Récepteurs solaires haute température et fluides de transfert

Conception et l’expérimentation de récepteurs solaires à air pressurisé

Depuis 2006 et en collaboration avec le LITEN-CEA à Grenoble, PROMES développe une activité de recherche visant à proposer de nouveaux concepts de récepteurs solaires à air pressurisé capables de fournir une température d’air supérieure à 750°C sous 6 à 10 bar.
L’application principale de ce type de récepteur est l’intégration dans un cycle à gaz (turbine à gaz) fonctionnant en mode hybride solaire-fossile (ou biomasse). PROMES conduit notamment le projet PEGASE dont l’objectif est d’installer et d’exploiter à titre expérimental un prototype de centrale à tour hybride solaire-fossile sur le site de Thémis à Targasonne.
Le cas de figure retenu pour nos travaux est celui d’un récepteur solaire métallique éclairé par un flux moyen de 300 kW/m2 refroidi par un écoulement d’air sous 6 à 10 bar de 0,7 kg/s.m2 et qui délivre une élévation de température de l’air de 400°C (750°C en sortie pour 350°C en entrée). Le rendement de conversion rayonnement/chaleur visé est supérieur à 80%. Ce récepteur associe un absorbeur solaire à paroi opaque métallique à une cavité réceptrice.

Les concepts étudiés pour l’absorbeur solaire à paroi opaque métallique sont basés sur les technologies d’échangeurs compacts, mettant en œuvre une surface opaque plane qui absorbe le rayonnement solaire concentré et un échangeur performant refroidi par circulation de gaz dans une matrice et développé sur une épaisseur réduite. Plusieurs technologies d’absorbeurs ont ainsi été étudiées et expérimentées : absorbeurs à mini-canaux et absorbeurs à tubes munis d’inserts promoteurs de turbulence. La performance de ce type d’absorbeur est estimée au travers du coefficient d’échange global et des pertes de charges supportées par l’écoulement d’air. Ces dernières ne doivent pas excéder 0,3 bar afin de ne pas affecter le rendement de conversion de la turbine de détente.
Le récepteur solaire proposé par PROMES est de type cavité, modulaire et multi-étagé : il s’agit d’un assemblage de modules absorbeurs élémentaires identiques constituant l’absorbeur placé au fond d’une cavité dont l’ouverture reçoit le rayonnement solaire concentré. Le concept retenu pour l’absorbeur élémentaire est celui d’un réseau de tubes métalliques fins noyés dans une matrice conductrice métallique protégée par une enveloppe en alliage haute température. Les expérimentations effectuées sur une maquette d’absorbeur simulant un étage du récepteur ont montré que le coefficient d’échange global dépasse 1500 W/m2.K pour une perte de charge inférieure à 0,1 bar. Dans ces conditions, l’élévation de température obtenue sur un débit d’air de 100 g/s est de 300°C sous 400 kW/m2 (chauffage de 350°C à 650°C) et 100°C sous 200 kW/m2 (chauffage de 650°C à 750°C).

Un volet récent concerne la recherche d’un dispositif de stockage thermique intégré au récepteur solaire, de faible capacité mais de forte puissance, destiné à protéger le récepteur et les composants en aval (chambre de combustion, turbine de détente) des évolutions brutales de température entraînées par les variations d’ensoleillement. Nos travaux portent sur l’identification de matériaux à changement de phase adaptés à une gamme de température de 600°C à 650°C, et à leur mise en œuvre dans un système de stockage compact intégré au récepteur, à forte puissance de charge et de décharge.

Micro-récepteurs solaires

Les objectifs de cette recherche sont :

  • Développer des outils de conception basés sur le concept de minimisation d’entropie
  • Fabriquer des microrécepteurs solaires par une technologie originale : le frittage laser.
  • Qualifier les performances des récepteurs solaires dans une vaste gamme de conditions expérimentales à l’aide de fours solaires.

Le micro-récepteur conçu par PROMES a été réalisé par DIPI-ENISE. Il est représenté sur la figure 1 et 2. Cet élément (30 mm x 30 mm) comprend des microcanaux (1 mm de diamètre) et des zones de mélanges (à 90° des entrées et sorties).

Les résultats de simulation des performances de cet élément montrent en particulier que des coefficients d’échange équivalents de l’ordre de 1900 W/m2.K sont atteignables. Les essais doivent être réalisés en 2011.
Financement : PIE CNRS et LIA LES. Collaboration : Univ. Tianjin (Chine), LOCIE (UMR 5271), DIPI-ENISE.

Récepteur solaire volumique poreux, mousses céramiques

Un récepteur volumique absorbe progressivement le rayonnement solaire concentré qui pénètre dans son épaisseur. Grâce à ce principe d’absorption du rayonnement dans le volume (effet volumique), ce type de récepteur peut recevoir de hautes densités de flux (environ 1 MW/m2), et le pic de température est localisé à l’intérieur du volume, et non à la surface, ce qui permet de diminuer les pertes par rayonnement. L’objectif des recherches sur les récepteurs volumiques poreux en mousse céramique réticulée, SiC, est l’optimisation des propriétés du récepteur pour maximiser l’échange entre le rayonnement incident et un fluide (air par exemple) en utilisant l’effet volumique. Pour atteindre cet objectif, des campagnes expérimentales sont menées et des études numériques sont réalisées à l’échelle du pore ainsi qu’à l’échelle du milieu poreux équivalent (Figure 3).

Les campagnes expérimentales mettent en évidence la difficulté de mesurer le profil interne de température mais ont permis de calculer les efficacités thermiques de différents types de mousses céramiques SiC. La modélisation de l’échangeur volumique poreux qui fait intervenir des paramètres tels que le coefficient d’échange, la conductivité et les propriétés radiatives, a conduit à la réalisation d’études paramétriques pour quantifier l’impact sur l’efficacité du couplage entre les transferts radiatifs et l’écoulement. Dans le futur, le problème d’optimisation de l’échangeur volumique sera traité et un démonstrateur pourrait être développé. Collaboration : Laboratory of Solar Thermal Power, Institute of Electrical Engineering, CAS, Pékin, Chine.

Nouveaux fluides de transfert

Problématique : proposer des fluides de transferts sans impact environnemental et sûrs présentant un large domaine de température de fonctionnement.

Suspensions denses de particules
Nous étudions les suspensions denses (environ 50% de solide et 50% de gaz) de particules en écoulement vertical (ascendant ou descendant) dans des tubes constituant l’absorbeur solaire. Le rayonnement absorbé par ces tubes est transmis vers la suspension qui s’échauffe au contact des parois chaudes. Cette suspension circule entre l’entrée et la sortie du récepteur solaire entre deux réservoirs de stockage chaud et froid. Elle assure donc les fonctions de fluide de transfert et de fluide de stockage. Ce « nouveau fluide » de transfert permet des températures de fonctionnement élevées (600°C et plus) limitées seulement par le matériau de paroi. L’utilisation de l’énergie thermique transportée par la suspension peut être réalisée, par exemple, à l’aide d’échangeurs à lit fluidisé mis en œuvre classiquement dans l’industrie de l’énergie pour générer de la vapeur par exemple. 
Financement : PIE CNRS, collaboration : LGC (UMR 5503).