Absorbeur solaire à air pressurisé à paroi opaque métallique

Nous étudions les phénomènes de transfert et de transport qui gouvernent la production de chaleur à haute température dans les récepteurs solaires à gaz en vue de la conversion thermodynamique de l’énergie solaire en électricité. Dans le cadre du projet RS-PEGASE financé par l’ANR Blanc (2006-2009) et en collaboration avec nos partenaires CEA-LETH, LIMSI-CNRS et Bertin Technologies, nos travaux ont permis de développer des méthodes et des outils de simulations des transferts par convection turbulente à différentes échelles. Ces travaux se concrétisent par la conception et la fabrication de modules d’absorbeurs solaires de faible puissance (10 à 30 kW) et la conception d’un récepteur solaire pilote (350 kW).
Banc d’expérimentation des absorbeurs solaires au four de 1000 kWLes technologies d’absorbeurs ont été validées et leurs performances ont été vérifiées par les travaux expérimentaux effectués au foyer des installations solaires de PROMES à Odeillo. Nous avons installé un banc d’essai au four solaire de 1000 kW, constitué d’une unité de production d’air comprimé, d’une ligne instrumentée pour contrôler la pression et le débit d’air (capacité 5 bar, 50 g/s), d’une unité de préchauffage (capacité 400 °C), et d’une ligne d’échappement (refroidisseur et silencieux). La figure 1 montre l’installation au foyer du four solaire. Un large domaine de conditions opératoires a été couvert, proches des conditions d’exploitation attendues : température d’entrée d’air de l’ambiante à 400°C, débit de 20 à 45 g/s, flux solaire incident de 100 kW/m2 à 600 kW/m2, pression de travail voisine de 5 bar. Dans ces conditions, l’air a été chauffé jusqu’à 750 °C (élévation de température de 400 °C), les résultats ont mis en évidence un coefficient d’échange effectif fluide-paroi insolée de 1300 à 2600 kW/m2.K selon la technologie.

Technologie Heatric pour l’absorbeur solaire Vue de la technologie interne des mini-canaux sinusoïdaux

Deux technologies d’absorbeurs solaires métalliques à air pressurisé, dérivées des technologies d’échangeurs compacts, ont été proposées et ont donné lieu à des campagnes de validation expérimentale (thèse de doctorat de Mathieu Vrinat, 2006-2009, cofinancée CNRS-CEA). La technologie de référence, maîtrisée par la société Heatric, consiste à assembler par soudage par diffusion des plaques de matériau noble (type Inconel) gravées de mini-canaux en zig-zag dans lesquels circule l’air. L’écoulement est transversal, dans 5 couches de mini-canaux situées à des profondeurs entre 5 et 15 mm (voir figure 2 et 3). Un excellent coefficient d’échange local est attendu, et les pertes de charge demeurent dans la fourchette autorisée pour notre application (150 mbar). Les résultats des expériences effectuées au four solaire d’Odeillo montrent que la conduction thermique dans la matrice métallique faiblement conductrice (25 W/m.K) pénalise le coefficient d’échange effectif de l’absorbeur entre la paroi insolée et l’air. De plus, aucune solution satisfaisante de distributeur d’air en face arrière n’a pu être définie, ce qui rend cette technologie peu attractive pour construire un récepteur solaire.

Technologie du CEA-LITEN pour l’absorbeur solaire Vue de la technologie interne du CEA-LITEN

La technologie alternative innovante proposée repose sur le savoir-faire du CEA-LITEN pour réaliser des structures composites de tubes métalliques en acier base Nickel noyés dans une matrice conductrice en cuivre enveloppée dans une gaine inox. Pour intensifier les transferts, des inserts hélicoïdaux sont introduits dans les tubes (voir figure 4 et 5).
Les expérimentations effectuées sur un absorbeur de technologie LITEN ont mis en évidence une excellente répartition de chaleur dans la matrice. Dans l’absorbeur fabriqué en 2008 et expérimenté en 2009, le grand diamètre des tubes (diamètre intérieur 8 mm) limite l’échange local et pénalise ainsi légèrement la performance d’échange effectif (1300 W/m2.K). Ce défaut est corrigé sur le prochain absorbeur en construction fin 2009, composé de tubes plus fins (diamètre intérieur 6 mm).

Exemple de point de mesure sur absorbeur LITEN Simulation numérique des transferts dans une tranche de l’absorbeur

Un exemple de mesures obtenues sur l’absorbeur de technologie LITEN est indiqué sur le graphe de la figure 6. On observe dans cet exemple un écart de température entre l’air et la paroi chaude compris entre 100°C et 300°C. La simulation numérique (figure 7) met en évidence que ce gradient thermique se situe pour une part dans l’enveloppe métallique protectrice extérieure et pour l’autre part dans la couche limite d’air.

Ces travaux permettent de mieux maîtriser les transferts locaux dans des mini-canaux ou des tubes fins, et de mieux comprendre l’influence de la répartition de ces canaux sur les performances globales de l’absorbeur. Ils se poursuivent d’une part par l’optimisation des matériaux constitutifs et de la géométrie interne de l’absorbeur, et d’autre part par l’étude de dispositifs de stockage thermique intégrés à l’absorbeur solaire (thèse de David Bellard, 2009-2012, cofinancée CNRS-CEA). Sur la base de ces travaux et en considérant un concept nouveau de distributeur obtenu par une approche constructale (post-doc de Yilin Fan, CNRS, 2009) indiqué sur la figure 8, nous avons entrepris la conception d’un récepteur solaire pilote de 350 kW, qui sera expérimenté sur le site de Thémis à partir de 2011 (thèse de Benjamin Grange, 2009-2012, CIFRE EDF). Nous proposons un concept de récepteur modulaire multi-étagé à cavité. La surface absorbante est constituée d’un assemblage de modules absorbeurs élémentaires ( figure 9).

Les modules sont alimentés en parallèles, au sein de groupes disposés en étages consécutifs. La surface absorbante est placée au fond d’une cavité afin de réduire les pertes par rayonnement. La circulation d’air est organisée de manière à s’accommoder de la répartition non uniforme du flux solaire concentré (figure 10) et à délivrer l’air en sortie à la température de consigne, ici fixée à 750°C, sans entraîner de surchauffe inacceptable des parois métalliques (température maximum admissible 900°C). On estime que le flux solaire maximum sur l’absorbeur ne dépassera pas 600 W/m2. La figure 11 montre un exemple de résultat d’estimation des températures d’air et de parois, par simulation numérique avec couplage entre optique et thermique.

Concept innovant d’absorbeur solaire Concept de distributeur Distribution du flux solaire sur l’absorbeur (à gauche), simulation par Soltrace de 10 héliostats centraux du champ de Pegase à Thémis, 21 juin à midi répartition de température de l’air et des parois (h=1500 W/m2.K) En bleu : 1er étage, en vert : 2ème étage, en orange et jaune : parois isolantes