No Smoke, All Mirrors : développer des héliostats de nouvelle génération

Si vous en croisez une dans le désert, ses lumières brillantes peuvent vous faire croire qu’il s’agit d’un mirage, mais rassurez-vous, les centrales solaires thermiques à concentration (CSP) sont bien réelles.

Dans ces usines, des miroirs sophistiqués qui suivent le soleil, connus sous le nom d’héliostats, concentrent la lumière du soleil sur un récepteur au sommet d’une haute tour – une tour électrique – où la lumière concentrée chauffe un fluide de travail. Ce fluide est ensuite utilisé pour faire tourner une turbine afin de produire de l’électricité ou de fournir de la chaleur à un processus industriel, tout comme les centrales électriques conventionnelles à combustible fossile ou nucléaire. Étant donné que les centrales CSP convertissent l’énergie solaire en fluide chaud, il est relativement facile de stocker ce fluide dans de grands réservoirs, ce qui signifie que ces centrales peuvent fournir de l’énergie à la demande, même au milieu de la nuit, longtemps après le coucher du soleil.

Le système de production d’électricité solaire d’Ivanpah est la plus grande centrale CSP des États-Unis. Située dans le désert de Mojave en Californie, la centrale peut produire 392 mégawatts (MW) d’électricité, soit suffisamment pour alimenter plus de 85 000 foyers, à l’aide de 173 500 héliostats, chacun construit avec deux miroirs qui concentrent la lumière du soleil sur trois tours solaires. La plus grande centrale au monde est la centrale solaire de Ouarzazate au Maroc, qui peut produire 580 MW d’électricité.

Étant donné que les héliostats constituent une grande partie de la superficie des centrales CSP, ainsi que les matériaux qui entrent dans la construction, ils jouent un rôle important dans la détermination des coûts d’investissement et des performances globales d’une centrale. Les héliostats marquent également le tout début du processus de transformation de la lumière solaire en électricité, ce qui signifie que toute perte d’efficacité est amplifiée par tous les composants en aval.

Pour permettre un déploiement généralisé du CSP aux États-Unis, le Département américain de l’énergie (DOE) s’est fixé pour objectif d’atteindre 0,05 $ par kilowattheure pour l’électricité produite par des centrales avec 12 heures ou plus de stockage d’énergie thermique. Dans une voie que nous avons identifiée pour atteindre cet objectif, plus de 40 % des réductions de coûts qui doivent se produire sont réalisées en réduisant le coût en capital installé des héliostats à 50 USD par mètre carré, par rapport à la référence actuelle légèrement supérieure à 100 USD par mètre carré. .

L’importance de cet objectif a conduit le DOE à financer des dizaines de projets de recherche au fil des ans pour améliorer la technologie des héliostats et réduire les coûts de fabrication. Les objectifs de ces projets sont incroyablement divers.

Un projet de l’Université de Boston a utilisé la technologie d’auto-nettoyage des écrans électrodynamiques sur les héliostats pour réduire le besoin de nettoyer les miroirs avec de l’eau et pour maintenir une efficacité optique élevée en gardant les miroirs exempts de poussière. Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont développé un héliostat qui utilise des métasurfaces ultra-minces qui modifient le comportement de la lumière, réduisant ainsi le besoin d’un système de suivi pour suivre la trajectoire du soleil. Une équipe de l’Université de l’Arizona développe un héliostat qui peut changer sa courbure lorsque le soleil change de position dans le ciel, ce qui pourrait réduire le nombre d’héliostats nécessaires pour une centrale CSP donnée. À L’Garde, un projet financé par le DOE a développé des héliostats avec des matériaux comme la mousse et l’acier inoxydable, qui réduisent leur poids et améliorent les performances.

Les possibilités d’innover sur ces concepts sont infinies. Les héliostats sont des machines complexes, avec de nombreuses possibilités d’optimisation de composants spécifiques et de principes de conception généraux, ce qui peut rendre difficile pour les chercheurs novices dans la technologie de faire des progrès substantiels sur les conceptions existantes de l’industrie. C’est pourquoi le DOE a lancé le Consortium Heliostat, connu sous le nom de HélioCon. Dirigé par le National Renewable Energy Laboratory et les Sandia National Laboratories, en partenariat avec l’Australian Solar Thermal Research Institute, HelioCon est un effort de recherche de 25 millions de dollars sur cinq ans qui soutient la recherche, le développement, la validation, la commercialisation et le déploiement de solutions à faible coût et héliostats performants.

En septembre 2022, HelioCon a publié un feuille de route (PDF) pour guider la recherche et le déploiement des héliostats, en comblant des lacunes spécifiques dans six grands domaines techniques :

  • Métrologie et normes
  • Composants et commandes
  • Fabrication avancée
  • Ressources, formation et éducation
  • Déploiement sur le terrain
  • Analyse technico-économique

Il existe également deux sous-thèmes transversaux : la charge due au vent et l’encrassement. Dans tous ces domaines, la feuille de route a identifié des domaines spécifiques comme mûrs pour l’innovation et a mis en évidence les opportunités pour les experts non CSP d’apporter leur expérience à l’industrie CSP. Certains de ces domaines prêts à être explorés comprennent l’apprentissage automatique, la métrologie, la fabrication et l’installation automatisées, ainsi que les réseaux et les contrôles sans fil sécurisés. Avec tant d’innovations nécessaires, HelioCon a publié un Demande de propositions de 3 millions de dollars pour que les projets de recherche relèvent ces défis.

Même si votre expérience n’est pas dans l’énergie solaire, votre expertise peut jouer un rôle dans le développement de la prochaine génération d’héliostats pour soutenir la transition vers un secteur de l’énergie décarboné d’ici 2035 et une économie décarbonée d’ici 2050. En savoir plus sur HelioCon et comment vous pouvez vous impliquer.

En savoir plus sur la recherche CSP et la recherche sur les capteurs solaires de SETO.

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