Analyse du potentiel de nouvelles structures d'absorbeur volumétrique pour les récepteurs des centrales solaires à tour

• Auteur / Autrice : Fabrisio Gomez Garcia
• Direction : Gabriel Olalde, José Gonzalez-Aguilar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 16/01/2015
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Flamant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Olalde, José Gonzalez-Aguilar, Adrien Toutant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoit Rousseau, Pascal Boulet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Thermodynamique

Centrales solaires

Mots clés libres

Absorbeur volumétrique

Propagation du rayonnement

Comportement thermo-hydraulique

Efficacité thermique

Volumetric absorber

Radiation propagation

Thermohydraulic behavior

Thermal efficiency

Résumé

L’un des éléments clé pour atteindre de hauts rendements dans les centrales solaires à récepteur volumétrique est l’absorbeur. Sa structure poreuse permet au rayonnement solaire de pénétrer à l’intérieur, où l'énergie absorbée doit être transférée efficacement par convection au fluide qui la traverse. Dans ce travail, deux types d’absorbeurs innovants sont présentés et analysés : l’un constitué par une série d’éléments empilés avec une structure en forme de grille, l’autre par des éléments similaires à des stores vénitiens. A titre de référence, un absorbeur classique à nid d’abeilles est aussi évalué. La propagation du rayonnement solaire au sein des absorbeurs est modélisée au moyen de la technique de lancer de rayons, basée sur la méthode de Monte Carlo. Leur comportement thermo-hydraulique est simulé par la méthode des éléments finis. Les caractéristiques géométriques des deux absorbeurs proposés améliorent le transfert thermique par convection par rapport aux absorbeurs alvéolaires et la modification des leurs principaux paramètres géométriques nous a permis d’augmenter la longueur d’extinction du rayonnement solaire. Cependant, l’accroissement de leur surface frontale apparente augmente les pertes par réflexion. A l’issu des résultats théoriques, l’absorbeur à stores vénitiens a été retenu pour l’analyser expérimentalement. Ses performances thermiques sont comparées avec celles d’un absorbeur alvéolaire. Ces résultats montrent également que la structure de l’absorbeur proposé intensifie les échanges thermiques vers le fluide. De plus, ce type d’absorbeur atteint un meilleur comportement thermique à de hauts flux radiatifs et à des débits élevés.

One of the key elements for achieving a high efficiency in solar power plants with volumetric receiver is the absorber. Its porous structure allows the solar radiation to penetrate inside it, where the absorbed energy should be transferred efficiently by convection to the fluid which crosses through it. In this work, two types of innovative absorbers are presented and analyzed: one consisting of a set of stacked elements with a grid-like structure, the other with elements similar to venetian blinds. As a reference, a conventional honeycomb absorber is also evaluated. The solar radiation propagation within the absorbers is modeled through the ray tracing technique, based on the Monte Carlo method. Their thermohydraulic behavior is simulated by the finite element method. The geometrical characteristics of the two proposed absorbers improve convective heat transfer compared to honeycomb absorbers and the modification of their main geometric parameters allowed us to increase the extinction length of solar radiation. However, the increase of their apparent frontal surface rises up reflection losses. Based on the theoretical results, the venetian blind absorber was selected to analyze it experimentally. Its thermal performance is compared with that of a honeycomb absorber. These results also indicate that the structure of the proposed absorber intensifies the heat exchange to the fluid. Moreover, this kind of absorber reaches a better thermal behavior at high heat flux and at high flow rates.