Stockage thermique de protection à chaleur latente intégré à un récepteur solaire à air pressurisé

Thermal storage latent heat protection integrated solar receiver UN pressurized air

• Auteur / Autrice : David Verdier-Gorcias
• Direction : Gilles Flamant, Alain Ferriere, Quentin Falcoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 29/01/2016
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) - Procédés- Matériaux et Energie Solaire / PROMES
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : EDF Lab Paris-Saclay
• Jury : Président / Présidente : Lingai Luo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Flamant, Alain Ferriere, Quentin Falcoz, Lingai Luo, Christian Cristofari, Jean-Pierre Bedecarrats
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Cristofari, Jean-Pierre Bedecarrats

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermiques

Matériaux

Chaleur -- Stockage

Centrales solaires

Mots clés libres

Centrale solaire

Stockage thermique

Haute température

Matériau à changement de phase

Solar plant

Thermal storage

High temperature

Phase change material

Résumé

Le récepteur d’une centrale solaire à tour est l’élément clé de la conversion du rayonnement en chaleur. Dans le cadre de la thèse, il s’agit d’un récepteur métallique dans une centrale de type HSGT (Turbine hybride solaire gaz) refroidi par air pressurisé. En condition normale de fonctionnement, le récepteur chauffe l’air de 350 à 750°C. La température de l’air en sortie chute à 400°C en moins de 15 minutes si le soleil est masqué, par un nuage par exemple. L’objectif est de maintenir la température de l’air en sortie supérieure à 600°C durant 15 minutes sans ensoleillement. Pour parvenir à cet objectif, un stockage thermique intégré au récepteur est envisagé. Parallèlement le stockage de chaleur doit prolonger la durée de vie du récepteur en lui évitant de subir d’intenses chocs thermiques. L’étude porte sur la zone la plus chaude du récepteur, atteignant 800°C. Lorsque le soleil brille (le récepteur est insolé), une partie de la chaleur est stockée dans un matériau qui passe de l’état solide à liquide. Cette chaleur est restituée au récepteur lors de la transformation inverse (liquide à solide) si le soleil est masqué. Les variations de la température du récepteur sont ainsi plus douces et le récepteur est épargné des chocs thermiques. L’utilisation d’un matériau à changement de phase tel que le carbonate de lithium (fusion à 723°C) réduit le volume et la masse du stockage installé directement à l’arrière du récepteur. Ce matériau stocke une grande quantité de chaleur sur une gamme de température peu étendue. Cependant les matériaux à changement de phase ne permettent pas de transférer la chaleur rapidement à cause de leur faible conductivité thermique. C’est la raison pour laquelle l’intensification de ces transferts est étudiée. La mise en place d’ailettes en cuivre à l’intérieur du stockage améliore les transferts de chaleur, grâce à la conductivité thermique élevée du métal. Un modèle numérique représentatif du comportement thermique du stockage est développé. Le travail de conception du stockage aboutit à la fabrication d’un banc expérimental. Les résultats obtenus sont comparés au modèle afin de le critiquer. Les conclusions permettent d’envisager la conception d’un stockage thermique de protection à l’échelle du récepteur.

The thesis deals with the problem of thermal inertia and life time of the solar receiver of a Concentrated Solar Power tower plant. A specific attention is paid to the situation of HSGT (Hybridized Solar Gas Turbine) systems using pressurized air as HTF (Heat Transfer Fluid). The intermittence of solar radiation, mainly resulting from cloudy events, causes important temperature fluctuations that contribute to the premature aging. Therefore, a Thermal Energy Storage (TES) is developed for the protection of the receiver. The design focuses on the high temperature section of the receiver. As a consequence of the elevation of temperature in this stage, the expected temperature of the receiver ranges between 600°C and 800°C. Once the receiver is no longer irradiated, the temperature of the outlet air of the receiver, which is 750°C at designed point, decreases below 400°C in less than 15 minutes. The objective is to integrate the TES into the solar receiver to maintain this air temperature higher than 600°C after 15 minutes of discharge. A low capacity TES is targeted. Besides, the storage should enhance the lifetime of the receiver during the operation, by avoiding temperature drops. A test bench is designed based on a technology using both Phase Change Material (PCM) and metallic fins in order to enhance charge and discharge power of the storage unit. The selected metal is copper, because of its great thermal conductivity. The thermal storage medium must operate in the range 600°C – 800°C. The lithium carbonate has been selected mainly because of its phase change temperature, 723°C. A numerical model is developed in order to help the design of the test bench and compare experimental results. The conclusions lead to one-scale design of the thermal storage integrated to the solar receiver.