Amélioration des propriétés radiatives des récepteurs solaires surfaciques haute température par microstructuration

Radiative properties improvement of high temperature solar surfacic receiver by microstructuration

• Auteur / Autrice : Florent Larrouturou
• Direction : Gilles Flamant, Cyril Caliot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 16/11/2015
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Flamant, Cyril Caliot, Karl Joulain, Jean-Jacques Bézian, Hamid Kachkachi, Benoit Rousseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karl Joulain, Jean-Jacques Bézian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Thermodynamique

Centrales solaires

Mots clés libres

Solaire thermodynamique

Récepteur surfacique

Méthode Monte Carlo

RCWA

Microstructure

CSP

Surfacic receiver

Monte Carlo method

RCWA

Microstructures

Résumé

La filière solaire thermodynamique, et plus précisément la technologie des centrales à tour, est l'une des ressources d'énergies renouvelables les plus prometteuses. Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre général de l’augmentation des rendements de centrales solaires à tour où l’augmentation de l'efficacité et de la température du récepteur joue un rôle clé. L’originalité de la thèse réside dans l’étude du rôle des sélectivités spectrale et directionnelle sur le rendement de récepteurs surfaciques à haute température. L’objectif poursuivit a été d’améliorer simultanément la géométrie, le matériau, la rugosité et la microstructuration des récepteurs surfaciques pour créer une sélectivité permettant l’augmentation des rendements. La première étape a consisté à l’élaboration d’un modèle approché d’une centrale solaire pour quantifier l’influence du rendement du récepteur sur le rendement de la centrale. Dans un second temps, un modèle de récepteur détaillé incluant la résolution précise des transferts radiatifs (grâce à la méthode Monte Carlo) a été développé pour déterminer le gain en rendement que l’on peut obtenir grâce à la sélectivité spectrale et directionnelle. Ensuite, la modification des propriétés radiatives des surfaces par des microstructures unipériodiques et bipériodiques a été étudiée dans l'objectif d'augmenter la sélectivité spectrale du récepteur. Cette étape a nécessité la résolution des équations de Maxwell par la méthode RCWA. La microstructure retenue et qui offre le meilleur potentiel possède un relief pyramidal bipériodique. L’optimisation de la période et de la hauteur de ce relief permet d’obtenir une absorptivité solaire maximale égale à 0,98.

Concentrated solar power (CSP) technology is an alternative for renewable thermal energy generation and a promising source of energy. Managing the optical properties of a cavity solar receiver to create spectral and directional selectivities is a solution to improve receiver and solar power plant efficiencies in order to reduce cost. The two main steps of the development are to quantify the potential gain that may result from theoretical selectivities and then the optimization of microstructuration to increase as possible the spectral selectivity. At first, a calculation code was built in order to quantify the influence of receiver on the global solar power plant efficiency. Then a parametric study which takes into account thegeometry, the material, the roughness and the microstructure of the receiver was conducted. At last, an optimization of microstructuration with uniperiodic and biperiodic structures was studied. As a conclusion the best structure is a biperiodic pyramidal relief which offers a huge gain of absorptivity.