Modélisation et simulation des transferts radiatifs et des systèmes de concentration

Deux types de modélisation du transport de rayonnement sont utilisés. Le premier concerne la modélisation et la simulation des systèmes de concentration et le second concerne les transferts radiatifs à l’intérieur d’un récepteur-réacteur. L’équipe travaille en collaboration avec d’autres spécialistes des transferts radiatifs dans le sud-ouest de la France (Starwest) et participe au Groupe de Recherche CNRS, Action Concertée en Rayonnement Thermique (GDR ACCORT).

Modélisation et simulation des systèmes de concentration

La maîtrise de la distribution de la densité de flux solaire concentré à l’entrée des récepteurs-réacteurs est un facteur déterminant pour le bon fonctionnement et le contrôle des centrales solaires. Les systèmes de concentration sont composés d’héliostats (suivi du soleil) et parfois de miroirs statiques (système « beam-down », surconcentrateur) qui concentrent le flux solaire vers un récepteur-réacteur. Par exemple, le réglage de la courbure et de l’orientation des miroirs composants les systèmes réflecteurs (héliostats, miroirs statiques) est une étape indispensable pour obtenir une distribution homogène du flux solaire concentré à l’entrée des récepteurs-réacteurs. En effet, la taille de la source rayonnante (le soleil), les défauts de spécularité des miroirs et les défauts de pointage des héliostats contribuent à un étalement du flux concentré (profil de type gaussien) et par conséquent à une diminution de la densité de flux solaire.

Des outils numériques (tels que Soltrace, Tonatiuh) utilisant une méthode de lancer de rayons ont été utilisés pour simuler la distribution du flux incident sur les récepteurs, disposé au Grand Four Solaire d’Odeillo ainsi qu’à Thémis. Cependant, les logiciels disponibles en accès libre ne permettent pas de mettre en œuvre des boucles de contrôle d’héliostat ni de réaliser une caractérisation des surfaces réfléchissantes in situ par une méthode inverse. C’est pourquoi un logiciel de simulation de systèmes de concentration est en cours de développement avec la société HPC-SA, dans l’objectif de valoriser et d’appliquer les récentes avancées sur la méthode de Monte Carlo et les calculs de sensibilité dans les systèmes de concentration solaire.

Modélisation et simulation des transferts radiatifs

Transferts volumiques

 

Transimittivité spectrale à haute température obtenue par le modèle statistique de Malkmus.

 

Isocontours et profils de température simulés avec et sans absorption du méthane ; influence de l'absorption par le méthane du rayonnement émis par la paroi, dans la zone de préchauffage (T paroi = 1000 K).

 

Image de la cavité réceptrice (derrière le hublot) des tubes composant le réacteur Solhycarb de 10kW, après l'arrêt de l'éclairement solaire concentré (Four Solaire de 1000 kW).


Dans les récepteurs-réacteurs solaires à haute température, l’étude du couplage des transferts radiatifs avec les autres modes de transferts d’énergie et de matière (écoulement, réactions chimiques) est indispensable pour améliorer les rendements de conversion de l’énergie solaire. Pour étudier les transferts couplés dans ces récepteurs-réacteurs l’ensemble des transferts d’énergie, les réactions chimiques, la croissance ou la disparition de particules ainsi que l’écoulement doivent être modélisés et simulés. De plus, la modélisation du transport de rayonnement tient compte des contraintes en temps de calcul. La stratégie consiste à développer des modèles de transfert radiatif « rapides » qui sont utilisés pour la simulation des transferts couplés et validés par des modèles de référence plus précis (mais exigeant en temps de calcul). La plupart du temps le modèle de référence choisi est constitué d’une méthode de Monte Carlo qui permet de traiter avec précision la diffusion et l’intégration spectrale. En effet, des propriétés radiatives à haute résolution spectrale sont utilisés pour les mélanges gaz-particules à haute température et peuvent être calculées précisément grâce à des modèles spectraux de type raie-par-raie ou bandes étroites (modèle statistique de Malkmus, k-corrélés) pour les gaz (Figure 1) et grâce à la théorie de Mie pour les particules sphériques.

Par contre, les modèles plus rapides sont soit constitués d’une méthode de type ordonnées discrètes en milieu optiquement mince soit d’une méthode P1 pour les milieux optiquement épais. De plus, des modèles spectraux globaux de type ADF (acronyme anglais, Absorption Distribution Function) ou SLW (acronyme anglais, Spectral Line Weighted) sont utilisés pour accélérer les calculs. Ces modèles spectraux globaux sont conçus et ajustés pour donner les meilleurs résultats dans une application précise et n’ont pas vocation à donner les mêmes niveaux de précision dans une application différente.Par exemple, pour le projet européen Solhycarb, l’influence de l’absorption radiative par le méthane dans différentes zones du réacteur a été simulée (transferts couplés, Figure 2) avec une méthode de volume finis ainsi qu’un modèle spectral ADF. Les résultats obtenus par ce modèle ont été ensuite validés par un modèle de référence (Monte Carlo avec un modèle statistique de Malkmus pour le méthane à haute température).

Transferts surfaciques

Le flux solaire concentré entrant dans un récepteur est absorbé en partie, il provoque l’augmentation de température des parois, et il subit aussi de multiples réflexions dans la cavité. Les pertes par émission thermique des parois (Figure 3) et par réflexion du flux solaire peuvent diminuer sensiblement le rendement du récepteur. C’est pourquoi une étude est menée sur la sélectivité directionnelle et spectrale des parois de récepteurs. En effet, l’ajustement les propriétés radiatives des parois permet d’améliorer le rendement des récepteurs. Cet ajustement des indicatrices (directionnelle et spectrale) de réflexion et d’émission des parois peut être obtenu par microstructuration de la paroi en surface et en volume.

Financement : EC, interne