Concentrateurs solaires

Les installations solaires de PROMES-CNRS à Odeillo offrent une gamme de fours solaires à haut et très haut flux, capables de produire de très hautes températures (plus de 3000°C). Ils sont équipés d'une grande variété de réacteurs et d'équipements modulaires, conçus et développés au laboratoire, pour réaliser, dans les meilleures conditions, des recherches de haut niveau dans un très vaste domaine scientifique En outre, un ensemble étendu d'outils de diagnostic in-situ et de moyens avancés d'analyse et de caractérisation de matériaux complètent ces installations.

Ces installations solaires sont adaptées aussi bien à des recherches fondamentales à enjeux risqués, qu'à des recherches plus appliquées pouvant aller jusqu'au pilote industriel.

Pour les fours solaires, la disponibilité de hauts flux et/ou de hautes températures sans contamination, et la capacité de contrôler l'atmosphère (pression, vide, composition), en font des instruments uniques pour l'étude de la synthèse des matériaux, des procédés chimiques solaires, des cycles de stockage chimique de l' énergie solaire, du comportement thermo physique des matériaux dans des conditions extrêmes, de la physique fondamentale des hauts flux.

Les installations solaires du laboratoire comportent :

  • le four solaire de 1 mégawatt ( MWSF ) et son environnement (figures 1-3)
  • les 11 fours solaires de moyenne puissance ( MSSFs ) et leur environnement (figures 5-9)
  • Une microcentrale pilote de type cylindro-parabolique (MicroSol-R) et son environnement (figure 10)

Le four solaire de 1 mégawatt ( MWSF ) se compose d'un miroir parabolique tronqué à facettes, de 1830m2 et de 18 m de distance focale, éclairé par un champ de 63 héliostats mobiles d'une surface totale de 2835 m2 . La parabole est adossée à la façade nord du bâtiment de 8 étages qui abrite 9 des 11 fours solaires de moyenne puissance ( MSSFs) , des bureaux, une bibliothèque, des salles de conférence, un atelier, et les autres activités de recherches de laboratoire.

Le MWSF focalise 1 mégawatt sur une zone d'environ 80 centimètres de diamètre avec un maximum de 10 MW/m2; au foyer (figure 9).

Les zones d'expérimentation du MWSF se trouvent aux 4ème et 5ème étages de la tour foyer; les autres étages de la tour sont utilisés comme salles de diagnostic, de préparation et de stockage. Un monte-charge de 10 tonnes peut être utilisé pour installer de lourds équipements expérimentaux.

Le champ d'héliostats (figure 2) est commandé et surveillé depuis la tour par un dispositif d'asservissement à coordonnées calculées en boucle ouverte.

La zone d'expérimentation est équipée d'une plateforme escamotable et orientable, pilotée par ordinateur, pour le positionnement précis du dispositif expérimental.

Plusieurs réacteurs expérimentaux permettent d'entreprendre des expériences sous vide poussé ou sous atmosphère contrôlée. Ceux-ci sont équipés de pyromètres optiques de hautes performances, d'un spectro-radiomètre, d'un spectrométre de masse, et d'une microbalance à quartz.

Les fours solaires de moyenne puissance (MSSFs) se composent de 11 concentrateurs de 1.5 à 6 kilowatts.

  • neuf sont situés au 6ème étage du bâtiment principal, fonctionnant suivant un axe vertical : un 6 kilowatts, quatre 2 kilowatts et quatre 1.5 kilowatt. Ils sont éclairés par 3 héliostats situés côté du sud du bâtiment (figures 6-8).
  • un ensemble de deux concentrateurs de 2 kilowatts à axe horizontal se trouve dans un bâtiment annexe.

Le concentrateur de 6 kilowatts a un taux de concentration d'environ 4500, pour une tache focale de 8 centimètres de diamètre environ (figure 9)

Les concentrateurs de 2 et 1.5 kilowatt ont des taux de concentration d'environ 15000, pour une tache focale de 1 centimètre de diamètre (figures5-7)

Les MSSFs sont indifféremment équipés d'obturateurs ou de régulateurs de flux, de chambres à vide ou à atmosphère contrôlée, de dispositifs de mesure de température et d'instruments de diagnostic.

La microcentrale « MicroSol-R » est constituée de quatre sous-ensembles assurant les fonctions suivantes : (1) captation de l’énergie solaire, (2) stockage de la chaleur, (3) production de vapeur et (4) génération d’électricité.

La captation de l’énergie solaire est assurée par trois modules cylindro-paraboliques longs de 12 mètres chacun et de 5.7 m d’ouverture (figure 10). Un des modules est orienté Nord-Sud, les deux autres sont orientés Est-Ouest. Chaque module est équipé de 3 collecteurs PTR70® Schott (vitre protectrice et tube absorbeur). Le fluide de transfert utilisé est de l’huile thermique Jarytherm® DBT produit par Arkema. Les températures de fonctionnement visées sont de 220°C en entrée de champ solaire et de 300°C à 330°C en sortie de champ solaire. Le stockage thermique est assuré par deux technologies. Un système deux cuves (une cuve froide et une cuve chaude) et un système de type thermocline à cuve unique.