Nouveau procédé de mise en forme de matériaux composites et modélisation numérique pour les applications par voie solaire thermique

New fabrication process for composite materials and numerical modelling for solar thermal applications

• Auteur / Autrice : Shuyao Xiong
• Direction : Nouria Fatah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et Matière Condensée
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 / UCCS
• Jury : Président / Présidente : David Balloy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nouria Fatah, Hervé Muhr, Lounès Tadrist, Claudia Cogné, Gilles Flamant, Guillaume Toquer, Fabien Dhainaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Muhr, Lounès Tadrist

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mélanges (chimie)

Éléments finis, Méthode des

Conductivité thermique

Énergie solaire

Transfert de chaleur

Mécanochimie

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Solaire thermique

Transfert thermique

Procédé de mélange sans solvant

Élaboration des matériaux

Simulateur solaire

Modélisation FEM

Solar thermal

Heat transfer

Dry mixing

Material manufacturing

Solar simulator

FEM medeling

Résumé

L'énergie solaire, une alternative durable et non polluante aux combustibles fossiles, gagne en importance grâceaux propriétés améliorées des matériaux. Cette étude propose une approche novatrice pour les matériauxcomposites de récepteur solaire, intégrant une couche d'absorption et un substrat conducteur thermique. Diversespoudres, dont l'AlN, l'α-SiC, le Cu, l'acier inoxydable, le CaO (à l'échelle micronique, submicronique et nanométrique),le β-SiC, le γ-Al2O3 et le noir de carbone, ont été explorées. Des procédés innovants sans solvants et sans traitementthermique ont été introduits pour le mélange et le revêtement des poudres. Les pastilles, produites par frittage àplasma, comprennent de l'AlN avec des additifs CaO, de l'α-SiC avec des additifs CaO et Al2O3, du Cu avec du β-SiC, etde l'acier inoxydable. Le dépôt du matériau absorbeur solaire a utilisé du noir de carbone. Le simulateur solaire auto-construit a évalué l'absorption d'énergie et l'efficacité de transfert de chaleur. La méthode des éléments finis a simuléle transfert de chaleur radiatif et conducteur dans les pastilles poreuses composites. Les formes géométriquesalignées avec les structures des pastilles pour des comparaisons précises. Le Picomix s'est avéré supérieur au broyageà billes traditionnel pour préparer des poudres mélangées, offrant une approche sans solvant et respectueuse del'environnement. Atteignant une conductivité thermique de 135,3 W/m∙K, la pastille d'AlN avec 3 % en poids de nanoCaO à une vitesse de rotation de 5000 tr/min a excellé. Le revêtement à sec de β-SiC par Picomix a efficacement réduitl'oxydation du Cu tout en maintenant une conductivité thermique élevée, présentant une méthode prometteuse detraitement anti-oxydation. L'ajout de 9 % en poids d'Al2O3 et de CaO à l'α-SiC a élevé la conductivité thermique de sapastille à 114 W/m∙K. Sous le flux thermique radiatif élevé du simulateur solaire, les composites AlN-additif aveccouche de carbone et les pastilles α-SiC-additif ont présenté une amélioration de l'absorption d'énergie solaire et dutransfert de chaleur. Les résultats de la modélisation ont souligné l'influence combinée de l'épaisseur, de la porositéet de la conductivité thermique sur le transfert de chaleur des pastilles poreuses. Pour des pastilles d'épaisseurinférieure à 50 mm, une porosité inférieure à 0,3 et une conductivité thermique dépassant 100 W/m∙K, l'efficacité detransfert de chaleur est restée comparable. L'épaisseur de la couche d'absorption solaire a eu un impact significatifsur le taux de transfert de chaleur des pastilles poreuses/composites. La conductivité thermique du matériauabsorbeur solaire a eu peu d'impact sur l'absorption d'énergie solaire et l'efficacité de transfert de chaleur au-delà de50 W/m∙K. Diverses configurations géométriques ont produit des résultats de simulation comparables.

Solar energy, a sustainable and non-polluting alternative to fossil fuels, gains momentum with enhanced materialproperties. This study proposes a novel approach for composite solar receiver materials, integrating an absorptionlayer and a thermal conductive substrate. Various powders, including AlN, α-SiC, Cu, stainless steel, CaO (micron,submicron, and nano-scale), β-SiC, γ-Al2O3, and carbon black, were explored. Innovative solvent-free processes andheat-treatment-free techniques were introduced for powder mixing and coating. Pellets, produced by spark plasmasintering, include AlN with CaO additives, α-SiC with CaO and Al2O3 additives, Cu with β-SiC, and stainless steel. Solarabsorber material deposition utilized carbon black. The self-constructed solar simulator assessed energy absorptionand heat transfer efficiency. Finite element method simulated radiative and conductive heat transfer in compositeporous pellets. Geometric shapes aligned with pellet structures for accurate comparisons. The Picomix provedsuperior to traditional ball milling for preparing mixed powders, offering a solvent-free and eco-friendly approach.Achieving a thermal conductivity of 135.3 W/m∙K, the AlN pellet with 3 wt% nano CaO at 5000 rpm rotational speedexceled. Dry-coating β-SiC by Picomix effectively reduced Cu oxidation while maintaining high thermal conductivity,presenting a promising anti-oxidation treatment. Adding 9 wt% Al2O3 and CaO to α-SiC elevated its pellet thermalconductivity to 114 W/m∙K. Under the solar simulator's high radiative heat flux, AlN-additive with carbon layercomposites and α-SiC-additive pellets exhibited enhanced solar energy absorption and heat transfer. Modeling resultsunderscored the combined influence of thickness, porosity, and thermal conductivity on porous pellet heat transfer.For pellets with thickness below 50 mm, porosity less than 0.3, and thermal conductivity surpassing 100 W/m∙K, heattransfer efficiency remained comparable. The solar absorption layer's thickness significantly impacted compositeporous pellet heat transfer rate. Solar absorber material’s thermal conductivity minimally affected solar energyabsorption and heat transfer efficiency beyond 50 W/m∙K. Diverse geometric model configurations yieldedcomparable simulation outcomes