Ultimate Trough Test Loop

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Définition du problème

Contrairement à presque tous les autres systèmes d'énergie renouvelable tels que l'éolien et le photovoltaïque, les centrales solaires thermiques fournissent de l'énergie renouvelable stockable 24 heures sur 24 et doivent avoir le potentiel de fournir de l'énergie solaire à un coût rentable au moment où elle est nécessaire. L'objectif du projet "Ultimate Trough" était de développer un design et de le mettre en œuvre pour une nouvelle génération de collecteurs cylindro-paraboliques plus économiques pour la production d'électricité solaire. Le nouveau collecteur devait répondre à toutes les exigences techniques et économiques pour une utilisation dans des champs solaires pour des centrales thermiques d'une capacité de puissance de 250 mégawatts électriques et plus. Il devait être 25% plus rentable que le collecteur parabolique standard actuel, l'Eurotrough, en réduisant les coûts spécifiques (euros/m²) et en augmentant la performance. Une boucle composée de deux unités de capteurs (SCA) de 240 m de long chacune devrait être intégrée dans une centrale électrique en Californie. L'objectif du projet est de démontrer les méthodes de fabrication et d'assemblage prévues ainsi que leurs coûts escomptés. La mesure de la performance dans les conditions d'une centrale électrique doit permettre d'augmenter la sécurité de planification pour les projets de centrales électriques à venir.

Chemin de la solution

La surface réfléchissante d'une surface de miroir à courbure parabolique uniaxiale concentre la lumière du soleil sur un tube absorbeur placé le long de la ligne focale du miroir. Une unité de capteur tourne autour de son axe longitudinal au cours d'une journée et suit ainsi le soleil.

Les charges de vent horizontales couplées aux déformations admissibles extrêmement faibles sont déterminantes pour la conception d'une structure de capteur appropriée. Une section en caisson éclaté d'environ 1,85 x 1,85 m et d'une longueur de 24 m a été choisie comme structure porteuse rigide en torsion. Ce caisson est formé de quatre disques de treillis en cornières, qui sont chacun reliés par adhérence aux membrures. Le renforcement de la section transversale est obtenu par des barres diagonales et des cloisons d'extrémité. Sur les parois latérales du caisson, 24 bras de treillis en porte-à-faux en profilés creux sont présents de chaque côté et constituent les points d'appui pour les 48 miroirs d'environ 2,0 x 2,0 m.

Le verre et l'acier sont les principaux matériaux de construction du capteur Ultimate Trough. Les centrales électriques commerciales utilisent plusieurs milliers de tonnes d'acier. Une centrale électrique typique a actuellement une puissance électrique de 50 MW et un accumulateur thermique pour un fonctionnement ininterrompu jusqu'à huit heures après le coucher du soleil. Le choix des profilés en acier utilisés est très important pour le coût du capteur. Afin de développer un capteur rentable et pouvant être fabriqué dans le monde entier, des profilés standard disponibles dans le monde entier ont été choisis dans des qualités standard (par exemple : profilés laminés et profilés creux de qualité S235) avec des tolérances de fabrication normales. La fabrication des structures en acier est adaptable aux possibilités locales en ce qui concerne les méthodes de fabrication. Fabrication robotisée entièrement automatisée ou simple fabrication manuelle &ndash ; cette flexibilité permet de maximiser le potentiel de création de valeur dans le pays d'installation.

L'utilisation de dispositifs de montage de haute précision permet d'atteindre les exigences géométriques élevées malgré les faibles tolérances requises pour les différents composants en acier. Une nouvelle technique d'assemblage, qui se passe de moyens de liaison, facilite en outre le montage des éléments. Pour la première fois, l'Ultimate Trough utilise la technologie du clinchage pour assembler les pièces du concentrateur. Cette technique d'assemblage, utilisée dans la construction automobile en série, consiste à assembler des tôles par déformation locale à froid, par adhérence et par forme, à l'aide d'un poinçon et d'une matrice.

Pour obtenir une réduction significative des coûts de construction des capteurs, il a été prévu d'augmenter considérablement la taille des capteurs individuels. L'avantage en termes de coûts résulte de la réduction du nombre total de capteurs et de tous les composants de la centrale qui y sont liés. L'Ultimate Trough est ainsi actuellement le plus grand collecteur parabolique au monde.

Parallèlement à cet agrandissement, des augmentations de charge plus que proportionnelles sont appliquées au capteur. Afin de parvenir à une utilisation très efficace des matériaux, des possibilités de réduction des charges dues au vent ont été étudiées en soufflerie. Ainsi, pour la première fois, l'Ultimate Trough ne possède pas de surface réfléchissante fermée, mais des fentes de décompression dans le sens de la longueur, qui réduisent les charges dues au vent jusqu'à 30%.

En outre, la fixation des miroirs a été modifiée afin de compenser les tolérances de la construction métallique. Une compensation tridimensionnelle des tolérances dans un joint collé permet d'obtenir une forme parabolique plus précise qu'auparavant, et donc un rendement optique très élevé.

La performance particulière de l'ingénieur réside dans l'approche intégrale de l'optimisation de la construction. Si, par exemple, le coût du capteur est optimisé de manière isolée, cela conduit à des concepts de capteurs de petite taille, comme le poursuivent d'autres développeurs. Si, comme c'est le cas ici, on adopte une approche technico-économique intégrale qui prend en compte de manière interdisciplinaire tous les facteurs de coûts et tous les processus de production d'énergie de la centrale solaire, l'optimum se situe au niveau des grands concepts de capteurs, car les coûts légèrement plus élevés des capteurs sont plus que compensés par des économies considérables dans d'autres domaines. Lors du développement de l'Ultimate Trough, l'impact sur le rendement de la centrale ainsi que les coûts liés par exemple au câblage, aux fondations, au montage, à l'exploitation et à la maintenance, etc. ont été suivis dès le début et l'impact directement sur les coûts de production d'électricité a été pris en compte.

Cette approche interdisciplinaire et intégrale ne peut réussir que sur la base d'une longue expérience et d'une large composition interdisciplinaire du personnel dans toutes les disciplines de l'ingénierie. L'approche appliquée au développement de capteurs solaires requiert de l'expérience et des connaissances, notamment dans le domaine de la construction, de l'ingénierie mécanique et de la construction automobile.

Résumé

Au niveau mondial, la percée des technologies de centrales solaires est entravée par des coûts de production d'électricité encore trop élevés et une disponibilité temporelle peu fiable par rapport à la disponibilité des énergies fossiles.

Les centrales solaires thermiques, telles que les centrales paraboliques, éliminent cet inconvénient grâce à la possibilité de mettre à disposition de l'énergie stockable sans majoration des coûts de production d'électricité. Ainsi, contrairement à presque tous les autres systèmes d'énergie renouvelable, les centrales solaires thermiques assurent la sécurité d'approvisionnement.

Le développement de l'Ultimate Trough s'attaque à ces deux points et permet, grâce à son approche d'optimisation intégrale, de faire un pas substantiel vers la réduction des coûts globaux et donc vers l'indépendance de la technologie solaire vis-à-vis des subventions et des soutiens politiques fluctuants. Le développement de l'UltimateTrough vise la création économique de grandes centrales qui contribuent de manière substantielle à l'approvisionnement en énergie renouvelable, à la préservation des ressources fossiles et à la réduction des gaz à effet de serre.

Rapport explicatif de Markus Balz et Axel Schweitzer de schlaich bergermann und partner sbp sonne gmbh pour la soumission au Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015