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Le dispositif CELESTE désigne la transformation de la centrale solaire de Thémis (Pyrénées orientales) en un vaste télescope pour l'astronomie des très hautes énergies; le nom avait été proposé par Eric Paré, inventeur du projet, et directeur de cette thèse jusqu'à son décès accidentel en Juillet 1998. La thèse décrit le long travail de mise en place et de démarrage du projet basé sur un vaste dispositif optique placé en haut de la tour solaire pour détecter la lumière réfléchie par les héliostats. On observe ainsi, par nuits sans lune, les gerbes atmosphériques produites par les rayons gamma en provenance du cosmos. La thèse se conclut par les premières observations jamais faites de rayons gamma aux énergies d'environ 50 GeV provenant d'une part d'une source Galactique, la nébuleuse du Crabe, et d'autre part d'une source extra-galactique, un trou noir supermassif, Markarian~421.

Notions générales relatives au rayonnement solaire et au rayonnement thermique. Collecteur plan: performances, utilisation, coût. concentrateurs: étude des différents types. l'analyse morphologique et son application à l'étude de systèmes. application à l'optimisation d'un champ d'heliostats.

Le récepteur d’une centrale solaire à tour est l’élément clé de la conversion du rayonnement en chaleur. Dans le cadre de la thèse, il s’agit d’un récepteur métallique dans une centrale de type HSGT (Turbine hybride solaire gaz) refroidi par air pressurisé. En condition normale de fonctionnement, le récepteur chauffe l’air de 350 à 750°C. La température de l’air en sortie chute à 400°C en moins de 15 minutes si le soleil est masqué, par un nuage par exemple. L’objectif est de maintenir la température de l’air en sortie supérieure à 600°C durant 15 minutes sans ensoleillement. Pour parvenir à cet objectif, un stockage thermique intégré au récepteur est envisagé. Parallèlement le stockage de chaleur doit prolonger la durée de vie du récepteur en lui évitant de subir d’intenses chocs thermiques. L’étude porte sur la zone la plus chaude du récepteur, atteignant 800°C. Lorsque le soleil brille (le récepteur est insolé), une partie de la chaleur est stockée dans un matériau qui passe de l’état solide à liquide. Cette chaleur est restituée au récepteur lors de la transformation inverse (liquide à solide) si le soleil est masqué. Les variations de la température du récepteur sont ainsi plus douces et le récepteur est épargné des chocs thermiques. L’utilisation d’un matériau à changement de phase tel que le carbonate de lithium (fusion à 723°C) réduit le volume et la masse du stockage installé directement à l’arrière du récepteur. Ce matériau stocke une grande quantité de chaleur sur une gamme de température peu étendue. Cependant les matériaux à changement de phase ne permettent pas de transférer la chaleur rapidement à cause de leur faible conductivité thermique. C’est la raison pour laquelle l’intensification de ces transferts est étudiée. La mise en place d’ailettes en cuivre à l’intérieur du stockage améliore les transferts de chaleur, grâce à la conductivité thermique élevée du métal. Un modèle numérique représentatif du comportement thermique du stockage est développé. Le travail de conception du stockage aboutit à la fabrication d’un banc expérimental. Les résultats obtenus sont comparés au modèle afin de le critiquer. Les conclusions permettent d’envisager la conception d’un stockage thermique de protection à l’échelle du récepteur. / The thesis deals with the problem of thermal inertia and life time of the solar receiver of a Concentrated Solar Power tower plant. A specific attention is paid to the situation of HSGT (Hybridized Solar Gas Turbine) systems using pressurized air as HTF (Heat Transfer Fluid). The intermittence of solar radiation, mainly resulting from cloudy events, causes important temperature fluctuations that contribute to the premature aging. Therefore, a Thermal Energy Storage (TES) is developed for the protection of the receiver. The design focuses on the high temperature section of the receiver. As a consequence of the elevation of temperature in this stage, the expected temperature of the receiver ranges between 600°C and 800°C. Once the receiver is no longer irradiated, the temperature of the outlet air of the receiver, which is 750°C at designed point, decreases below 400°C in less than 15 minutes. The objective is to integrate the TES into the solar receiver to maintain this air temperature higher than 600°C after 15 minutes of discharge. A low capacity TES is targeted. Besides, the storage should enhance the lifetime of the receiver during the operation, by avoiding temperature drops. A test bench is designed based on a technology using both Phase Change Material (PCM) and metallic fins in order to enhance charge and discharge power of the storage unit. The selected metal is copper, because of its great thermal conductivity. The thermal storage medium must operate in the range 600°C – 800°C. The lithium carbonate has been selected mainly because of its phase change temperature, 723°C. A numerical model is developed in order to help the design of the test bench and compare experimental results. The conclusions lead to one-scale design of the thermal storage integrated to the solar receiver.

PRESENTATION DES MODELES RELATIFS AUX DIFFERENTS ELEMENTS CONSTITUTIFS DE LA BOUCLE THERMIQUE ET DU MODELE GLOBAL DE CELLE-CI. APPLICATION DE LA METHODE CLASSIQUE DE COMMANDE CLASSIQUE AVEC CRITERE QUADRATIQUE SANS PRENDRE EN COMPTE DE FACON EXPLICITE LES CONTRAINTES. ELABORATION D'UNE COMMANDE UTILISANT "L'ETAT ADJOINT" METTANT A PROFIT CERTAINES PARTICULARITES DU SYSTEME. SIMULATION DES COMMANDES POUR DIFFERENTS ENSOLEILLEMENTS ET DIFFERENTS CHANGEMENTS DE CONSIGNE<br />PRESENTATION OF THE MODELS RELATIVE TO THE VARIOUS ELEMENTS CONSTITUTING THE THERMAL LOOP AND OF THE GLOBAL MODEL OF THE LOOP. APPLICATION OF THE CLASSICAL METHOD OF CONVENTIONAL DRIVE WITH QUADRATIC CRITERION WITHOUT EXPLICITELY TAKING INTO ACCOUNT THE CONSTRAINTS. ELABORATION OF A DRIVE USING THE "ADJOINT STATE" AND TAKING ADVANTAGE OF SOME PECULIARITIES OF THE SYSTEM. SIMULATION OF THE DRIVES FOR VARIOUS DEGREES OF SUNSHINE AND FOR VARIOUS CHANGES IN THE INSTRUCTIONS

L'objectif de ce travail a été de développer un modèle pour prédire le comportement d'une installation photovoltaïque (PV) dans une zone désertique maritime, afin d'optimiser la production instantanée et de maintenir les performances au fil du temps. Les données issues du monitoring d’une centrale solaire ont été analysées afin d’en extraire des indicateurs de performances et d’étudier l'impact des facteurs climatiques (température, irradiation et dépôts de poussière). Les méthodes d'analyse de performance, telles que la "transposition aux conditions de référence" (Ex. PVUSA) et "estimation des mesures de performance" (Ex. PR) ont été appliquées pour évaluer le taux de dégradation annuel de l'installation. Une première indication de la durée de vie des installations PV pour le climat de Djibouti a été obtenue, ainsi qu'une capacité à prédire l'évolution à long terme de cette centrale et des futures installations PV. Parallèlement, un modèle numérique de l'installation PV a été construit en utilisant TRNSYS, incluant les modules et les onduleurs, pour retranscrire le comportement du système PV dans son ensemble, ainsi que les conditions environnementales dans lesquelles il évolue. Le modèle inclus dans la bibliothèque TRNSYS a été amélioré à l'aide de résultats expérimentaux, en particulier en ce qui concerne la dépendance thermique. Un modèle prédictif a donc été développé combinant l'accumulation de poussière, un modèle empirique de températures et de dégradation du module. Enfin, une étude paramétrique a été réalisée avec le modèle complet, afin d'évaluer l'impact du nettoyage pour divers scénarios d’empoussièrement. Les résultats contribueront à l'optimisation de la conception et de l'exploitation des centrales solaires dans ce type de climat. / The objective of this work has been to develop a model for the behavior of a photovoltaic (PV) plant in an arid zone, to optimize instantaneous production and maintain performance over time. Monitoring data were collected for a solar power plant, which were then studied to infer the impact of climatic factors (temperature, irradiation and dust deposits). Performance analysis techniques including "transposition to reference conditions" (eg. PVUSA) and "estimation of standard performance measures" (eg. PR) were applied to evaluate the annual degradation rate of the facility. A first indication of expected lifetime of PV installations for the climate of Djibouti was thus obtained, as well as a capacity to predict the long-term evolution of the plant and future installations. In parallel, a numerical model of the photovoltaic installation was constructed using TRNSYS, including the modules and inverters, to transcribe the behavior of the PV system as a whole, and also the environmental conditions in which it evolves. The model included in the standard TRNSYS library was improved with the aid of experimental results, in particular with regards the thermal dependence. A predictive model was thus developed combining dust accumulation, an empirical model of module temperatures and degradation. Finally, a parametric study was undertaken with the complete model, to evaluate the impact of cleaning schedules under various dust scenarios. The results will contribute to the optimization of solar power plant design and operation in this type of climate.

Convaincu de l’intérêt et du potentiel des matériaux naturels et des déchets industriels, cette thèse a contribué à la mise au point de matériaux de stockage de la chaleur (TESM) pour les CSP en Afrique de l’Ouest. Plus spécifiquement, ce travail de recherche a porté sur la valorisation de la latérite du Burkina Faso, des cendres de foyer des centrales à charbon de la société SONICHAR au Niger, des résidus en carbonate de calcium (chaux) de l’industrie de production de l’acétylène au Burkina Faso et l’huile végétale de Jatropha curcas de la société Belwet au Burkina Faso. Les résultats de cette étude ont permis de montrer que l’huile de Jatropha curcas peut être considérée comme une alternative viable aux fluides de transfert et aux TESM conventionnels pour les CSP fonctionnant à 210 °C. Les matériaux élaborés à partir des cendres de foyer et de la latérite présentent un caractère réfractaire en raison de la présence de mullite et de spinelle. L’ajout de chaux permet de réduire le point de fusion tout en préservant le caractère réfractaire et conducteur des phases obtenues. En raison de leurs stabilités, et l’absence de conflit d'utilisation, les matériaux obtenus peuvent être utilisés comme TESM dans CSP à des températures allant jusqu’à 900 °C. / Convinced of the interest and potential of natural materials and industrial waste, this thesis has contributed to the development of heat storage materials (TESM) for CSPs in West Africa. More specifically, this research focused on the valorization of laterite from Burkina Faso, the bottom ashes from the coal-fired power plants of SONICHAR in Niger, residues of calcium carbonate (lime) from the acetylene in Burkina Faso and the vegetable oil of Jatropha curcas from the company Belwet in Burkina Faso. The results of this study showed that Jatropha curcas oil can be considered as a viable alternative to conventional HTF and TESM for CSP operating at 210 °C. The materials elaborated from bottom ashes and laterites present a refractory character due to the presence of mullite and spinel. The addition of lime makes it possible to reduce the melting temperature while preserving the refractory and conductive character of the obtained phases. Due to their stabilities, and the absence of conflict of use, the obtained materials can be used as TESM in CSP at temperatures up to 900 °C.

Depuis les années quarante, la consommation énergétique mondiale n'a cessé d'augmenter. Cette énergie étant majoritairement d'origine fossile, il en résulte une augmentation globale de température terrestre. De ce fait, il est devenu urgent de réduire les émissions de gaz à effet de serre pour stopper le changement climatique. Dans ce contexte, le développement de la production d'électricité à partir d'énergie solaire concentrée par voie thermodynamique est une solution prometteuse. Les efforts de recherche visent à rendre cette technologie plus efficace et plus compétitive économiquement. Dans ce but, ce manuscrit présente une méthode de conception optimale pour les centrales solaires à récepteur central. Elle tire parti des méthodes développées depuis de nombreuses années par le groupe de recherche StaRWest, regroupant notamment des chercheurs des laboratoires RAPSODEE (Albi), LAPLACE (Toulouse) et PROMES (Odeillo). Couplant des algorithmes de Monte Carlo à hautes performances et des algorithmes stochastiques d'optimisation, le code de calcul implémentant cette méthode permet la conception et l'optimisation d'installations solaires. Il est utilisé pour mettre en évidence les potentialités d'un type de centrales à récepteur central peu répandu : les centrales à réflecteur secondaire, également appelées centrales de type "beam down". / Since the early 40's, world energy consumption has grown steadly. While this energy mainly came from fossil fuel, its use has included an increase in temperatures. It has become urgent to reduce greenhouse gas emissions to halt climate change. In this context, the development of concentrated solar power (CSP) is a promising solution. The scientific community related to this topic has to focus on efficiency enhancement and economic competitiveness of CSP technologies. To this end, this thesis aims at providing an optimal design method applied to central receiver power plants. It takes advantage of methods developed over many years by the research group StaRWest. Both RAPSODEE (Albi), LAPLACE (Toulouse) and PROMES (Odeillo) researchers take an active part in this group. Coupling high performance Monte Carlo algorithms and stochastic optimization methods, the code we developed allows an optimal design of concentrated solar systems. This code is used to highlight the potential of an uncommon type of central receiver plants: reflective towers, also called "beam down" central receiver systems.

L'énergie solaire est connue pour sa nature intermittente par rapport aux ressources d’énergie fossile. Cette observation souligne la nécessité d'utilisation d’un système de stockage d'énergie thermique. Le système de stockage thermocline est considéré comme un système de stockage rentable. La présente thèse vise à étudier le potentiel des roches basaltiques et siliceuses comme des candidates matériaux de stockage pour les centrales solaires concentrées. Les études expérimentales des propriétés thermo-physiques et thermomécaniques de ces roches à des températures allant jusqu'à 1000°C montrent que ces roches offrent de bonnes propriétés thermiques par rapport aux matériaux classiques de stockage. L'analyse du système de stockage thermocline sur un lit de roches à air direct est réalisée par une approche numérique. En outre, cette recherche vise également à évaluer l’impact environnementale de ce type de système de stockage en effectuant une analyse comparative de son cycle de vie. Enfin, une étude complémentaire réalisée dans le but de produire une carte d'indice de pertinence a permis d’identifier les zones les plus appropriées pour la construction des centrales solaires en Egypte. L'originalité de cette approche alternative pour le stockage d'énergie thermique est qu’elle combine la performance et la disponibilité des matériaux de stockage tout en réduisant leurs impacts environnementaux et financiers. / Compare to fossil fuel energy resources, solar energy is known for its intermittent nature. This observation highlights the need for the use of a thermal energy storage system. The thermocline storage system is considered as a cost-effective storage system. This thesis aims to study the potential of basalt and silex rocks as candidate storage materials for concentrated solar power plants. Experimental studies of the thermo-physical and thermo-mechanical properties of these rocks at temperatures up to 1000°C show that these rocks offer good thermal properties compared with conventional storage materials. The analysis of the thermocline storage system of air rock-packed bed is carried out using a numerical approach. This research also aims to assess the environmental impact of this type of storage system by conducting a comparative analysis of its life cycle. Finally, a complementary study carried out with the aim of producing a relevance index map made it possible to identify the most suitable areas for the construction of solar power plants in Egypt. The originality of this alternative approach for thermal energy storage is that it combines the performance and availability of storage materials while reducing their environmental and financial impacts.