Interaction lit fluidisé de particules solides-rayonnement solaire concentré pour la mise au point d’un procédé de chauffage de gaz à plus de 1000 K

Interaction fluidized solid particles-concentrated solar radiation for the development of a gas heating process to more than 1000 K

• Auteur / Autrice : Arezki Bounaceur
• Direction : Didier Mayer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de Monte Carlo

Fluidisation

Transfert radiatif

Capteurs solaires

Énergie solaire -- Recherche

Résumé

A l'heure actuelle les énergies fossiles traditionnelles (pétrole, charbon…) commencent à s'épuiser, ce qui pousse l'humanité à chercher d'autres sources d'énergie pour subvenir à ses besoins. La nature recèle beaucoup de sources d'énergie inépuisables et non polluantes comme l'énergie solaire, la biomasse et l'énergie éolienne. La disponibilité de l'énergie solaire, sa gratuité et son renouvellement encouragent sa collecte et son exploitation. L'énergie solaire peut être collectée pour diverses utilisations comme la réalisation d'une réaction chimique endothermique ou la production de l'électricité. La production de l'électricité solaire est opérée soit par des procédés photovoltaïques, soit par des procédés thermodynamiques. Ceux ci ont un rendement déjà intéressants, mais sont actuellement limités par la température des cycles à vapeur. Pour améliorer l'efficacité énergétique de ces procédés, une des solutions est de chauffer un gaz à très hautes températures en entrée d'une turbine à gaz. Le travail présenté dans ce mémoire décrit un procédé de collecte d'énergie solaire concentrée basé sur un lit fluidisé à changement de section. La collecte de l'énergie solaire se fait directement au travers d'une fenêtre transparente en quartz. La conception de notre récepteur solaire est basée sur deux études. La première consiste à tester plusieurs colonnes transparentes à froid de géométries et de dimensions différentes pour optimiser la distribution des particules lors de la fluidisation. Elle nous a permis de choisir les dimensions et la géométrie du récepteur solaire. En parallèle, nous avons réalisé un premier récepteur avec éclairement artificiel par des lampes infrarouges, au laboratoire RAPSODEE de l'Ecole des Mines d'Albi. Il nous a permis de vérifier la faisabilité du procédé et d'avoir les premiers résultats de la fluidisation à chaud. Le récepteur solaire a été ensuite testé au four solaire de 4,6 m du PROMES-CNRS à Odeillo. Durant notre travail nous avons étudié expérimentalement et numériquement les transferts thermiques dans le lit fluidisé et l'influence des divers paramètres physiques sur l'efficacité du récepteur. Un modèle mathématique des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo en 1 D a été réalisé. Ce modèle permet de déterminer la distribution des densités de flux thermiques dans les différentes couches du lit fluidisé ainsi que les pertes radiatives. Nous concluons sur la pertinence de nos choix dans ce travail et sur les perspectives. Mots clés : rayonnement solaire concentré, lit fluidisé, gaz chaud, récepteur solaire, transfert radiatif, Méthode de Monte Carlo

At the moment the traditional fossil energy (oil, coal. . . ) are beginning to run out, causing humanity to seek other sources of energy to meet his needs. Nature holds many sources of inexhaustible and clean energy like solar energy, biomass and wind energy. The availability of solar energy, its free and renewal encourage its collection and use. Solar energy can be collected for various uses as conducting an endothermic chemical reaction or production of electricity. The production of solar electricity is made by photovoltaic processes or by thermodynamic processes. Those have an interesting performance, but are currently limited by temperature steam cycles. One solution is to heat a gas at very high temperatures at the entrance of a gas turbine. The work presented in this report describes a process of collecting concentrated solar energy based on a change section fluidized bed. The collection of solar energy is directly through a transparent quartz window. The design of our solar receiver is based on two studies. The first enable us to cold test several transparent columns with different geometries and dimensions to optimize the distribution of particles during fluidization. This study enable us to choose the dimensions and geometry of the solar receiver. In parallel, we made a first receiver artificial illumination by infrared lamps. We have designed the receiver in RAPSODEE laboratory of the Ecole des Mines d'Albi. It helped us to verify the feasibility of the process and to have the first results of the hot fluidized bed. The solar receiver was then tested in 4. 6 m solar concentrator of PROMES-CNRS Odeillo. During our work we studied experimentally and numerically heat transfer in the fluidized bed and the influence of various physical parameters for the effectiveness of the receiver. A mathematical model of radiative transfer based on the Monte Carlo Method in 1 D was achieved. The model is used to determine the distribution of heat in the different layers of the fluidized bed and the radiative losses. We conclude for the relevance of our choice in this work and the perspectives. Key words : concentrated solar radiation, fluidized bed, hot gas, solar receiver, radiative heat transfer, Monte Carlo Method