Les centrales solaires thermiques - qu'elles soient paraboliques ou à tour - sont principalement construites dans des zones désertiques très ensoleillées. Dans de tels lieux, les salissures de sable et de poussière entraînent de grandes incertitudes dans les prévisions d’efficacité de la centrale et de ses coûts d'exploitation.
Avec le projet « AVUSpro », l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE, avec les sociétés « PSE Instruments GmbH », « TSK Flagsol Engineering GmbH » et « Dornier Suntrace GmbH » ont développé un appareil entièrement automatique pour mesurer l'encrassement des miroirs. Les quatre partenaires ont testé avec succès le dispositif de mesure sur une centrale solaire parabolique au Koweït. Les données collectées peuvent être utilisées pour optimiser les techniques et les cycles de nettoyage afin d'augmenter le rendement et de minimiser les coûts et la consommation d'eau.
Avec des coûts d'installation en constante diminution pour les centrales solaires thermiques, les coûts d'exploitation, qui incluent le nettoyage, sont désormais au centre de l'attention. Pour les exploitants de centrales électriques, une surveillance précise de l'encrassement est une condition préalable à l'amélioration du cycle de nettoyage. Une bonne connaissance des caractéristiques et des taux d'encrassement est déjà nécessaire pour implanter et qualifier un projet de centrale, car les coûts de financement, les réductions de rendement et les coûts de nettoyage associés aux incertitudes sont critiques pour l'économie de la centrale.
« L'encrassement est un problème particulier dans les centrales à concentration, car la diffusion du rayonnement solaire par les particules de poussière entraîne des pertes de rendement élevées », explique le Dr Gregor Bern, chef de groupe des collecteurs de concentration et de l'optique au Fraunhofer ISE. « Avec l'appareil de mesure AVUS unique au monde, nous avons développé un instrument qui mesure, automatiquement et à moindre coût, le degré d'encrassement au quotidien pendant le fonctionnement de l'usine. »
L'appareil de mesure est basé sur un réflectomètre automatique, qui mesure le degré d'encrassement sur un petit miroir aligné sur les miroirs paraboliques de la centrale électrique. Au fil du temps, ce miroir devient poussiéreux en raison des influences environnementales. Chaque heure, un bras pivotant guide automatiquement le miroir vers une fenêtre de mesure, qui détermine la réflectance à l'aide d'une technique de mesure optique développée par le Fraunhofer ISE. L'appareil de mesure lui-même contient un miroir de référence qui ne se salit jamais. L'ensemble du système, y compris la mécanique et l’enregistreur de données, ont été développé par « PSE GmbH ». « L'objectif était de créer un système de mesure complètement autonome avec une connexion en ligne pour la transmission des données, car les centrales solaires thermiques sont généralement installées sur une grande surface dans des régions éloignées », explique Dipl.-Ing. Jean Steinmetz,
Test sur le terrain réussi au Koweït
Depuis novembre 2021, trois prototypes de l'appareil sont testés sur le terrain à la centrale électrique à miroirs paraboliques Shagaya de l'Institut koweïtien pour la recherche scientifique (KISR) dans l'ouest du Koweït. Les appareils sont installés à divers lieux de la centrale installée sur une surface de 100 ha pour une puissance de 50 mégawatts, afin de détecter les variations locales des taux de pollution.
Le prestataire de services météo « Dornier Suntrace GmbH », qui est responsable de la mise en place et de la maintenance des stations, génère des rapports mensuels à partir des données d'encrassement et des données météorologiques évaluées automatiquement. « À partir des données collectées, le niveau de salissure de la centrale peut être déterminé très précisément. Par exemple, il existe une forte corrélation avec les données météorologiques telles que les tempêtes de sable ou les précipitations », explique Raul Granados de « Dornier Suntrace GmbH ».
« Les données traitées nous permettent, en tant qu'exploitants de l'usine ainsi qu'au propriétaire KISR, d'optimiser les cycles de nettoyage et ainsi de réduire la consommation d'eau et les coûts d'exploitation », souligne Sonia Martinez de TSK Flagsol.
D'autres recherches prévues
En plus des tests à long terme sur l'appareil de mesure, l'équipe de recherche prévoit un test supplémentaire pour une centrale solaire à tour. Les données d'encrassement obtenues automatiquement seront comparées aux taux d'encrassement mesurés manuellement lors d'une vaste campagne de mesure.
L'équipe de recherche souhaite aborder d'autres questions, telle que l'analyse des taux de contamination et leur répartition sur le terrain. Les données seront utilisées pour optimiser les cycles de nettoyage afin de réduire les coûts et les dépenses d'exploitation en augmentant le rendement énergétique. Les premiers résultats prometteurs montrent des économies potentielles pouvant aller jusqu'à 25 % des coûts de nettoyage et jusqu'à 19 % de la consommation d'eau. Le plan à long terme est de commercialiser l'appareil de mesure sur le marché solaire international, à la fois pour les centrales solaires thermiques et photovoltaïques.