La Tour Solaire pour Générer de l’Électricité
Une tour solaire, également connue sous le nom de récepteur central, est le roi de tous les collecteurs solaires à concentration. Les tours solaires utilisent des centaines, voire des milliers, de petits collecteurs solaires en miroir à suivi solaire, appelés héliostats, similaires à ceux utilisés dans les tutoriels précédents sur les collecteurs paraboliques et à plat, qui reflètent la lumière du soleil directement sur un récepteur central de chaleur.
Le nom tour solaire provient du fait que l’énergie solaire concentrée, ou CSP, est focalisée non pas au point focal de chaque héliostat mais au sommet d’une très haute tour verticale. Les rayons du soleil provenant de nombreux réflecteurs en miroir répartis sur une grande surface sont concentrés en un point central atteignant une température extrêmement élevée, utilisée pour produire de la vapeur à haute pression qui génère ensuite de l’électricité.
Une tour de puissance dispose d’un ensemble circulaire de grands platines réfléchissantes à deux axes ou d’héliostats à miroirs multiples au sol qui suivent avec précision le chemin du soleil dans le ciel tout au long de la journée. Ces plats réfléchissants capturent et concentrent la lumière du soleil sur un récepteur central monté au sommet de la haute “tour solaire”.
Ces “héliostats” sont en fait de grands miroirs équipés de mécanismes de suivi solaire contrôlés par ordinateur qui maintiennent les miroirs alignés de manière à ce que les rayons réfléchis du soleil soient toujours dirigés vers le récepteur noirci d’absorption de chaleur, créant ainsi un point focal. Pour les héliostats à miroirs multiples, la position et l’orientation des miroirs individuels sur la structure de support diffèrent pour chaque héliostat dans le même champ d’héliostats afin de tenir compte de leur position relative et de leur angle par rapport à la tour.
La disposition et le positionnement du champ d’héliostats sont déterminés par la position de la tour solaire elle-même et sa localisation géographique. Les héliostats situés le plus près de la tour solaire sont les plus efficaces, car la lumière du soleil réfléchie a moins de distance à parcourir dans l’air. De plus, les héliostats les plus proches sont moins sujets à l’ombrage de leurs voisins, mais sont affectés par la tour elle-même. En étant plus proches, ils nécessitent également un suivi solaire moins précis.
Cependant, les héliostats placés loin de la tour solaire sont moins efficaces, car l’intensité de l’énergie solaire réfléchie diminue avec la distance parcourue. Les héliostats extérieurs doivent être installés plus loin de leurs voisins pour éliminer l’ombrage et exigent des mécanismes de suivi très précis pour maintenir la lumière réfléchie à la bonne position sur la tour.
La hauteur de la tour solaire sur laquelle le récepteur central est monté joue également un rôle dans la disposition du champ d’héliostats. Des tours plus hautes, mesurant entre 80 et 110 mètres (250 à 350 pieds), sont privilégiées car de plus grands champs d’héliostats plus denses peuvent être utilisés, réduisant les effets de l’ombrage et de l’utilisation des terres. Cependant, cela est compensé par des coûts accrus de la tour et de l’installation, ainsi que des exigences de suivi extrêmement précises pour une grande majorité du champ d’héliostats, et pas seulement pour ceux qui sont les plus éloignés.
Un fluide caloporteur à haute température ou un milieu de travail dans le récepteur central absorbe le rayonnement hautement concentré réfléchi par le champ d’héliostats et convertit cette énergie thermique en vapeur surchauffée à haute pression, utilisée au sol pour faire tourner une série de turbines, un peu comme dans une centrale électrique traditionnelle pour générer de l’électricité.
En concentrant la lumière du soleil et donc l’énergie thermique solaire de cette manière, des températures très élevées peuvent être atteintes, allant de 800 oC à plus de 1 000 oC. Cependant, tous les héliostats ne sont pas utilisés pour concentrer leur énergie solaire réfléchie vers la tour en même temps ou au même point focal, car des températures extrêmement élevées pourraient faire surchauffer et fondre le récepteur.
Le milieu de transfert de chaleur utilisé pour la plupart des tours solaires modernes comprend l’eau/vapeur, les sels fondus, le sodium liquide, l’huile et même l’air. Les premiers designs de tours solaires concentraient les rayons du soleil pour chauffer de l’eau ordinaire dans un réservoir de haute pression monté au sommet de la tour, puis utilisaient la vapeur générée pour alimenter une turbine génératrice.
Aujourd’hui, les nouvelles tours solaires utilisent des sels fondus comme le nitrate de sodium (NaNO3) comme milieu de transfert efficace, mais l’eau est toujours utilisée comme refroidissant pour le récepteur. L’utilisation de sels fondus signifie que la chaleur absorbée peut être stockée pendant de nombreuses heures et utilisée la nuit ou lors de journées à faible ensoleillement.
Le sel liquide préchauffé à une température d’environ 300 oC est pompé vers le sommet de la tour à partir d’un réservoir de stockage froid à travers le récepteur central d’absorption de chaleur, où il est chauffé à plus de 600 oC par la lumière concentrée du soleil et descend ensuite dans la tour grâce à la gravité vers un réservoir de stockage de liquide chaud pour une utilisation ultérieure par la centrale électrique.
Lorsque de l’énergie électrique est requise par la centrale électrique située à la base de la tour, le sel liquide chaud stocké est pompé vers un échangeur de chaleur qui produit de la vapeur surchauffée pour la turbine génératrice. Le sel se refroidit en transférant son énergie thermique à l’eau et est renvoyé au réservoir de stockage froid pour être réchauffé à nouveau par le récepteur thermique solaire.
Ce design de concentrateur solaire à sel liquide permet de générer de l’électricité même lorsque le soleil ne brille pas. Cependant, un inconvénient majeur de l’utilisation de sels fondus est que le sel doit être maintenu en état liquide dans le système à tout moment, même en mode veille ou lorsqu’il n’y a pas de rayonnement solaire, afin d’éviter qu’il ne se solidifie et ne bloque les conduites ou le récepteur solaire en haut de la tour.
Pragmatisme des Tours Solaires
Les tours solaires présentent de nombreux avantages par rapport à d’autres systèmes de énergie solaire concentrée pour la génération d’électricité. Ce sont des centrales solaires non polluantes et à zéro émission (excepté la lumière solaire dispersée) capables de générer continuellement de l’électricité pendant de longues périodes, tant qu’elles disposent d’un moyen de stocker la chaleur gratuite provenant du soleil. Un tel moyen de stockage utilisé dans les installations modernes de tours solaires est le sel fondu.
Bien qu’à l’heure actuelle, les tours solaires produisent de l’électricité à un coût supérieur à celui de l’énergie électrique obtenue avec des combustibles fossiles, principalement en raison du fait qu’il s’agit d’une technologie relativement nouvelle, elles ont le potentiel d’atteindre des rendements plus élevés, allant jusqu’à 20 %, et peuvent être facilement étendues par l’ajout de plusieurs héliostats, mélangé à d’autres technologies de concentration solaire, réduisant ainsi les coûts et fournissant une énergie fiable à leurs clients sur le long terme.
Cependant, il existe également de nombreux inconvénients aux tours solaires. Les tours solaires et leurs héliostats environnants nécessitent beaucoup d’espace et sont généralement situés dans des endroits désertiques éloignés avec une forte exposition au soleil ou sur des terrains vacants nécessitant de nouvelles accès, routes et pylônes électriques pour connecter la centrale solaire au réseau électrique national. De plus, la taille, la hauteur et la réflexion dispersée du soleil provenant de la tour et du champ d’héliostats peuvent avoir un impact négatif sur l’environnement local et la faune.
Mais malgré le fait que les centrales solaires de tour soient grandes et occupent beaucoup d’espace, elles utilisent encore beaucoup moins d’espace que les barrages hydroélectriques qui nécessitent un grand lac derrière le barrage ou une centrale à charbon traditionnelle qui nécessite de vastes zones pour le stockage et le traitement du charbon. En fin de compte, la taille globale d’une centrale génératrice par tour solaire est généralement limitée par la distance maximale entre la tour et la dernière rangée d’héliostats.
Dans le prochain tutoriel sur l’énergie thermique solaire, nous examinerons comment nous pouvons utiliser l’énergie thermique solaire et les collecteurs solaires pour chauffer l’eau, dans le cadre d’un système de chauffage de piscine solaire permettant de profiter d’une piscine de jardin tout au long de l’année.