Evaluation of Reflective Mirror Efficiency in a Solar Tower System within a Specific Geographical Context

Abstract

This work focuses on the analysis of the optical performance of heliostat fields in solar power tower systems, with particular emphasis on their application in various regions of Algeria. In the global context of the energy transition, solar energy—and in particular, solar tower technology—offers a promising solution to meet the growing demand for clean and renewable energy. The main objective of this work is to model and evaluate the optical performance of heliostats based on environmental and geometric conditions, in order to optimize solar energy capture. Special attention is given to regional variations across several Algerian sites, ranging from highly favorable desert areas such as Adrar and In Salah to more variable coastal and transitional zones. This comparative analysis helps identify the most suitable locations for the deployment of solar tower systems. Simulations show that the maximum useful solar power intercepted reaches 428,235 W/m² In the province of Bordj Badji Mokhtar on June 1st at 11 a.m. around the summer solstice. Cosine efficiency varies significantly with the season andtime of day, reaching a maximum of 82%, while atmospheric attenuation and interception efficiencies remain relatively stable, with maximum values of 96% and 92%, respectively. In conclusion, this study highlights the importance of site selection, mirror orientation, and heliostat field configuration in maximizing solar energy capture. It also proposes optimization strategies tailored to the different environmental contexts studied. This work therefore provides a valuable contribution to the design of efficient solar power tower systems in support of Algeria’s energy transition.

يتناول هذا البحث تحليل الأداء البصري لحقول المرايا العاكسة (الهليوستات) في أنظمة الأبراج الشمسية، مع التركيز بشكل خاص على تطبيقها في مناطق مختلفة من الجزائر. في ظل التحول العالمي نحو الطاقة المستدامة، تُعد الطاقة الشمسية، ولا سيما تكنولوجيا الأبراج الشمسية، من الحلول الواعدة لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة والمتجددة. يهدف هذا العمل بشكل رئيسي إلى نمذجة وتقييم الأداء البصري للهليوستات وفقًا للظروف البيئية والهندسية، من أجل تحسين التقاط الطاقة الشمسية. وقد أُولي اهتمام خاص للفروقات الإقليمية بين عدة مواقع جزائرية، تمتد من المناطق الصحراوية المواتية جدًا مثل أدرار وعين صالح، إلى المناطق الساحلية والمناطق الانتقالية ذات الظروف المناخية الأكثر تقلبًا. وقد ساعد هذا التحليل المقارن في تحديد أفضل المواقع لإنشاء أنظمة الأبراج الشمسية. أظهرت المحاكاة أن أقصى قدرة شمسية مفيدة تم اعتراضها بلغت 428,235 واط/م²في ولاية برج باجي مختار في 1 جوان على ساعة 11 صباحا في فترة الانقلاب الصيفي. وقد تباينت كفاءة معامل "كوزاين" بشكل ملحوظ حسب الموسم وساعة اليوم، حيث بلغت أقصى قيمة 82%، في حين ظلت كفاءتا التوهين الجوي والاعتراض أكثر استقرارًا، بقيم قصوى بلغت 96% و92% على التوالي. في الختام، يبرز هذا البحث أهمية اختيار الموقع، وتوجيه المرايا، وتصميم حقل الهليوستات في تحسين التقاط الطاقة الشمسية. كما يقترح استراتيجيات تحسين تتلاءم مع السياقات البيئية المختلفة المدروسة. وبهذا، يشكّل هذا العمل مساهمة قيّمة في تصميم محطات طاقة شمسية أكثر كفاءة، تدعم التحول الطاقوي في الجزائر.

Ce travail porte sur l’analyse des performances optiques des champs d’héliostats dans les systèmes solaires à tour, en mettant l’accent sur leur application dans différentes régions d’Algérie. Dans un contexte mondial de transition énergétique, l’énergie solaire, et en particulier la technologie des centrales à tour, représente une solution prometteuse pour répondre aux besoins croissants en énergie propre et renouvelable. L’objectif principal de ce travail est de modéliser et d’évaluer les performances optiques des héliostats en fonction des conditions environnementales et géométriques, afin d’optimiser la capture de l’énergie solaire. Une attention particulière est accordée aux variations régionales entre plusieurs sites algériens, allant des zones désertiques très favorables comme Adrar et In Salah, jusqu’aux régions côtières ou de transition, où les conditions climatiques sont plus variables. Cette analyse comparative permet d’identifier les zones les plus appropriées pour l’implantation de systèmes tour solaire. Les simulations montrent que la puissance solaire utile maximale interceptée atteint 428,235 W/m² dans Wilaya de Bordj Badji Mokhtar le 1er juin à 11 heures autour du solstice d’été.Le rendement cosinus varie fortement selon la saison et l’heure de la journée, avec un maximum de 82 %, tandis que les rendements d’atténuation atmosphérique et d’interception restent plus constants, atteignant respectivement 96 % et 92 %. En conclusion, cette étude met en évidence l’importance du choix du site, de l’orientation des miroirs, et de la configuration du champ héliostatique pour maximiser la captation d’énergie solaire. Elle propose également des stratégies d’optimisation adaptées aux différents contextes environnementaux étudiés. Ce travail constitue ainsi une contribution utile à la conception de centrales solaires à tour performantes, en appui à la transition énergétique en Algérie.