Centrales solaires : Types, composants et principes de fonctionnement
Les centrales solaires sont des systèmes qui utilisent l'énergie solaire pour produire de l'électricité. Elles peuvent être classées en deux types principaux : les centrales photovoltaïques (PV) et les centrales solaires thermodynamiques (CSP). Les centrales photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil en électricité en utilisant des cellules solaires, tandis que les centrales solaires thermodynamiques utilisent des miroirs ou des lentilles pour concentrer la lumière du soleil et chauffer un fluide qui entraîne une turbine ou un moteur. Dans cet article, nous expliquerons les composants, la disposition et le fonctionnement des deux types de centrales solaires, ainsi que leurs avantages et inconvénients.
Qu'est-ce qu'une centrale photovoltaïque ?
Une centrale photovoltaïque est un système PV de grande échelle connecté au réseau et conçu pour produire de l'électricité à partir du rayonnement solaire. Une centrale photovoltaïque se compose de plusieurs composants, tels que :
Modules solaires : Ce sont les unités de base d'un système PV. Ils sont composés de cellules solaires qui convertissent la lumière en électricité. Les cellules solaires sont généralement faites de silicium, qui est un matériau semi-conducteur capable d'absorber des photons et de libérer des électrons. Les électrons circulent dans le circuit et créent un courant électrique. Les modules solaires peuvent être disposés de différentes manières, en série, en parallèle ou en série-parallèle, en fonction des exigences en tension et en courant du système.
Structures de montage : Ce sont les cadres ou les supports qui soutiennent et orientent les modules solaires. Ils peuvent être fixes ou ajustables, selon l'emplacement et le climat du site. Les structures de montage fixes sont moins chères et plus simples, mais elles ne suivent pas le mouvement du soleil et peuvent réduire la production du système. Les structures de montage ajustables peuvent incliner ou pivoter les modules solaires pour suivre la position du soleil et optimiser la production d'énergie. Elles peuvent être manuelles ou automatiques, selon le degré de contrôle et de précision nécessaire.
Onduleurs : Ce sont des dispositifs qui convertissent le courant continu (CC) produit par les modules solaires en courant alternatif (CA) qui peut être injecté dans le réseau ou utilisé par des charges CA.
Les onduleurs peuvent être classés en deux types : les onduleurs centraux et les micro-onduleurs. Les onduleurs centraux sont des unités de grande taille qui connectent plusieurs modules solaires ou tableaux et fournissent une sortie CA unique. Les micro-onduleurs sont de petites unités qui se connectent à chaque module ou panneau solaire et fournissent des sorties CA individuelles. Les onduleurs centraux sont plus rentables et efficaces pour les systèmes de grande échelle, tandis que les micro-onduleurs sont plus flexibles et fiables pour les systèmes de petite échelle.
Contrôleurs de charge : Ce sont des dispositifs qui régulent la tension et le courant des modules solaires ou des tableaux pour éviter la surcharge ou la décharge excessive des batteries. Les contrôleurs de charge peuvent être classés en deux types : les contrôleurs à modulation de largeur d'impulsion (PWM) et les contrôleurs de suivi du point de puissance maximale (MPPT). Les contrôleurs PWM sont plus simples et moins chers, mais ils gaspillent de l'énergie en coupant et en relançant le courant de charge. Les contrôleurs MPPT sont plus complexes et coûteux, mais ils optimisent la production d'énergie en ajustant la tension et le courant pour correspondre au point de puissance maximale des modules solaires ou des tableaux.
Batteries : Ce sont des dispositifs qui stockent l'électricité excédentaire générée par les modules solaires ou les tableaux pour une utilisation ultérieure en l'absence de soleil ou en cas de panne de réseau. Les batteries peuvent être classées en deux types : les batteries plomb-acide et les batteries lithium-ion. Les batteries plomb-acide sont moins chères et plus largement utilisées, mais elles ont une densité d'énergie plus faible, une durée de vie plus courte et nécessitent plus d'entretien. Les batteries lithium-ion sont plus chères et moins courantes, mais elles ont une densité d'énergie plus élevée, une durée de vie plus longue et nécessitent moins d'entretien.
Interrupteurs : Ce sont des dispositifs qui connectent ou déconnectent différentes parties du système, telles que les modules solaires, les onduleurs, les batteries, les charges ou le réseau. Les interrupteurs peuvent être manuels ou automatiques, selon le niveau de sécurité et de contrôle nécessaire. Les interrupteurs manuels nécessitent une intervention humaine pour les opérer, tandis que les interrupteurs automatiques fonctionnent en fonction de conditions prédéfinies ou de signaux.
Compteurs : Ce sont des dispositifs qui mesurent et affichent divers paramètres du système, tels que la tension, le courant, la puissance, l'énergie, la température ou l'irradiance. Les compteurs peuvent être analogiques ou numériques, selon le type d'affichage et la précision nécessaire. Les compteurs analogiques utilisent des aiguilles ou des cadrans pour montrer les valeurs, tandis que les compteurs numériques utilisent des chiffres ou des graphiques pour montrer les valeurs.
Câbles : Ce sont des fils qui transmettent l'électricité entre les différentes parties du système. Les câbles peuvent être classés en deux types : les câbles CC et les câbles CA. Les câbles CC transportent le courant continu des modules solaires aux onduleurs ou aux batteries, tandis que les câbles CA transportent le courant alternatif des onduleurs au réseau ou aux charges.
La disposition d'une centrale photovoltaïque dépend de plusieurs facteurs, tels que les conditions du site, la taille du système, les objectifs de conception et les exigences du réseau. Cependant, une disposition typique comprend trois parties principales : la partie de production, la partie de transmission et la partie de distribution.
La partie de production comprend les modules solaires, les structures de montage et les onduleurs qui produisent de l'électricité à partir de la lumière du soleil.
La partie de transmission comprend les câbles, les interrupteurs et les compteurs qui transmettent l'électricité de la partie de production à la partie de distribution.
La partie de distribution comprend les batteries, les contrôleurs de charge et les charges qui stockent ou consomment l'électricité.
Le diagramme suivant montre un exemple de disposition d'une centrale photovoltaïque :
Le fonctionnement d'une centrale photovoltaïque dépend de plusieurs facteurs, tels que les conditions météorologiques, la demande de charge et l'état du réseau. Cependant, un fonctionnement typique comprend trois modes principaux : le mode de charge, le mode de décharge et le mode de connexion au réseau.
Le mode de charge se produit lorsque il y a un excès de lumière du soleil et une faible demande de charge. Dans ce mode, les modules solaires génèrent plus d'électricité que nécessaire pour les charges. L'électricité excédentaire est utilisée pour charger les batteries via les contrôleurs de charge.
Le mode de décharge se produit lorsque il n'y a pas de lumière du soleil ou une forte demande de charge. Dans ce mode, les modules solaires génèrent moins d'électricité que nécessaire pour les charges. L'électricité manquante est fournie par les batteries via les onduleurs.
Le mode de connexion au réseau se produit lorsque le réseau est disponible et que les tarifs sont favorables. Dans ce mode, les modules solaires génèrent de l'électricité qui peut être injectée dans le réseau via les onduleurs.
Le mode de connexion au réseau peut également se produire en cas de panne de réseau, où une alimentation de secours est nécessaire. Dans ce mode, les modules solaires génèrent de l'électricité qui peut être utilisée par les charges via les onduleurs.
Qu'est-ce qu'une centrale solaire thermodynamique ?
Une centrale solaire thermodynamique est un système CSP de grande échelle qui utilise des miroirs ou des lentilles pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur qui chauffe un fluide qui entraîne une turbine ou un moteur pour produire de l'électricité. Une centrale solaire thermodynamique se compose de plusieurs composants, tels que :
Collecteurs : Ce sont des dispositifs qui réfléchissent ou réfractent la lumière du soleil sur un récepteur. Les collecteurs peuvent être classés en quatre types : les tranchées paraboliques, les miroirs paraboliques, les réflecteurs linéaires de Fresnel et les récepteurs centraux. Les tranchées paraboliques sont des miroirs courbes qui concentrent la lumière du soleil sur un tube récepteur linéaire qui court le long de leur ligne focale. Les miroirs paraboliques sont des miroirs concaves qui concentrent la lumière du soleil sur un récepteur ponctuel à leur foyer. Les réflecteurs linéaires de Fresnel sont des miroirs plats qui réfléchissent la lumière du soleil sur un tube récepteur linéaire au-dessus d'eux. Les récepteurs centraux sont des tours entourées d'un ensemble de miroirs plats appelés héliostats qui réfléchissent la lumière du soleil sur un récepteur ponctuel à leur sommet.
Récepteurs : Ce sont des dispositifs qui absorbent la lumière du soleil concentrée et la transmettent à un fluide de transfert de chaleur (FTC). Les récepteurs peuvent être classés en deux types : les récepteurs externes et les récepteurs internes. Les récepteurs externes sont exposés à l'atmosphère et ont des pertes de chaleur importantes dues à la convection et au rayonnement. Les récepteurs internes sont enfermés dans une chambre à vide et ont des pertes de chaleur faibles grâce à l'isolation et à l'évacuation.
Fluides de transfert de chaleur : Ce sont des fluides qui circulent à travers les récepteurs et transportent la chaleur des collecteurs vers le bloc de puissance. Les fluides de transfert de chaleur peuvent être classés en deux types : les fluides thermiques et les sels fondus. Les fluides thermiques sont des liquides organiques tels que des huiles synthétiques ou des hydrocarbures qui ont des points d'ébullition élevés et des points de congélation bas. Les sels fondus sont des composés inorganiques tels que le nitrate de sodium ou le nitrate de potassium qui ont une capacité calorifique élevée et une pression de vapeur faible.
Bloc de puissance : C'est là que l'électricité est générée à partir de la chaleur en utilisant une turbine ou un moteur couplé à un générateur. Le bloc de puissance peut être classé en deux types : le cycle à vapeur et le cycle Brayton. Le cycle à vapeur utilise de l'eau comme FTC et produit de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur connectée à un générateur électrique. Le cycle Brayton utilise de l'air comme FTC et produit de l'air chaud qui entraîne une turbine à gaz connectée à un générateur électrique.
Système de stockage : C'est là que l'excès de chaleur est stocké pour une utilisation ultérieure en l'absence de soleil ou en cas de forte demande de charge. Les systèmes de stockage peuvent être classés en deux types : le stockage de chaleur sensible et le stockage de chaleur latente. Le stockage de chaleur sensible utilise des matériaux tels que des roches, de l'eau ou des sels fondus qui stockent la chaleur en augmentant leur température sans changer de phase. Le stockage de chaleur latente utilise des matériaux tels que des matériaux de changement de phase (MCP) ou des matériaux thermo-chimiques (MTC) qui stockent la chaleur en changeant de phase ou d'état chimique sans changer de température.
La disposition d'une centrale solaire thermodynamique dépend de plusieurs facteurs, tels que les conditions du site, la taille du système, les objectifs de conception et les exigences du réseau. Cependant, une disposition typique comprend trois parties principales : le champ de collecte, le bloc de puissance et le système de stockage.
Le champ de collecte comprend les collecteurs, les récepteurs et les FTC qui collectent et transportent la chaleur de la lumière du soleil.
Le bloc de puissance comprend les turbines, les moteurs,
