Une caméra numérique montée à titre expérimental sur un échantillon d'héliostat « voit » la lumière infrarouge sur la tour. Crédit :CENER
Des chercheurs ont développé un prototype pour calibrer un champ solaire entier en une seule nuit, économisant des mois sur le système d'étalonnage actuel pour les centrales à tour d'énergie solaire concentrée (CSP) de grande taille.
Dans les CSP de tour, un champ solaire encerclant de milliers d'héliostats (miroirs spécialisés) doit refléter en continu et avec précision la lumière solaire concentrée sur un récepteur de tour à des distances allant jusqu'à 1, 600 mètres alors que le soleil traverse le ciel. La nouvelle innovation signalée par les chercheurs applique des systèmes numériques visuels artificiels pour voir avec précision la cible avec une précision au pixel près via des caméras numériques intégrées dans chacun des héliostats, permettant de calibrer un champ solaire entier en quelques heures seulement.
"Avec notre système de calibrage visuel, nous pouvons assurer la précision du suivi pour la durée de vie de l'usine, car on peut calibrer tous les soirs, " a déclaré Marcelino Sanchez, qui dirige le département de l'énergie solaire thermique au Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) en Espagne. Sanchez a présenté l'innovation lors de la 23e conférence annuelle SolarPACES au Chili dans une présentation intitulée Scalable Heliostat Calibration System.
Du matériel au logiciel
Toutes les centrales CSP utilisent des systèmes informatisés pour indiquer à chacun des milliers d'héliostats individuels dans un champ solaire comment se déplacer, utilisant des servomoteurs qui contrôlent avec précision leur mouvement. Chaque héliostat maintient sa propre réflexion solaire focalisée sur le récepteur de la tour lorsque le soleil se déplace dans le ciel et que la saison change.
La vision artificielle permet un étalonnage précis de l'héliostat. Crédit :@CENER
Cependant, dans des conditions réelles, les héliostats individuels peuvent se désaligner légèrement à mesure que le terrain environnant se tasse en raison des conditions environnementales ou de tremblements de terre éloignés. Parce que les héliostats doivent rester précis au niveau du milliradian (mrad) pour fournir le flux solaire exact nécessaire, pour frapper la marque sans surchauffer le récepteur, de nombreuses recherches ont été consacrées à l'amélioration de la précision de l'étalonnage.
Un examen en 2009 a résumé les recherches antérieures. Au SolarPACES2017, les installations de recherche présentant des articles sur l'étalonnage des héliostats inclus, entre autres, PSA-CIEMAT, NREL, DLR, et Institut de Chypre. L'utilisation de caméras n'est pas inhabituelle. Par exemple, BrightSource Energy utilise des caméras à sténopé au niveau du récepteur pour permettre la bonne orientation des héliostats.
"En principe, les héliostats n'ont pas besoin d'être recalibrés; vous les calibrez lors de l'installation, " a déclaré Sanchez. " Mais pour tous ces petits désalignements qui peuvent se produire pendant la durée de vie de l'usine, c'est un avantage évident si vous pouvez vérifier le positionnement précis rapidement et quand vous le souhaitez. » Avec cette méthodologie innovante, il est possible d'établir non seulement la position mais le modèle cinématique précis de chaque héliostat dans des conditions de travail réelles.
Réduire les coûts des champs solaires
"Un objectif pour nous était d'essayer de réduire le coût du système de suivi qui est aujourd'hui la partie la plus coûteuse du système héliostat, " a expliqué Sanchez. " L'idée ici est donc d'essayer de réduire le coût au mètre carré. Nous avons donc déplacé les coûts du matériel vers le système logiciel. » Les héliostats n'auraient pas besoin d'être aussi robustes et coûteux.
Avec un recalibrage nocturne possible grâce à de petits, électronique de série, les héliostats pourraient devenir moins chers. Cristóbal Villasante, qui dirige la recherche sur les énergies renouvelables sur la robotique intelligente et les systèmes mécatroniques à IK4-Tekniker s'est associé à Sanchez pour développer le système.
« Il y a deux avantages principaux de notre système, " Villasante a résumé. " L'une est que nous pouvons calibrer le système de manière automatique, ainsi nous pouvons réduire le temps de mise en service et les coûts d'installation. Et deuxièmement, si vous pouvez calibrer très souvent, vous pouvez réduire les exigences de stabilité à long terme afin de ne pas avoir besoin de systèmes aussi puissants, qui peut être beaucoup moins cher et toujours atteindre la même précision, afin que nous puissions utiliser des héliostats moins chers."
Le développement utilise une forme de vision artificielle pour l'étalonnage du champ solaire CSP. De petites lumières infrarouges sont positionnées à divers points autour du champ solaire, et la caméra oriente la position de son héliostat par rapport aux lumières. Cette procédure fournit les informations nécessaires au calcul du modèle cinématique réel de chaque héliostat.
"Les capteurs des caméras visibles ordinaires sont sensibles au proche infrarouge. Nous utilisons un filtre et supprimons la partie visible du spectre, " dit Sanchez, qui ajoute qu'ils peuvent détecter la position avec un taux d'erreur de 0,22 mrad. Un mrad correspond à 0,057° de degré. "L'allumage et l'extinction de la lumière permettent d'identifier très facilement dans quel pixel nous l'avons."
Par l'appareil photo, le système peut localiser avec précision l'endroit où l'héliostat est dirigé. Le processus économise du temps de calcul et des ressources, rendant l'identification de la cible lumineuse rapide et facile. "En connaissant les positions des moteurs de l'héliostat et en traitant les images capturées, la configuration exacte de l'héliostat, ou ce que nous appelons son "modèle cinématique" peut être calculé. Par conséquent, l'héliostat est reprogrammé pour corriger les erreurs et s'assurer que le soleil se reflète avec précision."
