Un concentrateur solaire est un dispositif conçu pour focaliser et concentrer le rayonnement solaire, et son application peut concerner à la fois la génération d'énergie solaire thermique et la génération d'énergie solaire photovoltaïque.
Son fonctionnement repose sur l’utilisation de surfaces réfléchissantes, généralement formées par une série de miroirs disposés de manière alignée. L’objectif principal de ces concentrateurs solaires est de capter la plus grande quantité possible de rayonnement solaire et de la diriger vers un petit récepteur.
Dans le contexte de l’énergie solaire thermique à plus grande échelle, ce rayonnement solaire concentré est utilisé pour chauffer un fluide thermique, tel que l’eau ou le pétrole, afin de générer de la vapeur. La vapeur qui en résulte entraîne des turbines à vapeur, transformant ainsi le rayonnement solaire en énergie mécanique pour alimenter un générateur électrique ou effectuer un travail physique.
D’autre part, les concentrateurs solaires trouvent également des applications dans le domaine de l’énergie solaire photovoltaïque. Dans ce cas, au lieu de générer de la chaleur, le rayonnement solaire concentré affecte directement les cellules photovoltaïques à haut rendement.
Principe de fonctionnement
Les concentrateurs solaires sont basés sur le principe de concentrer la lumière solaire en un point ou le long d'une ligne pour augmenter l'intensité du rayonnement solaire incident à ce point. Ceci est réalisé en réfléchissant les rayons du soleil à l'aide de miroirs ou de lentilles. Une fois que la lumière du soleil est concentrée au point focal ou le long d’une ligne, elle peut être utilisée pour produire de la chaleur ou de l’électricité, selon le type de concentrateur.
Dans le cas des concentrateurs solaires thermiques, tels que les concentrateurs paraboliques, la lumière solaire concentrée est utilisée pour chauffer un fluide thermique. Ce fluide peut être de l'eau, de l'huile ou un autre milieu et est utilisé pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine reliée à un générateur électrique.
Au lieu de cela, les concentrateurs solaires photovoltaïques concentrent la lumière du soleil dans des cellules photovoltaïques, qui convertissent directement le rayonnement solaire en électricité.
Types de concentrateurs solaires
Il existe plusieurs types de concentrateurs solaires, chacun conçu pour optimiser la captation de la lumière solaire de manière différente.
Les principaux types de concentrateurs comprennent :
concentrateur solaire parabolique
Ce type de concentrateur utilise une série de miroirs paraboliques qui concentrent la lumière du soleil en un point focal. À ce stade, un tuyau est placé contenant un fluide thermique, tel que de l'huile, qui est chauffé et utilisé pour générer de la vapeur, entraînant une turbine qui produit de l'électricité.
Les concentrateurs solaires paraboliques sont idéaux pour les applications de production d’électricité à grande échelle et sont couramment utilisés dans les centrales solaires thermiques.
Concentrateur solaire linéaire de Fresnel
Le principal avantage des concentrateurs linéaires de Fresnel est leur capacité à être utilisés dans des applications à basse et haute température, ce qui les rend polyvalents.
Concentrateur solaire parabolique à canal composite
Cette conception est similaire au concentrateur parabolique, mais utilise un canal au lieu d'un point focal pour collecter la lumière du soleil. Cela lui permet d'être utilisé pour des applications de refroidissement solaire en plus de la production d'électricité.
Concentrateur solaire à auge solaire
Un concentrateur solaire Solar Trough est une variante du concentrateur parabolique, conçu pour être plus abordable et plus facile à installer. Il est particulièrement adapté à la production d'électricité dans des applications décentralisées, telles que les installations industrielles et commerciales.
Système de suivi actif du soleil
Dans le cas de concentrateurs solaires à plus petite échelle, un suivi efficace du soleil peut être assuré en appliquant directement un système de suivi au concentrateur. Cependant, à mesure que la taille des concentrateurs solaires augmente, des déformations peuvent survenir dans la surface parabolique et affecter leur fonctionnement.
Pour relever ce défi, un ou plusieurs miroirs plats intermédiaires appelés héliostats sont utilisés. Ces héliostats permettent de maintenir la réflexion solaire au point focal du concentrateur, même lorsque des déformations se produisent en surface, garantissant ainsi un fonctionnement optimal du système.
Applications des concentrateurs solaires
L'utilisation la plus courante est la production d'électricité. Cependant, il existe également d’autres techniques permettant d’exploiter directement l’énergie thermique.
1. Production d'électricité
La production d’électricité est l’application la plus utilisée des concentrateurs solaires. Ceci peut être réalisé de deux manières :
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Générez de la vapeur et entraînez des turbines à vapeur.
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Utilisation d'un moteur Stirling connecté à un générateur électrique.
Parfois, cette technique est également utilisée pour alimenter des cellules photovoltaïques. Il s’agit donc d’installations d’énergie solaire photovoltaïque.
2. Cuiseurs solaires
Avec de petits concentrateurs 3D, des cuiseurs solaires peuvent être fabriqués. Le concentrateur peut mesurer entre 80 cm et 2 mètres. Dans la zone focale, un « poêle » est placé là où repose le récipient contenant le contenu à préparer.
3. Applications industrielles
Les concentrateurs solaires permettent d'exploiter l'énergie solaire dans de multiples applications industrielles, comme par exemple dans l'industrie métallurgique, la fusion des métaux, la production de vapeur pour l'industrie chimique et le chauffage industriel.
4. Dessalement de l'eau
Les concentrateurs solaires peuvent être utilisés pour chauffer l’eau de mer et générer de la vapeur, qui est ensuite condensée en eau douce. Ceci est particulièrement utile dans les régions où l’eau est rare.
5. Chauffage résidentiel et commercial
Les systèmes à concentrateur solaire sont également utilisés pour fournir du chauffage et de l’eau chaude dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles.
avantage
Les concentrateurs solaires offrent plusieurs avantages significatifs par rapport aux systèmes solaires classiques qui n’utilisent pas de concentration :
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Plus grande efficacité : en concentrant la lumière du soleil, les concentrateurs augmentent l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en électricité ou en chaleur. Cela permet une production d’électricité plus efficace, en particulier dans les zones à fort rayonnement solaire.
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Utilisation réduite de matériaux : étant donné qu'il faut moins de panneaux solaires ou de cellules photovoltaïques pour générer la même quantité d'énergie, les concentrateurs solaires peuvent contribuer à réduire la quantité de matériaux nécessaires à l'installation.
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Stockage thermique : Les concentrateurs solaires thermiques permettent le stockage de chaleur, facilitant la production d'électricité la nuit ou par temps nuageux. Cela résout l’un des principaux défis de l’énergie solaire intermittente.
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Applications multiples : les concentrateurs solaires peuvent être utilisés à la fois pour la production d’électricité et pour les applications de chauffage et de refroidissement solaires, augmentant ainsi leur polyvalence.