Modélisation multi-échelle par approche ab-initio et atomistiques des propriétés thermo-radiatives de matériaux semi-conducteurs réels : application à la conception de récepteurs solaires innovants pour centrale à tour

Multiscale modelling by ab-initio and atomistic approaches of thermal radiative properties of real semiconductor materials : application to the design of innovative solar receivers for tower solar power plant

• Auteur / Autrice : Madi Madi Halidi
• Direction : Giorgia Fugallo, Giorgia Fugallo, Cathy Castelain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermiquet et combustion
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Vast
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Konstantinos Termentzidis, Luciano Colombo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocarburants

Simulation de dynamique moléculaire

Carbure de silicium

Centrales solaires

Mots clés libres

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Résumé

Les technologies des Centrales Solaires Thermodynamiques à Concentration (CSTC) font partie des technologies prometteuses pour la transition énergétique. Parmi ces dernières, les Centrales Solaires à Tour (CST) sont celles qui pourraient garantir une production d'électricité élevée en dépit des périodes d'absence du soleil grâce à leurs modules de stockage d'énergie thermique. En outre, de nouvelles recherches sont menées sur l'utilisation des CST pour la production de biocarburant. Les limites de cette technologie sont liées aux faibles rendements de conversion solaire/électrique et au coût d'investissement relativement élevé. Une des voies suivies pour améliorer le rendement des CST consiste à optimiser les propriétés thermo-radiatives du récepteur solaire. Il s’agit du dispositif qui convertit le flux solaire concentré incident en énergie thermique disponible. Ce dernier est constitué d’un matériau fortement absorbant tel que le carbure de silicium en raison de sa forte absorptivité dans le domaine du visible, de sa bonne résistance mécanique et de sa grande résistance à la corrosion à haute température (> 1000°��). Néanmoins, le SiC présente une émissivité élevée dans le domaine infrarouge qui génère des pertes radiatives importantes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons analysé l'impact du dopage chimique et de l'inclusion de carbure de titane sur les propriétés thermo-radiatives de deux structures cristallographiques de SiC (3C et 6H). Pour mener ces études, nous avons eu recours à des simulations par dynamique moléculaire (DM). Cette technique de simulation permet d'évaluer des grandeurs macroscopiques à partir de la description à l'échelle microscopique des vitesses, positions et accélérations des atomes. Les quantités évaluées par DM ont été ensuite utilisées comme données d’entrée dans un code basé sur un modèle nodal afin d’évaluer les performances des CST. Nous avons notamment montré que la structure SiC 6H permet d’assurer un rendement de conversion solaire/thermique meilleur que celui de la structure SiC 3C et qu’il en va de même pour les récepteurs volumiques poreux en comparaison des récepteurs surfaciques.

Concentrated Solar Thermodynamic Power (CSTP) technologies are among the most promising technologies for energy transition. Among these, Tower Solar Power Plants (TSPPs) are thoses that could guarantee a high electricity production despite periods without sun. This thanks to their thermal energy storage module. In addition, new research line is growing on the use of TSPPs for biofuel production. The limitations of this technology are related to the low solar/electric conversion efficiencies and the relatively high investment cost. One of the ways to improve the efficiency of TSPPs consists in optimizing the thermal-radiative properties of the receiver, which converts the incident concentrated solar flux into available thermal energy. Receivers are made of a highly absorbent material such as, among others, silicon carbide (SiC) thanks to its high absorptivity in the visible range, good mechanical strength, and high corrosion resistance at high temperatures (>1000°C). Nevertheless, SiC shows a high emissivity in the infrared range which causes significant radiative losses. In this thesis, we studied the impact of chemical doping and titanium carbide inclusion on the thermal radiative properties of two SiC crystallographic structures (3C and 6H). To conduct these studies, we used molecular dynamics (MD) simulations. A simulation technique which allows the evaluation of macroscopic quantities starting from microscopic description of the positions, velocities and accelerations of the atoms. The quantities evaluated by MD were then used as input data in a nodal model code for estimating the performance of TSPP. In particular, we have shown that 6H SiC structure provides better solar/thermal conversion efficiency than 3C SiC structure and that this is true also for the case of porous volumetric receivers compared to surface receivers.