Le miroir de Fresnel et l'exploitation de l'énergie solaire

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Extrait de http://jp-petit.com/ENERGIES_DOUCES/solaire_fresnel.htm

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Je ne suis pas le seul à y avoir pensé, témoin cet article : http://www.klimaschutz.com/synth/sfc021001.htm 

Une lectrice, Laure Emmanuelle Muller nous l'a traduit. Nous l'en remercions.

J'en fais un résumé avant lecture.

Les Belges ont opté pour une formule où on a un tube collecteur de chaleur fixe, où de la vapeur est directement créée et sur lequel le rayonnement solaire se trouve concentré à l'aide d'une série de miroirs posés au sol, ayant la forme de longues bandes et dont l'orientation est réglée mécaniquement.

Système " Solarmondo ". Des miroirs plans ( 1000 de long ) rotatif. Tube collecteur fixe. Dessous, des cultures.

 

Le Collecteur Léger De Solarmundo Fresnel (SFC)
peut rendre l'énergie solaire meilleur marché que le pétrole

Une évaluation du potentiel du nouveau collecteur de Solarmundo pour la protection de climat

par

Christoph Bals (Germanwatch, bals@germanwatch.org), et
Dr. rer. national. Gerhard Knies (hamburger Klimaschutz-Fonds, knies.gerhard@t-online.de)

Une vue d'artiste d'une unité solarmondo, implantée dans un désert


Après une inspection soigneuse du nouveau collecteur léger de Solarmundo Fresnel (SFC), les deux auteurs arrivent à l'évaluation suivante: Avec ce développement récent, dans les pays bien ensoleillés, l'énergie solaire pourrait devenir meilleur marché que le pétrole dans quelques années, sans autre percée technologique. Si le SFC fonctionne comme prévu, il fournira un énorme potentiel pour la protection globale du climat, et pour dans le monde entier, une électricité propre et inépuisable. - Bonn et Hambourg, octobre 2001.

1. Performance des centrales de SFC
2. Electricité propre, meilleur marché qu’avec le pétrole :

Aux emplacements avec un bon rayonnement solaire, le collecteur de Solarmundo ( http://www.solarmundo-power.com ) peut produire de la vapeur meilleur marché qu’avec le pétrole, pour des prix du baril supérieur à 20 US $. Ceci signifie qu'une centrale solaire peut produire de l'électricité avec des coûts inférieurs à ceux d’une centrale thermique à pétrole.


Combiné avec le dessalement de l'eau


La puissance de refroidissement, comme dans n'importe quelle centrale thermique, peut être employée pour le dessalement de l’eau de mer ou de l'eau saumâtre. Une centrale solaire de 400 MW pourrait cogénérer de10 à 20 mille metres cube par heure. Cette technologie est bien établie.


Combiné avec la mise en culture des sites

Le miroir plan du SFC est à environ 4 mètres au-dessus du sol. Dans l’ombre au-dessous, l'intensité de la lumière et l'évaporation de l'eau sont réduites. Il y a suffisamment de lumière pour, par exemple, faire pousser des tomates. Une usine de 400 MW fournirait environ 3 km carré d’ombre pour les cultures. L'eau pour l'irrigation pourrait venir du dessalement. Les détails de cette application, comme le rendement par récolte et hectare et l’eau requise pour l'irrigation, doivent être évalué par une étude de faisabilité et étudiés dans un projet pilote.


Futur potentiel avec le stockage intégré d'énergie solaire

Il y a une perspective prometteuse pour une adaptation assez simple destinée au stockage de chaleur, et là a fourniture d'électricité à la demande 24 heures sue 24. Ceci donne à l'électricité solaire un grand potentiel pour l’approvisionnement en énergie des pays ensoleillés, et pour l'exportation vers les pays industrialisés du nord.
La technologie des SFC offre donc des possibilités intéressantes de fournir à bas coût un courant électrique propre dans des pays ensoleillés, pour leurs besoins domestiques et pour l'exportation, et d'éviter des dangers pour l'environnement local comme la combustion sale de charbon ou la coupe du bois de chauffage. Etant donné qu’une grande part des travaux de construction et de l'entretien et de l’exploitation peut être fait par la main-d'oeuvre locale, il peut créer des emplois industriels dans les pays en voie de développement.

Animation par ordinateur: 4 rangées de collecteur de SFC avec la ligne de transfert de vapeur à la centrale.


2. Potentiel des SFC pour la protection globale du climat

La technologie des SFC étendrait considérablement nos capacités pour la production d'électricité solaire. Dès que cette technologie sera vérifiée par un logiciel d'exploitation complet - probablement dans un délai de 1 ou 2 ans - elle pourrait contribuer à fournir une électricité propre pour les énormes besoins à venir prévus dans les pays ensoleillés en voie de développement, y compris l'Inde et la Chine. Ici, de nouvelles capacités pour des centaines de Gigawatt sont nécessaires.
Combiné avec un assez faible cout du transport d'énergie à longue distance par lignes à haute tension de courant continu (CCHT), environ 95% de la population du monde réside à portée d’endroits désertiques appropriés à la production d'électricité thermique solaire à prix réduit et avec l'espace suffisant pour des champs de collecteur. Par exemple pour la production de 500 TWh/a d'énergie électrique, correspondant à 20% de la consommation annuelle d'électricité de L’UE, un champ de collecteur d’environ de 45 x 45 km est nécessaire, et un ensoleillement saharien. Le Maroc offre les deux conditions, un bon ensoleillement et un raccordement facile au réseau européen.
Puisque le stockage de chaleur permettrait une production à la demande de l'électricité jour et nuit, avec cette future application la technologie des SFC pourrait contribuer sensiblement à la transition rapide globalement exigée vers une électricité propre.
Déjà avec le mode de construction actuel, cette électricité solaire pourrait être concurrentielle avec les centrales à pétrole . D'autres améliorations conceptuelles et d'autres réductions de coûts doivent être attendu de l’extension des capacités de production.
En raison du potentiel exceptionnel de la technologie des SFC pour la protection globale de climat, il y a un intérêt public significatif à accélérer le développement de cette technologie autant que possible. Par conséquent, nous recommandons un soutien approprié pour une vérification rapide du potentiel de cette technologie. En cas de réussite des essais, la porte serait ouverte pour un lancement mondial sur le marché.
Le plein pouvoir pour la protection globale de climat peut venir d’une coopération nord-sud illimitée.


3. Le SFC - dispositifs techniques


La lumière du soleil peut être concentrée par un miroir parabolique pour produire de la vapeur pour une centrale. Le physicien français A. J. Fresnel (1788 - 1827) a inventé un systeme simple pour remplacer les miroirs incurvés par un ensemble plat de bandes de miroir. Avec ce systeme, le Solarmundo NV.(Belgium) a converti l’encombrante cuvette du miroir parabolique en une simple surface plate constituée de bandes de miroirs allongés. Une rangée de 48 de ces bandes, chacune de 50 centimètres de large et jusqu'à environ 1000 mètres de long, reflète la lumière du soleil sur un tuyau collecteur de1000 mètres de long monté à15 mètres au-dessus de la rangée. Les bandes de miroirs peuvent être inclinées autour de leurs axes longitudinaux pour suivre le soleil. Par temps clair, la lumière concentrée du soleil pourrait chauffer le tuyau collecteur à plus de à 500° centigrade. Cela suffit à produire de la vapeur pour une turbine conventionnelle couplée à un générateur d’une puissance de 4,8 mégawatts. Un grand nombre de ces éléments collecteur peuvent être combinés pour étendre les capacités - jusqu'à plusieurs centaines de mégawatts.
Ici nous récapitulons les améliorations que la conception des SFC offre par rapport aux collecteurs paraboliques linéaires à cuvette de première génération, qui fonctionnent très sûrement depuis 10 ans dans le désert de Mojave en Californie.
Différence dans la conception:


1. Un grand miroir parabolique, d'une largeur typique de 6 mètres, reposant sur une structure de soutènement mobile compliquée pour suivre le soleil, est remplacé par une rangée fixe et horizontale de bandes de petit miroir plan pivotant et un petit concentrateur secondaire derrière le tuyau collecteur.

2. Le foyer de la parabole mobile - suivant le mouvement du soleil - est remplacé par une ligne focale fixe, sur laquelle chaque élément de miroir et le concentrateur secondaire réfléchissent la lumière du soleil. le tuyau collecteur est maintenant en position fixe.

3. La structure de soutènement pour les axes de miroir et pour le tuyau collecteur est fixe.

4. Grâce à un nouveau revettement de surface du tuyau collecteur, la couteuse isolation par le vide du long tuyau pourrait être remplacé par une protection simple de perte de la chaleur et de rayonnement en atmosphère normale.

5. La vapeur est produite directement dans le tuyau collecteur, plutôt qu’après le transfert thermique à une chaudière à vapeur par un liquide spécial et par des échangeurs de chaleur.


Différence d’efficacité dans la collecte de la lumière et de performance durant la journée
:

Les efficacités comparées de systèmes basés sur des miroirs parabolique et sur des collecteurs de Fresnel
( à la latitude du Caire ). On voit que c'est assez voisin.

La couverture du champ de collecteur par les éléments de miroir est différente dans les deux dispositifs. Dans le dispositif de Solarmundo, le champ collecteur est presque totalement couvert de miroirs. Ceci mène à un certain ombrage mutuel dans les heures extremes du jour, tot et tard dans la journée. Dans les dispositifs paraboliques, les rangées de parabole alignées nord-sud sont séparées, par 2 rangées vides, pour éviter de s'ombrager le matin et l'après-midi, fournissant de ce fait un rendement faible, dans seulement 1/3 du champ de collecteur, mais plus constant pendant le jour.

Du point de vue surface de miroir utilisé, la collecte du rayonnement est meilleure pour les collecteurs de Solarmundo Fresnel, et du point de vue du secteur de miroir , la collecte du rayonnement est meilleure avec les miroirs paraboliques.


4. Des réductions des coûts sont principalement réalisées par:

1. Beaucoup de petits miroirs planaires faciles à construire au lieu d’un grand miroir spécialement dessiné (parabolique).
2. Seuls les petits miroirs sont tournés pour suivre le soleil. Leurs axes de soutien, armatures et le tuyau collecteur restent fixes.
3. La totalité de la structure de soutènement peut facilement être faite de pièces standards.
4. La position horizontale permanente de la rangée de miroir réduit sensiblement la puissance du vent.
5. L'isolation par le vide autour du tuyau collecteur a pu être évitée.
6. Production directe de vapeur dans le tuyau collecteur.
7. La main-d'oeuvre locale à prix réduit peut être largement utilisé pour assembler les composants.
8. Exploitation et entretien simplifiés du champ de collecteur.
5. Stade de développement


Jusqu'à présent, les bandes de miroir de Fresnel, le concentrateur secondaire et le tuyau collecteur ont été réalisés, testé en laboratoire et assemblé dans une installation pilote, en Belgique, sur une largeur de 24 mètres, mais avec une longueur de seulement 100 mètres au lieu des 1000 mètres prévus pour le module standard envisagé de 4,8 MW. Les fonctions mécaniques du collecteur ont été vérifiées dans cette installation pilote. En outre, la vapeur a été produite à une température de 270 centigrades, en accord avec les attentes pour l'installation pilote, avec une température maximale limitée par un enduit sélectif préliminaire sur le tuyau collecteur. Un nouvel enduit sélectif, spécial hautes températures, a ainsi été examiné avec succès dans le laboratoire, à 500 centigrades. La production des tuyaux avec cet enduit a été initiée. La stabilité à long terme des propriétés d'absorption élevée et de bas rayonnement de cet enduit, et le contrôle du processus de production de vapeur, doivent être vérifiés aux températures de fonctionnement prévues de 400 degrés centigrades avec un collecteur de taille réelle et un plein rayonnement solaire.

Les dispositifs additionnels du stockage de chaleur et de culture agricole n’existent jusqu'ici que "sur le papier".


6. Prochaines étapes

1. La prochaine étape est de démontrer le fonctionnement du collecteur dans les conditions solaires réalistes et durant une période raisonnable, par exemple de quelques mois. À cet effet, une usine de démonstration, composée d’au moins une pleine rangée de collecteur pour environ 5MW, devrait être construite et exploitée pour la production solaire de vapeur.
Ceci réclame un investissement de 8 à 10 M€ et l'identification d'un lieu avec un fort ensoleillement et un bas coût de la main-d'oeuvre. Le gouvernement du Maroc a offert de fournir un emplacement approprié. En Europe méridionale, avec un moindre ensoleillement et un coût de main-d'oeuvre plus élevé, il serait environ 50% plus cher. Il serait souhaitable que les travaux de construction commence au début de 2002 ( ! ... ) .

2. Parallèlement aux travaux de construction, il devrait y avoir des études de faisabilité sur des potentiels techniques et des études de marché de l'option agriculture pour les champs de collecteur de Solarmundo, ainsi qu'un démonstratrateur.

3. La faisabilité technique du stockage d'énergie jour-nuit devrait être étudiée, comme la signification de la production d'électricité à la demande, pour l'approvisionnement domestique et pour l'exportation à grande échelle de l'électricité.

4. Basé sur l'expérience de la construction et de l’exploitation de l'usine de démonstration, la planification et la construction de centrales commerciales dans la gamme de 50 à plusieurs centaines de MW devraient être commencées.

Publié dans Sciences de l'Energie

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