Les concentrateurs solaires sont des appareils qui captent et concentrent la lumière du soleil dans une petite zone pour la convertir en énergie thermique ou électrique. L’idée est de capter plus de lumière dans moins d’espace, grâce à des techniques de concentration.
Pour atteindre cet objectif, des miroirs ou des lentilles sont utilisés pour concentrer la lumière sur un point ou une ligne spécifique. Ils sont largement utilisés dans les centrales solaires à concentration, qui sont souvent situées dans des zones très ensoleillées.
Mais quels types existent et en quoi sont-ils différents ?
1. Concentrateurs paraboliques
Ce type de concentrateur est l’un des plus courants et des plus utilisés dans le monde de l’énergie solaire concentrée.
Imaginez une sorte de long canal en forme de U qui se courbe pour créer une parabole, comme un long miroir incurvé. Ce canal ou collecteur possède des miroirs sur sa surface interne qui concentrent la lumière en une ligne.
Comment ça marche ?
La lumière du soleil tombe sur les miroirs et, en raison de sa forme parabolique, est concentrée dans un tube récepteur situé juste au foyer de la parabole. À l’intérieur de ce tube se trouve généralement un fluide caloporteur (comme une huile spéciale) qui est chauffé par la lumière concentrée. Cette chaleur peut être utilisée directement ou pour produire de la vapeur pour faire fonctionner une turbine et produire de l'électricité.
Ces concentrateurs sont idéaux dans les zones où le soleil est à une hauteur assez constante, car ils n'ont besoin que d'un suivi sur un seul axe pour suivre la position du soleil. Leur efficacité est très élevée, mais ils se limitent à capter la lumière directe du soleil, c'est-à-dire qu'ils ne fonctionnent pas aussi bien par temps nuageux.
Les concentrateurs à auge parabolique atteignent généralement des températures allant jusqu'à 400 °C, permettant la génération de vapeur sous pression pour entraîner des turbines et produire de l'électricité. Ce type d’installation permet également de stocker l’énergie thermique dans des sels fondus, ce qui lui permet de continuer à produire de l’électricité même après le coucher du soleil.
Exemple
La centrale solaire de Solana, en Arizona, aux États-Unis, est l'un des plus grands exemples d'installation utilisant des concentrateurs à auge parabolique.
Cette centrale a une capacité de 280 MW, soit de quoi alimenter en électricité environ 70 000 foyers.
2. Concentrateurs linéaires de Fresnel
Semblables aux précédents, les concentrateurs linéaires de Fresnel utilisent également une structure linéaire, mais au lieu d'utiliser un miroir parabolique incurvé, ils utilisent une série de miroirs plats ou presque plats placés à différents angles.
Ces miroirs sont disposés en rangées et concentrent la lumière du soleil sur un tube récepteur situé à une grande distance au-dessus des miroirs.
L'avantage de Fresnel par rapport aux miroirs paraboliques est qu'ils sont plus simples et moins chers à construire, car les miroirs plats sont moins chers que les miroirs courbes. Ils permettent également une disposition compacte, ce qui vous permet d'installer plus d'unités dans un espace limité.
Son efficacité est cependant un peu moindre, car sa conception plate ne concentre pas la lumière aussi précisément qu'une parabole. Ces concentrateurs nécessitent moins d’entretien, mais comme les creux paraboliques, ils dépendent de la lumière directe du soleil.
Les concentrateurs linéaires de Fresnel atteignent généralement des températures comprises entre 250°C et 300°C et ont une conception légèrement plus simple. Ils sont plus compacts que les concentrateurs paraboliques et peuvent être installés sur des terrains plats ou légèrement inclinés.
Exemple
La centrale solaire de Puerto Errado 2 à Calasparra, en Espagne, est un exemple notable de centrale solaire dotée de concentrateurs de Fresnel linéaires. D'une capacité de 30 MW, cette installation profite de la technologie de Fresnel pour produire de l'électricité dans une région à fort rayonnement solaire.
3. Concentrateurs de tours solaires
Ceux-ci sont impressionnants et souvent frappants par leur taille et leur design. Au lieu de miroirs incurvés ou plats alignés dans un canal, les tours solaires utilisent un grand nombre de miroirs appelés héliostats, qui entourent une tour centrale.
Chaque héliostat est contrôlé individuellement pour suivre le soleil et réfléchir la lumière vers le sommet de la tour, où se trouve le récepteur.
Le récepteur de la tour est un récipient contenant un fluide spécial, souvent des sels fondus, qui peut atteindre des températures extrêmement élevées. Ces sels chauds sont ensuite utilisés pour générer de la vapeur et entraîner une turbine qui produit de l'électricité.
L’un des points forts de ce système est que les sels peuvent emmagasiner la chaleur pendant plusieurs heures, permettant ainsi de produire de l’électricité même après le coucher du soleil.
Les tours solaires ont un très haut rendement et sont capables de générer de grandes quantités d'énergie, mais elles nécessitent un investissement initial important et sont destinées à de grandes installations situées dans des zones claires à fort rayonnement solaire. En raison de leur besoin de grand espace et d’un système de suivi avancé, les tours solaires ne sont pas aussi courantes que les concentrateurs linéaires.
Les tours solaires peuvent atteindre des températures supérieures à 565°C grâce à l’utilisation de sels fondus comme fluide caloporteur. Cette chaleur élevée permet de stocker l'énergie thermique pendant plusieurs heures, de sorte que les installations équipées de tours solaires peuvent fournir de l'électricité même lorsque le soleil ne brille plus. Cela en fait une option compétitive par rapport aux sources d’énergie traditionnelles, avec une efficacité de stockage de 85 à 90 %.
Exemple
La centrale solaire d'Ivanpah, en Californie, aux États-Unis, est la plus grande tour solaire au monde, avec une capacité totale de 392 MW. Il utilise plus de 170 000 héliostats, chacun doté de deux miroirs, pour concentrer la lumière solaire sur trois tours réceptrices.
4. Concentrateurs paraboliques
Celles-ci fonctionnent de la même manière qu’une antenne parabolique et, à certains égards, y ressemblent même. Ce sont des concentrateurs plus petits et sont généralement utilisés dans des systèmes autonomes ou plus petits, et non dans des centrales de production à grande échelle.
Le concentrateur parabolique utilise un miroir parabolique en forme de parabole pour concentrer la lumière du soleil en un seul point focal, où se trouve un récepteur. Contrairement aux concentrateurs paraboliques, qui concentrent la lumière le long d’une ligne, les paraboles le font en un point permettant d’atteindre des températures très élevées.
Un avantage des paraboles est qu’elles peuvent être propulsées par un moteur Stirling, un type de moteur qui convertit la chaleur en mouvement, sans avoir besoin de vapeur ni de turbines.
Ces moteurs sont particulièrement utiles dans les applications décentralisées, où l'énergie générée peut être utilisée immédiatement ou stockée.
Ils ont également un rendement assez élevé, mais sont généralement plus chers et nécessitent un système de suivi solaire à deux axes.
Les concentrateurs paraboliques peuvent atteindre des températures allant jusqu'à 750°C, car ils concentrent la lumière du soleil en un seul point. Cela les rend idéaux pour faire fonctionner les moteurs Stirling, qui convertissent la chaleur directement en électricité sans avoir recours à une turbine. Chaque unité parabolique génère entre 3 et 25 kW.
Exemples
Le projet de parabole Big Dish à Canberra, en Australie (photo) est un exemple d'installation à plus petite échelle.
5. Concentrateurs de lentilles de Fresnel
Ce type de concentrateur utilise une lentille de Fresnel au lieu de miroirs. Les lentilles de Fresnel sont des lentilles plates constituées de plusieurs anneaux concentriques qui permettent de concentrer la lumière en un point sans avoir besoin d'autant d'épaisseur qu'une lentille conventionnelle. Ils sont connus car ils permettent de concentrer la lumière dans un design compact et léger.
Ils sont davantage utilisés dans les applications solaires photovoltaïques que thermiques. Autrement dit, la lumière concentrée est utilisée directement pour produire de l’électricité à l’aide de cellules solaires.
Ces systèmes sont généralement utilisés dans des installations de petite et moyenne taille et dans des applications portables telles que dans les véhicules et les bâtiments. Bien qu'ils soient moins chers que les autres concentrateurs, leur efficacité est légèrement inférieure et ils sont sujets à la surchauffe, ils nécessitent donc souvent un système de refroidissement.