Thermophysique, Rayonnement et Écoulement pour les Centrales Solaires

Politique scientifique et objectifs

Les recherches concernent la conversion thermodynamique de l’énergie solaire et l’utilisation de la chaleur solaire dans les procédés industriels.

Les récents développements de récepteurs solaires pour la conversion thermodynamique de l’énergie solaire concentrée nécessitent la mise au point de récepteurs solaires haute température.

Le travail de cette équipe passe et se renforce par des échanges entre expérimentations et simulations numériques. Il se place dans l’axe prioritaire n°3 de la Stratégie Nationale de Recherche et d’Innovation. D’une part, nous explorons les paradigmes de simulation adaptés pour fournir des simulations physiques toujours plus précises. D’autre part, le recours aux expériences permet d’étudier la qualité des calculs en s’assurant qu’ils sont suffisamment précis et utiles en regard des autres moyens d’exploration des propriétés physiques des gaz et des matériaux considérés.

L’équipe a la responsabilité des expérimentations avec le concentrateur à tour de Thémis et du projet PEGASE.

Les recherches visent à développer les méthodes et moyens en vue (1) de proposer des outils de modélisation et de simulation des systèmes thermiques de conversion de l’énergie solaire concentrée (en particulier les récepteurs solaires), (2) de valider les concepts à l’échelle laboratoire et (3) dans certains cas, de développer des démonstrateurs à l’échelle pilote.

Thermophysique

L'étude du vieillissement des composants et des matériaux dans les "applications solaires sous concentration" (CSP) est une thématique dont l'intérêt se manifeste de manière très croissante. Dans le cas de la production industrielle d'électricité par voie solaire thermodynamique, la connaissance de la durée de vie des récepteurs solaires soumis à des hauts flux et à des cycles irréguliers est un paramètre essentiel pour le développement et la compétitivité de ces composants clefs.

La durée de vie des composants a une répercussion directe principalement sur le coût, la fiabilité, et la maintenance de ces systèmes. Les travaux actuels dans ce domaine sont rares, voire presque inexistants.

L’équipe s’est fixé comme objectifs de :

  • déterminer les matériaux (métaux, céramiques et/ou dépôts) les plus sensibles au vieillissement dans les CSP pour la production d'électricité,
  • définir des méthodologies théoriques et expérimentales pour identifier et quantifier les principaux mécanismes qui contrôlent leur dégradation,
  • mettre au point et valider des conditions de test d'accélération des phénomènes de vieillissement.

Sur le plan fondamental et à l’aide de codes de simulation (2D et 3D), nous recherchons les principaux paramètres responsables des gradients thermiques au sein du matériau et leur influence sur sa dégradation.

De plus, des études expérimentales associées, à l’aide de fours solaires, permettent la simulation de conditions réelles et accélérées du vieillissement. Des obturateurs du rayonnement permettent de reproduire les agressions cycliques, réelles ou intensifiées et accélérées, auxquelles les matériaux sont soumis.

Des techniques de mesure de température par voie optique (pyroréflectométrie, imagerie IR) sont mises en œuvre afin d'évaluer et d'analyser les gradients thermiques dans les matériaux testés au foyer des installations solaires.

L’estimation des propriétés se fait à l’aide de méthodes photothermiques, non destructives, couplées aux techniques inverses.

Rayonnement

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. 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.

Modélisation et simulation des transferts radiatifs

Transferts volumiques

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.

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.

Ecoulement

Notre démarche consiste à étudier les écoulements au sein des récepteurs solaires depuis un élément de l’architecture interne jusqu’au récepteur complet.

    Les enjeux de l’optimisation des récepteurs solaires sont :
  • mieux comprendre comment les forts gradients thermiques modifient la structure de l'écoulement (turbulent et fortement anisotherme),
  • prévoir la géométrie du récepteur et les matériaux à utiliser afin d’obtenir les meilleurs rendements énergétiques.

A chacun de ces enjeux correspond un niveau de description physique, une stratégie numérique et des moyens de diagnostics expérimentaux.

Ainsi, une meilleure compréhension des couplages complexes entre la turbulence et les forts gradients thermiques nécessite des simulations fines où toutes les échelles de l'écoulement sont explicitement résolues (simulations numériques directes, SND, ou des grandes échelles, SGE).

En revanche, la recherche d’une géométrie optimisée d’un récepteur nécessite une étude paramétrique, c’est à dire de nombreuses simulations. On utilise alors des modèles statistiques (RANS pour Reynolds Average Navier-Stokes).

Enfin, à l’échelle réelle du récepteur, on utilise des corrélations afin d’évaluer les températures de sortie du fluide, ainsi que les pertes de charge globales. Les simulations les plus fines (SND et SGE) renseignent et servent de validation aux modèles plus complexes (RANS) ainsi qu’aux corrélations.

La plate-forme expérimentale sur le site d’Odeillo est constituée d’une soufflerie canal plan à veine ouverte « MEETIC » (Moyens d’Essais des Ecoulements Turbulents pour l’Intensification des Transferts de Chaleur). Cette soufflerie est instrumentée de multiples capteurs de pression et de vitesse, et  de moyens de diagnostic optique par nappe laser « S-PIV » (Stéréo Particle Image Velocimetry).

Centrale solaire

Récepteurs solaires innovants

Depuis 2006 et en collaboration avec le LITEN-CEA, PROMES propose 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’exploiter un prototype de centrale à tour hybride solaire-fossile sur le site de Thémis à Targasonne (voir photo).

Le cas de figure retenu 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. 

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 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 sur 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.

Nouveaux fluides de transferts

Pour des températures supérieures à 550°C, la limite d’utilisation des sels fondus actuels, les fluides de transfert disponibles sont peu nombreux. On peut citer, les fluides supercritiques (H2O et CO2), les gaz ou les métaux liquides. L’équipe étudie une autre solution : les suspensions denses de particules solides. Ces milieux ont des propriétés thermophysiques proches des liquides mais ne présentent pas de transition de phase (liquide-solide)  et sont stables à haute température. Par ailleurs, ils peuvent être utilisés comme fluide de transfert et matériau de stockage.

Les recherches sont développées dans le cadre du projet européen « Concentrated solar power in particles » (CSP2). Deux grands objectifs sont poursuivis : (1) améliorer les connaissances sur les propriétés hydrodynamiques et thermiques (transferts pariétaux) de ces suspensions ; (2) développer un prototype (10 kW) et un pilote (150 kW) de récepteur solaire mettant en œuvre ce pseudo-fluide en circulation ascendante dans des tubes.

Trois résultats majeurs ont été obtenus :

  1. Température des particules de 750°C en sortie du prototype (un tube unique) -voir photo- soit 200°C au-dessus des sels fondus classiques à base de nitrates ;
  2. Coefficient d’échange tube-suspension entre 500 et 1000 W/m2.K  en fonction du débit de circulation du solide et de la température ;
  3. Démonstration du fonctionnement stable pendant plusieurs heures d’un pilote de 150 kW testé au grand four solaire de 1000 kW (16 tubes) avec un débit de circulation du solide de 1 à 1,6 tonnes/h, voir photo.

 

Pour en savoir plus

 

Personnels de l'équipe

Permanents



Cyril CALIOT, CR1 CNRS, Responsable
Adrien TOUTANT, MdC (HDR) UPVD, Responsable
Gilles FLAMANT, DRCE1 CNRS
Gabriel OLALDE, DR1 CNRS
Françoise BATAILLE, PR1 UPVD
Marc DAUMAS, PR1 UPVD
Pierre NEVEU, PR1 UPVD (temps partagé)
Bernard CLAUDET, PR2 UPVD (temps partagé)
Alain FERRIERE, CR1 CNRS
Olivier FAUGEROUX, MdC (HDR) UPVD
Quentin FALCOZ, MdC UPVD (temps partagé)
Daniel GAUTHIER, IRHC CNRS (temps partagé)
Audrey SOUM-GLAUDE, IR2 CNRS
Antoine PEREZ, AI CNRS
Jean-Yves PEROY, AI CNRS
William BALTUS, TCN CNRS

CDD




Hadrien BENOIT
Benjamin GRANGE
Brice NICOLAU
Yann VOLUT, IR

ATER



Yasmine LALAU

Doctorants



Belkacem AGAGNA (depuis 2016)
Jean-Marc AVELLANEDA (depuis 2016)
Malik BELOT (depuis 2015)
Antoine BITTARD DU CLUZEAU (depuis 2016)
Julien CHARON
Mathieu COQUAND (depuis 2014)
Pierre-Henri DEFIEUX (depuis 2017)
Dorian DUPUY, bourse Ministère (depuis 2015)
Thomas FASQUELLE (depuis 2014)
Chuan JIANG (depuis 2017)
Rui LI (depuis 2015)
Inma PEREZ-LOPEZ (depuis 2014)
Reine REOYO-PRATS (depuis 2016)

Post-Doctorants




Omar BEHAR

Autres




ANTOINE DEMIQUEL, Convention d'accueil