Etude spectrale et angulaire de l'émission thermique des cavités : prospection pour l'énergie solaire et le management thermique

Spectral and angular study of thermal emission for cavities : prospective for solar energy & thermal management

• Auteur / Autrice : Fadel Kawtharani
• Direction : Bruno Serio, Geraldine Guida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 05/01/2022
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energétique Mécanique Electromagnétisme (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Diogo Queiros-Condé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Serio, Geraldine Guida, Diogo Queiros-Condé, Bruno Gallas, Pierre Pfeiffer, Frédérique Gadot, Mohammad Hammoud, Nadjib Semmar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Gallas, Pierre Pfeiffer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Thermique

Énergie solaire

Surfaces (technologie) -- Analyse

Simulation par ordinateur

Lumière -- Propagation

Mots clés libres

Management thermique

Réflexion de Fresnel

Application de rayonnement thermique

Emission des surfaces

Propriétés radiatives

Control d'émission de surface

Thermal management

Fresnel reflection

Radioactive energy application

Surface emission control

Radiative properties

Emission of rough surfaces

Résumé

Les séparations angulaires et spectrales du rayonnement thermique sont devenues un défi essentiel dans de nombreux domaines tels que la concentration solaire ou la gestion thermique de sources rayonnant à des températures extrêmement élevées ou basses. Les réflexions dans une géométrie de cavité ouverte augmentent l'émission et l'absorption par rapport à une surface plane en raison de l'effet de cavité. Étant donné que de multiples réflexions se produisent à l'intérieur d'une cavité géométrique, le calcul de l'émission thermique d'une forme en V est alors plus compliqué que pour une surface plane et lisse. Dans le cas des surfaces lisses optiques, les coefficients de réflexion et d'absorption dépendent des propriétés optiques des matériaux constituant la cavité réfléchissante et peuvent être calculés en résolvant les équations de Fresnel. Dans cet article, un nouvel algorithme est développé afin d'obtenir l'émission directionnelle de surfaces géométriques (V Grooves) en utilisant le traçage de rayons et en étudiant la propagation de la lumière. Les simulations numériques peuvent prendre en compte les propriétés des matériaux des deux facettes de la forme en V, ce qui permet de simuler une forme en V dissymétrique originale offrant un comportement spécifique d'émission thermique directive. Une étude détaillée est développée en se concentrant sur le calcul et les simulations des réflexions à l'intérieur de telles surfaces, pour trouver le comportement d'émission en évaluant les coefficients de réflexion et d'émission de différents rayons, et à différents angles à l'intérieur de la rainure en V. Différents paramètres tels que les propriétés des matériaux, la longueur d'onde et la géométrie peuvent être modifiés dans ces simulations. L'importance de l'étude des propriétés d'émission de ces surfaces réside dans leur capacité à améliorer l'émission et l'absorption (en particulier dans une direction bien définie) en permettant par exemple de remplacer les mécanismes de suivi du soleil par le piégeage du rayonnement.

Angular and spectral separations of the thermal radiation have become an essential challenge in many fields such as for solar concentration or for the thermal management of sources radiating at extreme high or low temperatures. Reflections inopening cavity geometry increase the emission and absorption compared to a flat surface due to cavity effect. Since there are multiple reflections occurring inside ageometric cavity, the thermal emission calculation of a V-shape is then more complicated than for a flat smooth surface. In the case of optical smooth surfaces, both the reflection and absorption coefficients depend on the optical properties of the materials building the reflecting cavity and can be computed by solving the Fresnel equations. In this paper, a new algorithm in order to get the directional emission of geometric surfaces (V-Grooves) using ray tracing and by studying the propagation of light is being developed. The numerical simulations can consider the materials properties of the two facets of the V-shape allow simulating original dissymmetric V shape offering specific directive thermal emission behavior. A detailed study is developed focusing on the calculation and simulations of the reflections inside such surfaces, to find the emission behavior by evaluating the reflective and emission coefficients of different rays, and at different angles inside the V groove. Different parameters such as materials properties, wave length, and geometry can be modified in these simulations. The importance of studying the emission properties of such surfaces consists of their ability to enhance the emission and absorption (especiallyin a well-defined direction) by allowing for instance to replace the solar tracking mechanisms due to radiation trapping.