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Généralités

Toute installation thermodynamique solaire doit remplir les mêmes fonctions pour transformer l’énergie du rayonnement incident en énergie électrique avec la meilleure efficacité possible. On les examine ci-après dans l’ordre suivant :

- La concentration du rayonnement sur l’entrée du récepteur.
- Son absorption sur les parois du récepteur et la transformation de son énergie en chaleur.
- Le transport et, éventuellement, le stockage de cette chaleur.
- Sa délivrance à un cycle thermodynamique associé à un alternateur pour la production d’électricité.

Pour transformer le rayonnement solaire en chaleur, il suffit en principe de le réceptionner sur une plaque noire. Mais un tel capteur, même parfaitement absorbant, doit supporter les pertes que son propre échauffement provoque au bénéfice de l’air ambiant. Ces pertes sont, en première approximation, proportionnelles à cet échauffement et à la surface développée.

Pour travailler à température élevée, ce qui est nécessaire ici pour alimenter un cycle thermodynamique performant, il faut diminuer fortement la surface de réception pour maintenir, en proportion, ces pertes à un niveau raisonnable. C’est ce que l’on fait en disposant devant le récepteur une optique qui concentre sur celui-ci le rayonnement capté sur une surface bien supérieure. On caractérise la performance du système par le chiffre de sa « concentration » qui est le rapport de la surface de collecte sur la surface du capteur.

Dans la pratique cette optique est systématiquement constituée de miroirs. C’est la nature géométrique des surfaces réfléchissantes mises en œuvre qui va définir la « filière » utilisée.

La filière parabolique

Miroir parabolique

Cette filière est un peu la référence en ce sens qu’elle met en œuvre la meilleure surface réfléchissante possible : une parabole de révolution. Avec ce miroir, tout rayon incident parallèle à l’axe optique passe, après réflexion, par un même point. On appelle ce point le « foyer ». Pour fonctionner de façon optimale, un tel miroir doit viser en permanence le soleil (dont l’image se forme alors au foyer).

On y parvient en animant son axe d’une double rotation. Mais ceci implique, on s’en doute, une limitation de taille, la surface de collecte ne pouvant guère dépasser ici quelques centaines de mètres carrés dans des conditions économiques raisonnables.

C’est là que réside la spécificité de la filière qui n’a d’intérêt que si l’on parvient à utiliser le faible débit de chaleur récoltée dans une installation compacte, mobile avec le miroir (et si possible sans liaison avec l’extérieur autre qu’électrique) et installée dans une position voisine du foyer.

L’optique peut ici, théoriquement, délivrer des concentrations supérieures à 10000, ce qui est énorme. Dans la pratique, on réalise éventuellement des miroirs moins performants. Ils peuvent alors être économiques tout en délivrant des concentrations d’un excellent niveau. Plusieurs réalisations récentes de qualité délivrent ainsi des concentrations de l’ordre de 4000.

La filière « centrale à tour »

Ici, on ambitionne d’emblée de déployer des surfaces de miroir très importantes. On renonce donc à utiliser une vraie parabole (qui devrait être mobile ce qui est inimaginable en grande taille) et on la remplace par une pseudo-parabole, à foyer fixe, d’une taille pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers de mètres carrés, et constituée de centaines ou de milliers de miroirs plans orientables. On appelle ces miroirs « héliostats » (en grec : qui fixe le soleil). Leur ensemble constitue le « champ d’héliostats ». On utilise ici l’image de la pseudo-parabole parce que, à chaque instant, les rayons solaires atteignant le centre de chaque héliostat sont réfléchis par le dispositif en direction d’un point unique, fixe dans le temps, et qui joue donc le rôle du foyer de la parabole. La surface réfléchissante de cette « parabole » étant fatalement déployée au sol, son « foyer » se trouve en altitude. Pour y disposer le récepteur, on est amené à construire une tour de grande hauteur qui donne son nom à la filière.

Centrale solaire à tour

Pour faire fonctionner ce dispositif, il faut réaliser un « tir croisé » des héliostats et pour cela animer chaque miroir d’un mouvement de suivi du soleil particulier. Comme dans le cas précédent, ce mouvement peut être obtenu par la combinaison de deux rotations.
Il faut encore avoir optimisé la position des miroirs (ou plutôt la distribution de leur densité sur le terrain), la hauteur du foyer (qui conditionne la hauteur de tour et donc son coût) et la géométrie de l’ouverture du récepteur. A travers un calcul difficile, on minimise le rapport coût d’investissement/rendement thermo-optique de l’ensemble champ d’héliostats-récepteur.
Si ce travail a été bien mené, et si l’ouverture du récepteur est située dans le plan focal de l’optique, on peut obtenir par ce moyen des concentrations de l’ordre de 700 (cas de Thémis par exemple à 42,5° de latitude ). Cette dernière condition n’est pas facilement remplie dans le cas de champs circulaires (la tour est située au milieu du champ d’héliostats et non au sud comme à Thémis).

Dans ce cas, les concentrations atteintes sont plus faibles (235 à Solar One par exemple ), mais la formule a d’autres avantages (essentiellement, une hauteur de tour diminuée pour une taille de champ donné ) qui peuvent être déterminants aux basses latitudes.

C’est la solution mise en œuvre à Barstow ou à Nio pour des latitudes proches de 35° mais également à Shchelkino implantée plus haut que Thémis en latitude (à 45° ) ce qui montre bien que les optima recherchés ne sont pas déterminés avec une rigueur mathématique.

La filière cylindro-parabolique

On va donc mettre en œuvre ici des miroirs cylindro-paraboliques d’orientation est-ouest (dans ce cas le mouvement de suivi du soleil se limite à une rotation si lente qu’elle peut être assurée sans automatisme), ou nord-sud, ce qui suppose toujours une rotation unique, mais à plus grande vitesse et qui doit donc être automatisée.

Miroirs cylindro-paraboliques

Les avantages recherchés portent surtout sur la simplification de la motorisation et de la commande du mouvement. En substance, le passage de deux axes à un seul.

Les inconvénients de la formule sont cependant importants. En premier lieu, le passage d’une focalisation ponctuelle telle que réalisée dans les deux filières précédentes à une focalisation linéaire fait chuter la concentration aux environs de 80 (au mieux, c’est à dire dans les réalisations de Luz les plus récentes). En second lieu, la surface des miroirs est plus inclinée par rapport au vecteur soleil quand celui-ci est bas sur l’horizon, et ce qu’on appelle le « rendement cosinus » du champ de miroirs en est dégradé.

C’est surtout le premier de ces éléments qui caractérise la filière. On l’utilisera de ce fait à des températures modérées, quitte à perdre en rendement de conversion thermo-mécanique.