Elaboration et caractérisation d'absorbeurs sélectifs platine-alumine pour le solaire thermique à concentration à haute température

Elaboration and characterization of platinum-alumina selective absorber coatings for thermal solar applications at high temperature

• Auteur / Autrice : Carine Gremion
• Direction : Christian Seassal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Solaire thermique
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain Billard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Drouard, Cédric Ducros
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Sanchette, Laurent Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Mots clés libres

Absorbeurs sélectifs

Solaire thermique

Composites de platine et d’alumine

New absorber material

Solar thermal power

Platinum-alumina multilayer

Résumé

Le développement de nouveaux matériaux pour les absorbeurs sélectifs pour le solaire thermique à concentration est une étape importante dans le déploiement des énergies renouvelables. La température actuelle de fonctionnement de ces absorbeurs (autour de 450°C) doit être augmentée jusqu’à 650°C ou plus, pour rendre cette technologie rentable. Dans ce but, de nouveaux matériaux pour les absorbeurs solaires doivent être développés, pour résister à ces températures sur le long terme, sans dégradation de leurs propriétés d’absorption. Les matériaux composites en couches minces sont des alternatives prometteuses aux matériaux existants, particulièrement les multicouches platine-alumine qui présentent une grande résistance en température et à l’oxydation. Le sujet de cette thèse a pour but de développer un matériau présentant une bonne absorption de l’énergie solaire et d’étudier les mécanismes de vieillissement qui interviennent dans ce matériau à haute température (650°C) sous air. Pour cela, nous nous sommes donc intéressés aux composites de platine et d’alumine. L’utilisation de simulations numériques a permis de développer une structure dont les propriétés optiques ont été optimisées. Ces structures ont ensuite été réalisées par pulvérisation cathodique magnétron et leurs propriétés optiques mesurées pour vérifier la sélectivité des absorbeurs obtenus. Des valeurs d’absorption de α=0.95 et d’émissivité de ε=0.18 ont été obtenues. Par la suite, notre étude a porté sur les différents mécanismes qui interviennent lors du vieillissement, notamment l’impact du substrat, et les parades pouvant être mises en place pour ralentir ce vieillissement.

Developing new absorber material for solar thermal power is a key step in the enhancement of renewable energies. The current working temperature of the absorber in power plant is too low (450°C) and must be raised to at least 650°C to enhance the yield of the plant. New absorber materials must be developed, to resist such high temperatures for many years, without losing their optical selectivity. Multilayer composite materials show promising results, especially platinum-alumina multilayer because of their good thermal stability. The aim of this PhD was to develop an absorber presenting a good solar absorption and to study the degradation mechanisms taking place during the aging at 650°C in air. Therefore, we studied the platinum-alumina multilayer. We used optical simulation to optimize the structure of our absorber. Then we realized these structures by magnetron sputtering and we performed optical characterizations to verify the optical selectivity. Values of absorption and emissivity of α=0.95 and ε=0.18 were obtained. At that point, we performed aging tests on our absorbers to study the degradation mechanisms taking place during aging at 650°C and to find ways to avoid those degradations in future applications.