Contexte : La thèse se déroulera au laboratoire PROMES, sur le site d’Odeillo, dans le contexte du projet ANR SiCSun.
Le projet SiCSun a pour objectif d’apporter la preuve de concept d’un récepteur solaire (RS) en carbure de silicium (SiC) mettant en oeuvre des particules comme fluide caloporteur ou milieu réactif (voir schéma de principe ci-après). Il a également pour ambition d’étudier les enjeux scientifiques et technologiques associés au développement de cette innovation. Il s’agit en particulier de développer des outils de conception, de contrôle/commande et de maintenance prédictive pour la maîtrise des transferts thermiques pariétaux, des écoulements gaz-particules et des contraintes thermomécaniques.
Catégorie : Doctorats – Post-doctorats
Contexte : Les systèmes de conversion photonique (spectre visible ou infra rouge) utilisent en très grande majorité des jonctions à base de semiconducteurs. La technologie à base de silicium est la plus répandue pour fabriquer des cellules photovoltaïques (rendement maximum : 27,6%). Sous concentration solaire, les rendements des cellules multijonctions à base de semiconducteurs III/V (arséniures et phosphures) sont les plus élevés (rendements max 47,1%, 6 jonctions à 143 soleils [1]). Ces cellules sont également candidates aux applications de couplage CSP/CPV (Concentrated Solar Power/Concentrated PhotoVoltaics). Mais leur réalisation est chère et complexe. Les antimoniures sont actuellement à l’étude pour fabriquer des cellules multijonctions. En effet leur utilisation simplifie grandement le processus de fabrication puisqu’elle permet une croissance monolithique de la structure sur un seul substrat. Le laboratoire PROMES (UPR 8521 CNRS en convention avec l’UPVD) collabore en région dans le cadre du LABEX SOLSTICE avec l’IES de Montpellier (Institut d’Électronique et des Systèmes), pour développer des cellules PV multi-jonctions à base d’éléments III du tableau périodique des éléments et d’antimoine (Sb) types AlxGa1-xAsySb1-y et AlxIn1-xAsySb1-y, pour des applications CPV [2, 3, 4]. Ces mêmes antimoniures sont également étudiés pour application à la vision nocturne puisque leur petit gap permet de convertir des photons dans l’infrarouge.
Afin d’augmenter le rendement des centrales solaires à tour de prochaine génération, la température de fonctionnement du récepteur solaire doit être augmentée autour de 1000°C. Les fluides de transferts actuels ne peuvent supporter ces niveaux de température aussi de nouvelles alternatives doivent être trouvées. Une des possibilités pour atteindre cet objectif est d’utiliser au sein du récepteur solaire un mélange gaz-particules comme fluide de transfert. La maîtrise des écoulements gaz-particules des futures centrales solaires à tour est un verrou scientifique important. En effet, les couplages entre l’agitation, le caractère diphasique de l’écoulement et la thermique rendent la physique particulièrement complexe. Cette thèse vise à améliorer la compréhension et la modélisation des transferts thermiques pariétaux dans ces configurations d’écoulements.
The PhD project aims to contribute to the development of a fluidized-bed heat exchanger model in which the fluid to be heated circulates inside bundles of tubes immersed in the fluidized particles. This is an intermediate-scale model between a particulate approach in which the movement of each particle is simulated, and a global approach which describes the transfer solely on the basis of a parietal exchange coefficient.
Une batterie lithium-ion est composée de cinq composants principaux : anode, cathode, séparateur, électrolyte et collecteur de courant. L’anode est composée d’une feuille de cuivre recouverte de graphite ; la cathode est une feuille d’aluminium recouverte d’un matériau électrochimiquement actif. Le matériau actif est généralement un oxyde de lithium-métal de transition LiMO2, (où M signifie Co, Ni, Mn, Al) ou des matériaux NMC (Ni, Mn et Co) et NCA (Ni, Co et Al), avec des ratios différents entre des métaux particuliers. L’adhérence entre la feuille d’Al et le matériau actif est améliorée par un liant polymère, le plus souvent du fluorure de polyvinylidène (PVDF). La conductivité ionique est assurée par un électrolyte tel que des mélanges de carbonates d’alkyle et de sels de Li, tels que LiPF6.
Le Défi Clé PV-STAR propose le financement de post-doctorats dans le domaine du Photovoltaïque en conditions non standard (voir ci-après les thématiques scientifiques couvertes par le Défi Clé).
Context and motivations
Solar thermal technologies rely on the collection of the solar radiation to generate heat (by heating a fluid) that can be used for domestic, residential and industrial purposes. If solar irradiance is concentrated using mirrors, this heat can in turn be used to produce electricity via a turbine. These technologies call for optically efficient components with complex and sometimes conflicting optical behaviors. In particular, the solar receiver should be highly absorbing in the solar range (0.28 – 4 µm) to harvest as much solar radiation as possible, but also lowly emissive in the infrared range (1 – 50 µm) to limit radiative thermal losses. This spectral selectivity can be achieved using multilayered coating architectures, associating lowly emissive (e.g. metals) and highly absorptive materials (e.g. dielectric/ metal/dielectric multilayers or metal-ceramic composites), that need to be optically designed and optimized in terms of layer thicknesses and compositions, to guarantee their high optical performance.
A judicious preselection of materials is also paramount, as the solar receivers should also be resistant to harsh operating conditions such as high temperatures, high solar irradiation, oxidant and erosive atmospheres and high thermomechanical stress for long durations, while remaining optically efficient.
The objective of the project is to explore an innovative avenue for the production of oxygen on the Moon by the concentrated solar pyrolysis of the regolith. This process consists in heating the rocks from the lunar soil (regolith) at very high temperature to extract different materials, including the oxygen necessary for any lunar base project. This process has the advantage of not requiring any resources from the Earth. Preliminary studies have been carried out by CNES/ESA and the proof of concept requires the use of efficient solar concentrators available at the PROMES laboratory in Odeillo. The work will consist in continuing theoretical studies, designing, building and testing a solar pyrolysis device to extract oxygen from rock composed of a mixture of oxides. Other products (i.e. metals or other strategic elements) may also be separated and must be analyzed for recovery. This work should bring out new perspectives for the establishment of a lunar base by in-situ use of the resources present for a further away exploration of space.
L’objectif de cette thèse est la mise en oeuvre d’une démarche PHM destinée aux tubes échangeurs des centrales solaires à concentration équipées de collecteurs cylindro-paraboliques. Les résultats attendus sont le développement, l’analyse et la validation d’algorithmes, utilisant l’apprentissage machine, capables de détecter l’occurrence, de diagnostiquer la nature et de prédire l’évolution des défauts qui peuvent survenir en utilisant des mesures ultrasons. Ces algorithmes devront permettre de diminuer les coûts de maintenance et donc de rendre ces centrales solaires économiquement plus compétitives. De plus, les résultats peuvent aussi être exploités pour optimiser le rendement des centrales conjointement aux travaux qui sont menés actuellement à PROMES sur le contrôle-commande avancé des centrales solaires équipées de collecteurs cylindro-paraboliques.
L’alliance européenne des batteries lancée par la Commission Européenne en 2017 pour bâtir une chaîne de valeur intégrée sur le sol européen porte ses fruits. Quinze projets d’usines de batteries Li-ion ont été lancés en Europe avec une capacité de production de 500 GWh d’ici 2030. Alors qu’elle ne représentait que quelques pourcents de la production mondiale de batteries en 2019, l’Europe pourrait être en mesure de répondre à sa demande intérieure dès 2025. Mais de nombreux défis restent à relever dont la recyclabilité des batteries qui demeure un défi majeur pour l’industrie européenne.