Campagne de qualification optique des héliostats - Septembre 2009/ Mars 2010

Introduction
Avec l'appui de ses partenaires (APC-CNRS, EDF, TOTAL, ADEME, Région Languedoc-Roussillon, AGC Glass, Saint-Gobain Glass), le laboratoire PROMES a remis en service 107 héliostats du champ de Thémis pour l'expérience PEGASE. La qualification optique des héliostats est une étape capitale pour poursuivre l'expérimentation dans les meilleures conditions. Elle permet de prédire la puissance solaire disponible en haut de tour et surtout d'estimer la répartition de l'éclairement à l'entrée des récepteurs solaires. Cette qualification permet également d'établir la nécessité de procéder ou non au réglage de la concentration de chaque héliostat pour optimiser les performances de l'ensemble du champ. L'évaluation de la qualité du pointage des héliostats (stabilité du faisceau) fera l'objet de campagnes spécifiques ultérieures en 2010, en relation avec la caractérisation du système de pilotage du champ.
 
Dispositif expérimental
Les tâches individuelles des héliostats en mouvement de poursuite du soleil sont formées sur la cible de mesure de flux. Cette cible est un écran réflecteur plan de 7,5 m x 7,5 m, elle est uniformément revêtue d'une peinture blanche diffusante. En position de travail, la cible est hissée au niveau de l'étage 72 mètres de la tour. Elle est inclinée à 30° par rapport à la verticale (voir Fig.1). Les images formées sur la cible pour plusieurs positions du soleil (entre 9h du matin et 17h) sont recueillies par une caméra CCD 14 bits haute définition (1,45 Mega pixels, 1 pixel = 2,5 mm x 2,5 mm avec un objectif de focale 300 mm). La caméra est placée dans un abri au milieu du champ d'héliostats (voir Fig.2). On utilise des filtres gris afin d'éviter la saturation de l'image.
cible de mesure caméra station de travail
Cible de mesureCaméraStation de travail
Fig.1 : Dispositif expérimental de qualification optique des héliostats
 
Cartes de flux
PROMES a mis au point un traitement approprié des images permettant d'établir les cartographies de flux solaire délivrées par chacun des 107 héliostats du champ de PEGASE à Thémis. On élimine le bruit et les signaux parasites (reflets, poussières...) par soustraction d'images de fond, si besoin on corrige les aberrations (vignetage). La distribution de concentration est construite à partir de l'image finale ainsi obtenue (voir Fig.2),. Les valeurs de concentration sont exprimées en rapport avec la puissance totale réfléchie par l'héliostat (surface de miroir : 54 m2) sous l'incidence du moment et dans les conditions de référence (ensoleillement standard de 1 kW/m2, réflectivité standard de 0,92).
 
image brute carte de flux, axes en mètres, valeurs en kW/m2
Image bruteCarte de flux, axes en mètres,
valeurs en kW/m2
Fig.2 : Exemple de carte de flux (héliostat D04 le 21/01/10 à 12H00)
 
PROMES a constitué une base de données d'environ 300 cartes de flux sur l'ensemble du champ.
 
Qualification optique
Plusieurs critères (densité de flux maximale, étendue de la tache...) permettent d'évaluer les performances individuelles des héliostats. On retient ici le critère d'étendue de la tâche, exprimée par un paramètre unique appelé extension (spread en anglais). C'est le rayon du disque centré sur le barycentre énergétique de la tâche qui contient la moitié de l'énergie du faisceau. La figure 3 indique à titre d'exemple les résultats obtenus sur l'héliostat B09, de bonne qualité optique.
 
image sur la cible détermination de l'extension rs identification de l'erreur de courbure
3-a : image sur la cible3-b : détermination de l'extension rs3-c : identification de l'erreur de courbure
Fig.3 : Qualification optique de l'héliostat B09
 
L'élargissement de la tâche d'un héliostat est causé par plusieurs défauts attribués aux miroirs élémentaires constituant la surface réfléchissante : imperfections de surface, défauts de courbure, erreurs d'orientation relative. Ces défauts entraînent une réflexion non spéculaire, et par conséquent un écart sur la direction des rayons réfléchis par le miroir. On regroupe l'ensemble de ces paramètres physiques en un seul, appelé l'erreur de courbure de l'héliostat. On détermine expérimentalement cette erreur, en comparant la carte de flux mesurée avec une carte de flux simulée, obtenue dans les conditions de la mesure (position du soleil identique) à l'aide d'un logiciel de calcul par lancer de rayons (logiciel SOLTRACE, développé par NREL). Dans le calcul, on décrit de manière statistique l'écart local à la réflexion spéculaire par une loi de distribution normale (Gaussienne) du vecteur normal à la surface. L'erreur de courbure de l'héliostat est représentée par l'écart-type de cette fonction de distribution normale. C'est un angle, exprimé en milliradian. Dans le cas de l'héliostat B09 retenu à titre d'exemple, on obtient une erreur de courbure de 2 mrad (voir Fig.3-c). Soulignons ici que dans les années 1980 l'équipe d'expérimentation de la centrale solaire Thémis avait estimé les erreurs de courbure des héliostats par une autre méthode. Le résultat obtenu à cette époque pour l'héliostat B09 était 2,2 mrad.