteurs solaires en auge comprend de multiples miroirs paraboliques en forme d’auge en rangées parallèles alignées pour permettre à ces miroirs en forme d’auge à axe unique de suivre le soleil d’est en ouest pendant la journée afin de s’assurer que le soleil est continuellement focalisé sur les tuyaux récepteurs. En 2018, 90 % du CSP en exploitation commerciale est en auge. Base de données de déploiement en auge.
Systèmes de tour de puissance:
Les systèmes de tour de puissance ou de récepteur central utilisent des miroirs de suivi du soleil appelés héliostats pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur au sommet d’une tour. Un fluide caloporteur chauffé dans le récepteur jusqu’à environ 600ºC est utilisé pour générer de la vapeur, qui, à son tour, est utilisée dans un turbo-générateur conventionnel pour produire de l’électricité.
Les premières tours électriques utilisaient la vapeur comme fluide caloporteur, qui ne se prête pas au stockage. Khi Solar One en Afrique du Sud et Ivanpah en Californie fonctionnent commercialement en chauffant directement l’eau pour obtenir de la vapeur. Mais Gemasolar (2011), Crescent Dunes (2013) et Noor III (2018) utilisent des sels fondus en raison de leurs capacités supérieures de transfert de chaleur et de stockage de l’énergie.
De nombreuses recherches portent sur divers autres matériaux de transfert de chaleur ou de stockage de l’énergie en raison du potentiel d’atteindre une température plus élevée avec les gains d’efficacité qui en résultent, entraînant une baisse des coûts. Ces matériaux de stockage d’énergie possibles vont de l’air aux particules de sable, en passant par des mélanges alternatifs de produits chimiques. Base de données sur le déploiement des tours.
Systèmes de Fresnel linéaires:
Similaire aux longs réseaux d’un système CSP à auge parabolique, un champ de collecteurs à concentration linéaire est constitué d’un grand nombre de collecteurs en rangées parallèles. Ceux-ci sont généralement alignés dans une orientation nord-sud pour maximiser la collecte d’énergie annuelle et estivale. Les miroirs sont posés à plat sur le sol et réfléchissent la lumière du soleil vers le tuyau situé au-dessus. Comme le trough et la tour, le Fresnel peut également intégrer le stockage dans un bloc électrique, ou générer de la vapeur pour une utilisation directe. Base de données de déploiement de Fresnel.
Systèmes paraboliques :
Un système parabolique consiste en un concentrateur à foyer ponctuel de forme parabolique qui réfléchit le rayonnement solaire sur un récepteur monté au point focal. Ces concentrateurs sont montés sur une structure avec un système de suivi à deux axes pour suivre le soleil. La chaleur collectée est généralement utilisée directement par un moteur thermique monté sur le récepteur qui se déplace avec la structure de la parabole. La parabole peut atteindre des températures extrêmement élevées et est prometteuse pour une utilisation dans les réacteurs solaires pour la fabrication de combustibles solaires qui nécessitent des températures très élevées. Les moteurs à cycle Stirling et Brayton sont actuellement privilégiés pour la conversion d’énergie, bien que la parabole ait rarement été déployée commercialement pour la production d’énergie. Base de données sur le déploiement de la parabole.
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