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Le moteur Stirling

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L'énergie solaire et le moteur Stirling

Présentation générale :

Il semble, actuellement, que le plus grand domaine de développement du moteur Stirling est celui de la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique. Nous verrons ci-dessous le principe de cette conversion et les projets concrets réalisés ou en cours.

Mais auparavant, il paraît instructif de rappeler certaines données relatives à l'énergie solaire :
Globe terrestre et portion de Sahara - La production d'énergie primaire mondiale annuelle est d'environ 12 milliards de tonnes d'équivalent pétrole (tep). Ou 504 milliards de milliards de Joules... ou encore 140 000 milliards de kWh. Impressionnant !
- 25% de cette énergie est consommée par l'Amérique du Nord, 5% par l'Amérique Centrale et du Sud, 26% par l'Europe et l'Eurasie, 5% par le Moyen-Orient, 3% par l'Afrique et 36% par l'Asie.
- Aujourd'hui, on estime à 0,1%, au maximum, la part du solaire dans cette production. Désolant !
- L'énergie solaire absorbée par la Terre en une année est estimée à 3 850 zettajoules (1021 joules, ZJ) soit 4 640 fois la production mondiale annuelle, voir ci-dessus.
Il paraît donc judicieux, pour le moins, de s'y intéresser...
- Le Centre de Développement des Energies Renouvelables d'Alger estime que le Sud de l'Algérie, le Sahara, reçoit en moyenne annuelle un rayonnement solaire de 7 kWh/m2/jour.
- Si on résume ce qui précède, 54 800 km2 de Sahara suffiraient à alimenter la Terre entière en énergie ! (1/10 000 ème de la surface totale de la Terre). Soit un carré de 235 km de côté si le système de conversion à un rendement de 100% (c'est le carré rouge sur la carte ci-dessus !), de 330 km de côté avec un rendement de 50% ou 520 km de côté avec un rendement de 20%.

1. Les concentrateurs de rayonnement solaire :

Les différents concentrateurs font appel aux propriétés de la parabole que nous rappelons succinctement ci-dessous :
- l'équation d'une parabole est de la forme y=ax2
- tout rayon parallèle à l'axe de la parabole est réfléchi en son foyer F.
Voir l'animation ci-dessous.

Propriétés de la parabole

En alignant une parabole vers le soleil, toute l'énergie venant de celui-ci sera concentrée en un seul point.

On peut citer les deux principales configurations tirant parti de cette propriété de la parabole:

1.1 Les capteurs cylindro-paraboliques :


	Capteur cylindro-parabolique Dans le tube placé au foyer de la parabole, on fait circuler un liquide afin de le chauffer à une haute température. Cette énergie est ensuite utilisée pour faire de la vapeur et entraîner un turbo-alternateur.
Rien n'interdit d'utiliser ce liquide à haute température pour entraîner directement un moteur Stirling même si ce n'est pas la solution retenue aujourd'hui avec ce type de capteur cylindro-parabolique.
A noter qu'on obtient des températures de fluide autour de 400°C. Ceci permet d'avoir de bons rendements. Cette solution présente un énorme avantage : le fluide chauffé par le soleil le jour peut être stocké puis utilisé pour faire de la vapeur d'eau durant la nuit !

1.2 Les réflecteurs paraboloïdaux plus communément appelés paraboles:

Réflecteur paraboloïdal et moteur Stirling en son foyer
Nous sommes ici dans la configuration la plus utilisée pour transformer l'énergie solaire en électricité grâce à un moteur Stirling. Celui-ci est placé au foyer de la parabole et récupère la totalité de la chaleur fournie par le soleil au réflecteur. Il est nécessaire de munir cet ensemble d'un dispositif qui suit le soleil de son lever à son coucher. Pour cela, il faut un dispositif de rotation d'Est en Ouest, et un autre pour suivre le soleil de bas en haut et réciproquement.
La température obtenue est plus importante que dans le cas précédent, autour de 1 000°C. Le rendement du dispositif en est nettement amélioré.

2. Les réalisations actuelles ou en projet :

Nous ne parlerons dans ce chapitre que de l'utilisation de moteurs Stirling associés à des réflecteurs paraboloïdaux. On parle de dish-Stirling dans les pays anglo-saxons.
Deux catégories s'imposent : les applications destinées à un usage domestique et les installations de type industriel.

2.1 Applications à usage domestique :

La société Sunmachine développe actuellement une machine avec une parabole de 4,5 m de diamètre. Ce dispositif ressemble à l'image ci-dessus. Il serait capable de fournir une puissance de 3 KW d'électricité et 10 kW de chaleur via sa source froide. De plus, il semblerait qu'en cas de manque de soleil, un dispositif de brûleur à gaz pourrait prendre le relais. Souhaitons succès à ce genre de machine particulièrement astucieuse : utiliser l'énergie du soleil, fonctionner en cogénération (fourniture de chaleur et d'électricité) avec un secours en cas de manque de soleil !
L'avenir de ce type d'appareil réside dans sa compétitivité économique. Espérons qu'elle sera à la hauteur des attentes des acheteurs potentiels.

2.2 Installations de type industriel :

Champ de parabolesQuand on dispose sur son territoire de déserts ensoleillés, quand on a investi dans le domaine de la recherche et développement, en particulier pour mettre au point des moteurs Stirling de puissance, on peut envisager, comme l'on fait les américains, la construction d'une centrale solaire telle que celle de Maricopa en Arizona.
Celle-ci est composée de 60 ensembles parabole-moteur Stirling développant chacun 25 kW, soit un total de 1,5 MW ! Chaque parabole a un diamètre d'environ 12 m. La source froide est constituée par l'air ambiant ce qui évite d'avoir recours à l'eau, rare dans un désert.
Tout cela peut paraître énorme. Et bien non ! Tessera Solar et SES ont comme ambition de réaliser le projet Calico en Californie d'une puissance de 850 MW. Cette centrale solaire comprendra pas moins de 34 000 paraboles. Et ces deux entreprises ont d'ores et déjà d'autres projets du même type dans leur escarcelle...
Et pendant ce temps là, en France, on construit ou, plus exactement, on essaie laborieusement et hors de coût de construire des EPR. Cherchez l'erreur...

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