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18 oct. 2016

Offre de thèse - Labex SOLSTICE 2016 - Méthode optique hybride pour la caractérisation d'un champ d'héliostats dans une installation solaire à concentration


 

Résumé 

Les centrales solaires à tour utilisent des milliers d’héliostats et la caractérisation rapide et précise de leurs défauts optiques constitue actuellement un verrou technologique important. L’objectif de la thèse est d'étendre les capacités d'une méthode innovante de caractérisation des défauts optiques des héliostats. Cette méthode dite de “rétro-visée” s'appuie sur un brevet et une première phase de mise au point effectuée au PROMES depuis deux ans. La thèse consistera à utiliser une méthode de fluxmétrie sur cible blanche, constituant l’état de l’art actuel, pour la calibration des héliostats en la combinant à la méthode de rétrovisée à quatre caméras. Les principaux paramètres opérationnels des méthodes seront étudiés, discutés et optimisés grâce à des campagnes de simulations. Les méthodes expérimentales de rétro-visée et de fluxmétrie seront mises en œuvre à la centrale THEMIS à Targassonne. La nouvelle méthode optique hybride sera appliquée sur quelques héliostats et validée par la vérification des effets des réglages apportés.

Descriptif détaillé

La conversion de l’énergie solaire concentrée en électricité domestique ou industrielle est l’une des voies les plus prometteuses pour la production des énergies renouvelables du XXIème siècle. Les futures centrales solaires à tour possèderont un récepteur de chaleur (ou d’un réacteur thermochimique) installé au sommet d’une tour d’une centaine de mètres de hauteur, et entourée de dizaines de milliers de miroirs segmentés placés au niveau du sol (les héliostats), assurant le suivi du soleil et la concentration des rayons à l’intérieur du récepteur. Parmi les nombreux défis technologiques restant à relever figure celui du temps et des efforts consacrés au réglage et au contrôle des héliostats avant la mise en service opérationnelle de la centrale, puis au suivi régulier de leur évolution au fil du temps. L’expérience acquise sur les installations solaires existantes (par exemple en France le Four solaire CNRS d’Odeillo de 1MW ou la centrale THEMIS à Targassonne) laisse présager que ces opérations pourraient demander plusieurs mois ou même plusieurs années en appliquant les techniques actuelles (revues par Xiao et al, 2012) à l’échelle industrielle. La mise au point et l'implémentation opérationnelle de méthodes plus efficaces constitue donc l’une des principales clés pour le développement de cette filière énergétique dans les prochaines décennies. Dans cette perspective, nous envisageons d’étendre les capacités de la méthode dite de “rétro-visée”. Cette méthode est issue d’un dépôt de brevet (Henault et Caliot, 2014) et d'une première phase de mise au point actuellement en cours à PROMES. Son principe consiste à mesurer, à partir de plusieurs points d’observation (en pratique des caméras digitales) situés au voisinage du point focal théorique, les répartitions de luminance visibles à la surface des miroirs éclairés par le soleil. A partir de ces images, les déformations réelles des différents segments sont ensuite estimées au moyen d’algorithmes spécifiques. La méthode permet de discriminer les erreurs de pointage de l'héliostat, les erreurs de réglage des segments, et les défauts de surface de ces segments (incluant par exemple les défauts de courbure) de manière quantitative.

Objectif de la thèse

L’objectif de la thèse est de développer les capacités actuelles de la méthode de “rétro-visée” pour le contrôle des défauts des surfaces optiques des héliostats. La précision de cette nouvelle méthode doit être améliorée grâce à l’utilisation de résultats expérimentaux obtenus par une méthode de fluxmétrie sur cible passive. De la combinaison de ces deux méthodes émergera une méthode optique hybride capable de caractériser complètement et avec une grande précision les héliostats de la centrale à tour de Thémis. Cette méthode appliquée à certains héliostats permettra d’effectuer des corrections de la forme des miroirs au moyen de leurs actuateurs. Enfin, une caractérisation après les réglages validera la méthode optique hybride complète.

Programme de travail

Le travail de recherche débutera par une étude bibliographique des méthodes utilisées pour caractériser les surfaces réfléchissantes dans les centrales solaires à concentration. Les techniques telles que la déflectométrie, les cibles colorées, la photogrammétrie, etc., seront revues et comparées à la méthode de retro-visée. Les travaux de prédiction des distributions de flux solaire concentré sur une cible avec des méthodes de Lancers de Rayons et à Convolution seront recensés et discutés.

Une formation aux outils numériques et aux dispositifs expérimentaux développés à PROMES (logiciel de Lancers de Rayons, banc de rétro-visée à 4 caméras, fluxmétrie sur cible) sera réalisée à-travers des campagnes de simulations et d’expériences réalisées à Thémis (Targassonne, France).

Une étude théorique utilisant des logiciels sera menée. Des simulations de prise d’images par des caméras (logiciel COSAC) permettront d’optimiser théoriquement les paramètres opérationnels de la méthode de rétro-visée pour une application à la centrale à tour de Thémis : nombre de caméras, distance, position relative autour du point cible, etc. Un calcul du front d’onde sera entrepris pour identifier différentes sources d’erreurs comme un defocus, un astigmatisme, etc. Ensuite, des simulations de distribution de flux solaires concentrés sur une cible (logiciel COSAC ou SOLSTICE) seront réalisées en utilisant des héliostats réels, c'est-à-dire comportant des défauts de structure ou de pointage, dans le but de quantifier les effets des défauts sur la variation de la taille et de la position de la tâche focale au cours du temps.

L’objectif étant de développer une méthode hybride de caractérisation des défauts d’héliostat grâce à la méthode de rétro-visée et à la fluxmétrie sur cible, les deux méthodes expérimentales seront mises en œuvre sur un ou plusieurs héliostats tests pour obtenir des données brutes. Ensuite, le post-traitement de la méthode de rétro-visée permettra d’obtenir les défauts des miroirs qui serviront d’informations initiales pour alimenter un algorithme d’optimisation. Cet algorithme recherchera itérativement les défauts des surfaces minimisant les écarts entre les distributions de flux calculées et mesurées sur la cible. Cette combinaison constituera le cœur du développement de la méthode optique hybride. Enfin, grâce à l’identification des défauts, un réglage des héliostats sera réalisé et une campagne de mesure (rétro-visée et fluxmétrie) validera la méthode hybride complète de calibration et de réglage.

Références

- Xiao, J., Wei, X., Lu, Z., Yu, W., Wu, H. , A review of available methods for surface shape measurement of solar concentrator in thermal power applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, pp. 2539-2544, 2012.
- Henault, F., Caliot, C., Installation concentratrice de rayonnement cosmique équipée d'un système de contrôle de surface optique réfléchissante, Demande de Brevet en France n° 14/52622, 2014.

Direction et lieu de la thèse

Codirection de thèse :
- Cyril Caliot (Chargé de Recherche CNRS, Habilité à Diriger des Recherches)
+33 4 68 30 77 44,
Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), 7 rue du Four Solaire, 66120 Font-Romeu-Odeillo-Via.
- François Hénault (Ingénieur de Recherche CNRS, Habilité à Diriger des Recherches)
+33 4 76 63 57 78,
Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG), Université J. Fourier – B.P. 53, 38041 Grenoble.

La thèse se déroulera au laboratoire PROMES à Odeillo.

Chronogramme

Compétences demandées

Le(La) candidat(e) devra posséder des compétences :
1. en optique et/ou en transfert radiatif,
2. en programmation informatique et/ou calcul scientifique (ex. traitement d’image, Matlab, python, C, C++, etc.),
3. d’expression écrite et orale en français et en anglais.
Il(Elle) sera motivé(e) par les aspects expérimentaux et numériques du sujet de thèse.

Financement

La thèse sera cofinancée par le projet Next-CSP (coordinateur PROMES, G. Flamant) et le Labex SOLSTICE (responsable PROMES, G. Flamant) pour un montant d’environ 1750 € brut mensuel.

 

Documents pour l’inscription en thèse à l’Ecole Doctorale Energie Environnement E² :

  - dossier d'inscription
  - relevés des notes de Master 1 et Master 2 (traduit si besoin, en anglais ou en français)
  - Le présent résumé (au moins deux pages) du sujet de thèse
  - Le présent chronogramme du déroulement de la thèse

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