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Tout savoir sur les trackers solaires : utiles pour le photovoltaïque, encore plus pour thermique
Hugues Defreville
Quelle est la fonction des trackers solaires ?
Aujourd’hui focus sur les trackers solaires, ou « systèmes de suivi du soleil » en bon Français !
L’utilisation de ces systèmes s’est très fortement développée depuis une dizaine d’années dans le secteur de la production solaire photovoltaïque (PV) (pour la production d’électricité) [1]. Côté production solaire thermique, ils étaient utilisés il y a peu uniquement pour les technologies dites à « concentration », dont elles sont un composant nécessaire et essentiel.[2]
Il y a quelques années, nous avons eu l’idée de les tester pour l’orientation de grands champs de capteurs solaires thermiques plans. Ces travaux ont été conclus par le dépôt de notre 1er brevet et la réalisation de 2 projets innovants, uniques en leur genre au niveau mondial !
Vous voulez connaitre toute l’histoire ? Découvrez-la dans ce nouvel article (forcément passionnant ) 😎 !
Un tracker solaire, qu’est-ce que c’est ?
Un tracker solaire, ou système de suivi du soleil, ou encore suiveur solaire, est un système mécanique qui a pour objectif (comme son nom l’indique) de suivre la course du soleil tout au long de la journée grâce une motorisation et un système de transmission du mouvement.
Il se comporte de la même façon que les tournesols : durant toute la journée, la structure tourne pour capter le plus de rayons solaires possible.
Nul besoin d’être spécialiste en énergie pour comprendre l’intérêt de ce dispositif : il va permettre d’optimiser la captation du rayonnement du soleil par le panneau solaire, qu’il soit thermique ou photovoltaïque, et ainsi augmenter sa productivité pour une surface donnée.
Pour le solaire thermique ces trackers peuvent avoir d’autres intérêts, que nous allons vous présenter !
Un tracker, combien d’axes ?
Oui, il existe de nombreux types de trackers solaires, mais on peut toutefois les regrouper en 2 groupes principaux : les trackers à 1 axe et les trackers à 2 axes.
- Les trackers mono axe ont donc 1 seul degré de liberté. Ils sont généralement alignés sur un méridien Nord – Sud, et suivent la course du soleil depuis l’Est (en matinée) jusqu’à l’Ouest (en fin de journée). On parle d’un suivi en « azimut » et de l’optimisation de l’orientation des capteurs.
- Les trackers à 2 axes peuvent suivre le soleil de manière plus précise, suivant 2 degrés de liberté : ils vont pouvoir s’ajuster suivant l’azimut (optimisation de l’orientation du capteur) et l’élévation du soleil (optimisation de l’inclinaison du capteur) et ainsi vraiment optimiser l’ensoleillement reçu tout au long de la journée. Ils permettent une productivité bien supérieure, leur coût de mise en œuvre est également bien plus élevé.
Les trackers pour le solaire photovoltaïque : avantages et inconvénients
Vous l’aurez compris, l’objectif d’un tracker pour une installation solaire photovoltaïque est d’augmenter sa productivité, sans trop augmenter son prix.
Voici des ordres de grandeur :
- Avec un tracker solaire 1 axe, le rendement est supérieur de 10 % à 20 % par rapport à une installation classique orientée Sud. Pour les suiveurs 2 axes, le rendement est supérieur de 30 %.
- Côté coût d’installation, il augmente de façon relativement corrélée au gain de rendement par rapport à une installation fixe. En ordre de grandeur le prix peut augmenter de 10 à 15% pour les trackers mono axe et jusqu’à 50% pour les trackers 2 axes, en fonction des contraintes spécifiques d’implantation du projet.
A noter que les trackers nécessitent également une maintenance régulière plus importante.
Il y a encore quelques années lorsque les modules photovoltaïques étaient très chers (comparé à aujourd’hui), les trackers étaient particulièrement rentables, car ils permettaient d’optimiser l’utilisation de cet équipement productif « coûteux ». Mais à mesure que les panneaux deviennent moins chers (division par 10 du prix par Wc en 15 ans), la rentabilité du suivi du soleil a largement diminué.
Cependant, l’utilisation d’un système de suivi peut avoir d’autres intérêts :
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- En cas de disponibilité foncière limitée (production d’énergie par surface de terrain utilisée supérieure),
- Dans le cas d’installations qui ne sont pas connectées au réseau électrique public, où la bonne production matinale et de fin de journée générée par les trackers est souvent plus adaptée au profil de consommation des sites (dans un logement, on consomme beaucoup d’électricité le matin et le soir). Ainsi, le tracker permet de réduire le recours à des stockages d’énergie coûteux de type batteries.
Source: Wood Mackenzie
Les trackers pour le solaire thermique
Ils sont adaptés aux différentes technologies à concentration, comme aux capteurs plans !
Pour les technologies solaires thermiques à concentration :
Comme vous avez pu le découvrir dans notre article dédié, des systèmes de trackers sont utilisés dans toutes les technologies solaires thermiques dites à « concentration ».
Les trackers sont dans ce cas utilisés pour orienter des miroirs qui reflètent et concentrent les rayons du soleil sur un récepteur/concentrateur :
- Les trackers 1 axe permettant de concentrer sur un tube (concentration linéaire de type collecteurs à miroirs cylindro-parabolique ou les miroirs de Fresnel linéaires)
- Les trackers 2 axes permettant de concentrer en un point précis (concentration ponctuelle de type disques paraboliques ou centrales à tour)
Tracker à 1 axe
Tracker à 2 axes
Avec ces technologies, les trackers sont absolument nécessaires pour des raisons géométriques : la position des miroirs doit être très précise car par effet géométrique un décalage, même très faible, défocaliserait l’ensemble des rayons du soleil et réduirait rapidement à zéro toute la production d’énergie thermique.
Et pour les capteurs solaires thermiques plans ?
Au vu de l’essor et de l’intérêt du tracker pour les grandes installations photovoltaïques « utility scale », nous avons étudié leur application aux grands champs de capteurs solaires thermiques, afin d’optimiser leur production.
L’utilisation de trackers 1 axe est apparu comme la meilleure option :
- Il s’agit de la technologie principale utilisée dans les grands champs solaires photovoltaïques,
- Techniquement, ils sont plus adaptés au solaire thermique qui nécessite la mise en place de tuyauteries pour acheminer le fluide caloporteur. Ils ont des contraintes de flexibilité plus importantes que les câbles électriques : un système a 1 axe permet de réduire l’utilisation de flexibles hydrauliques et de les faire « travailler » sur 1 seul axe de liberté, condition nécessaire à leur résistance mécanique dans la durée !
Ainsi en 2016, nous avons décidé d’intégrer dans l’un de nos programmes de R&D (programme OPTISHIP à découvrir à ce lien) la réalisation d’un banc de test (installé sur le terrain de notre partenaire Arcelor Mittal Exosun) afin d’étudier en détail cette solution et préparer sa mise en œuvre à plus grande échelle.
Ces travaux nous ont permis de tirer des conclusions claires sur l’intérêt de ces trackers pour le solaire thermique !
- Amélioration de la productivité: bien sûr, le premier intérêt est d’augmenter la productivité d’un capteur solaire thermique d’une surface donnée : il capte ainsi bien plus de rayonnement solaire et permet de produire plus de chaleur qu’une installation avec des capteurs fixes.
- Ce gain de production dépendra de la localisation géographique de l’installation et notamment de sa latitude: comme vous pouvez le voir dans le graphique ci-dessous, ce gain évolue globalement entre +45% (projets les plus proches de l’équateur) à +20% (pour les projets situés dans les latitudes typiques rencontrées en France Métropolitaine).
A noter que ce gain de production dépend également de la température de fourniture de la chaleur que l’on cible ainsi que de l’« indice de clarté » de la zone géographique ciblée (l’indice de clarté mesure la part de la radiation solaire directe et de la radiation solaire diffuse, c’est-à-dire globalement du caractère « nuageux » d’une région).
Variation du gain d’énergie livrée en fonction de la latitude
- Amélioration de la fiabilité et baisse du coût de gestion : Un autre avantage très important du tracker pour le solaire thermique de grande taille est sa capacité à permettre la gestion des « surchauffes ».
Qu’est-ce qu’une « surchauffe solaire thermique » ?
Contrairement à une chaudière classique, une installation solaire thermique classique ne peux pas « stopper » sa production à la demande, par exemple s’il n’y a plus de consommation d’énergie côté utilisateur. Les capteurs solaires thermiques restent en effet sous le rayonnement solaire et vont donc continuer à monter en température : c’est ce que l’on appelle un phénomène de « surchauffe ».
Le fluide caloporteur présent dans les capteurs va alors monter en pression, et pour éviter de détériorer les équipements, un système de sécurité muni d’une soupape va déclencher la vidange de toute l’installation pour éviter une montée en pression trop importante. A l’échelle d’une grande centrale, un tel évènement entraine des délais et des couts importants pour la remise en fluide du circuit et le redémarrage de l’installation (plusieurs jours de pertes de production). Différents systèmes de gestion des surchauffes existent mais présentent des inconvénients ou limites : on peut bien sûr dimensionner un système de stockage de chaleur important (c’est d’ailleurs toujours le cas dans nos installations), mais celui-ci a un coût significatif, de plus, en cas d’arrêt intempestif sur une durée longue (par exemple « casse machine » d’un site industriel), ce stockage peut s’avérer ne pas être suffisant.
On peut alors utiliser un aérotherme permettant d’évacuer la chaleur produite à l’air libre. En pratique, on parle ici de l’utilisation de ventilateurs rejetant l’énergie produite vers l’air extérieur, impliquant une consommation d’électricité, ce qui a là aussi un coût non négligeable…
Le tracker solaire permet de s’affranchir en partie de ces systèmes en venant « dé-tracker » ou « défocaliser » les capteurs par rapport au soleil lorsqu’il n’y a plus de besoin de chaleur. Cela permet alors de réduire considérablement la puissance produite et donc d’éviter le phénomène de surchauffe même s’il n’y a pas de consommation de chaleur pendant un certain temps et que les stockages thermiques sont « pleins ».
- Amélioration de la flexibilité et de l’adaptabilité au besoin de nos clients : en addition à l’usage précédent, et de manière plus fine, on peut utiliser le tracker pour moduler la puissance produite par la centrale en fonction de la consommation d’énergie de l’utilisateur. Par conséquent, si l’utilisateur consomme une certaine puissance (en MW), les capteurs vont se positionner dans une certaine position pour produire uniquement la puissance nécessaire. Cela permet de fortement réduire voire de s’affranchir d’un système de stockage de l’énergie[3].
Si le principe est simple, la mise en œuvre est relativement complexe, avec des enjeux d’inertie thermique et de régulation / contrôle commande relativement complexes pour arriver à apporter une réelle flexibilité à nos centrales. C’est d’ailleurs sur ce volet « régulation de puissance par tracker 1 axe » que nous avons déposé notre 1er brevet !
- Diminution du volume de stockage nécessaire : une autre spécificité est la modification du profil de production de l’installation solaire, qui peut être mieux adaptée à certains profils de consommation. En fonction de la position des capteurs aux cours de la journée on vient en effet « limiter » le pic de production de mi-journée et mieux lisser la production au cours de la journée. Cette courbe de production est mieux adaptée à certains consommateurs, et vient diminuer le recours à des systèmes de stockage.
Comparaison d’une courbe de production journalière fixe vs tracker
Evolution annuelle du gain de production tracker vs fixe
Cette spécificité est également vraie sur le profil annuel de production de la centrale solaire. En comparaison à une installation fixe orientée au sud on produira plus d’énergie en été, mais un petit peu moins en hiver.
Ces résultats ont confirmé l’intérêt d’intégrer ces systèmes à certains de nos projets !
Etant donné leur coût plus élevé, l’utilisation des trackers reste toutefois un choix à moduler par projet par nos équipes d’ingénierie.
Newheat a déjà construit 2 centrales solaires thermiques équipées de trackers
- la centrale CONDATSOL alimentant l’usine à papier Condat du groupe LECTA
- la centrale EMASOL alimentant le réseau de chaleur urbain de la ville de PONS.
De nombreux autres projets sont en développement !
Retrouvez les articles mentionnés:
[1] Besoin d’y voir plus clair entre solaire thermique et solaire photovoltaïque ? Nous avons un article sur le sujet ! l
[2] Pas de panique, nous avons aussi un article pour tout savoir sur les différents types de capteurs solaires thermiques
[3] Voir notre article sur le stockage