Th. doct.-ing.--Autom.--Toulouse 3, 1981. N°: 766.

Th. doct.-ing.--Matér. et composants actifs--Toulouse 3, 1981. N°: 742.

Les centrales solaires thermiques de grande dimension basse et moyenne température (80-120°C) peuvent fournir une chaleur renouvelable et compétitive aux réseaux de chaleurs et aux industries. Ces installations, intensives en capital et avec des faibles coûts de fonctionnement, ont un retour sur investissement sur le long terme. Le suivi de performance et la détection et le diagnostic de défauts automatisés sont donc des axes essentiels permettant de garantir des performances optimales sur toute la durée de vie de l’installation.Cette thèse a pour but l’analyse des défauts les plus importants, dans un but de détection et de diagnostic. Dans un premier temps, une étude exhaustive des défauts pouvant affecter les installations solaires thermiques a été réalisée. Cette étude a permis d’identifier les défauts les plus fréquents et les plus graves, autrement appelés défauts critiques. Parmi ces défauts, six ont été sélectionnés pour être étudiés plus en détails.Afin d’analyser le comportement du système lorsqu’il est soumis aux différents défauts étudiés, un modèle numérique a été mis en place. En particulier, un nouveau modèle de capteur solaire thermique plan a été développé, les modèles existants ne détaillant pas suffisamment certaines caractéristiques physiques nécessaires à la reproduction des défauts. Une validation expérimentale de ce modèle en fonctionnement normal et défaillant a montré qu’il permet une modélisation simple des défauts et que son comportement est réaliste.Une méthodologie pour analyser de façon numérique l’impact des défauts sur le comportement du système est ensuite proposée. Un ensemble de grandeurs permettant de caractériser ce comportement sont notamment définies. Cette méthodologie est ensuite appliquée, d’abord à l’échelle du composant directement impacté par le défaut, puis à l’échelle du système complet. Les résultats permettent d’identifier les défauts détectables ainsi que ceux qui sont identifiables et de proposer un ensemble réduit de grandeurs suffisant pour les détecter et les identifier.Ces travaux offrent une base méthodologique et des premiers résultats qui pourront permettre de développer un algorithme automatisé pour détecter et diagnostiquer les défauts critiques d’une installation solaire thermique de grande dimension. / Large scale solar systems at low and medium temperature (80-120 °C) can provide renewable and competititve energy to district heating and industrial processes. These systems, which are capital-intensive and have low operating costs, present a long-term return on investment. Automated monitoring and fault detection and diagnosis are key elements to guarantee optimal performances during all the lifespan of the plant.This dissertation aims to analyze of the main faults, in a detection and diagnosis purpose. First, an exhaustive study of the dysfunctions that can affect the large scale solar systems enabled to identify the more frequent and serious faults, also called critical faults. Among these critical faults, six were selected for a more detailed study.To analyze the behavior of the system subjected to the studied faults, a numerical model was implemented. A new flat plate thermal solar collector model was particularly developed as existing ones do not detail enough several physical characteristics required for the reproduction of faults. An experimental validation of this model in normal and faulty operation showed that it enables a simple fault modelling and presents a realistic behavior.A methodology to numerically analyze the impact of the faults on the system behavior is then proposed. A set of features enabling the characterizing of this behavior are particularly defined. This approach is applied first at the scale of directly affected component then at system scale. The results enable to identify detectable and isolable faults, but also to propose a reduced set of features sufficient to properly detect and diagnose them.This work presents a methodologic base and first results to develop an automated algorithm for detection and diagnosis of critical faults of a large scale thermal solar system.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet européen visant à améliorer la compétitivité des centrales solaires à concentration. Parmi les différents défis soulevés par ce projet, l’évaluation en temps réel de la disponibilité et de la variabilité de la ressource solaire est un point clé puisqu’elle permettrait une gestion optimisée du champ solaire et, par conséquent, une hausse de la productivité de la centrale. L’objectif de ce travail est donc de développer un outil d’évaluation de la ressource solaire destiné à la gestion de centrales CSP. Pour y parvenir, une étude approfondie des interactions entre le rayonnement solaire et l’atmosphère est tout d’abord menée. Cette étude révèle entre autres que l’éclairement normal direct (DNI) peut se scinder en deux composantes : le DNI par ciel clair et l’indice ciel clair. Le premier représente l’éclairement normal direct reçu au niveau du sol, lorsqu’aucun nuage ne vient occulter le Soleil. Le second traduit l’influence des nuages sur ce rayonnement par ciel clair. Évaluer ces deux composantes est essentiel pour l’opérateur de la centrale car elles lui permettent de connaître les marges de manoeuvre dont il dispose. D’une part, un modèle ciel clair permettant d’estimer et prévoir le DNI par ciel clair en temps réel est donc développé. Il permet de maintenir l’erreur quadratique moyenne sur l’estimation du DNI par ciel clair aux alentours de 30W/m². D’autre part, une caméra hémisphérique a été installée sur le site du laboratoire PROMES-CNRS afin de détecter les nuages et leur mouvement dans le but d’appréhender la variabilité de l’indice ciel clair. Ce système est notamment capable de fournir des images à haute dynamique, permettant de mesurer simultanément des informations dans la zone circumsolaire et dans les zones les plus sombres du ciel. Sur la base du modèle ciel clair et des images fournies par la caméra, un modèle de prévision du DNI pour tout type de conditions a été mis au point. Il permet de maintenir l’erreur quadratique moyenne sur la prévision du DNI aux alentours de 180 W/m², pour des horizons inférieurs à 30 min. En partenariat avec Acciona, l’outil développé est d’ores et déjà opérationnel sur la centrale solaire Palma del Rio II, en Espagne. / This thesis is part of a European research project which aims at improving the solar power plant efficiency. Among the different challenges pointed out by this project, the solar resource assessment and forecasting are essential tasks since they would allow a better real-time management of the solar field, and thus reduce the maintenance activities, while improving the expected benefits. Therefore, the purpose of this work is to develop a solar resource forecasting tool in order to improve the CSP plants management. An extensive review of the interactions between solar radiation and the atmosphere is firstly conducted. It reveals, among other things, that the direct normal irradiance (DNI) can be divided into two components : the clear sky DNI and the clear sky index. The former represents the direct normal irradiance received at ground level, when no clouds are occulting the sun. The latter reflects the influence of clouds on the clear sky DNI. Estimating these two quantities is essential for the plant operator, since it allows a better management of the solar field. As a consequence, a clear sky model able to estimate and forecast the clear sky DNI has been developed. The root mean squared error of the forecast is around 30 W/m². On the other hand, a sky imager has been installed at the PROMES-CNRS laboratory in order to detect clouds and their motion. The system is able to provide high dynamic range images, allowing the measurement of information both into the circumsolar area and into the darkest parts of the sky. Based on the clear sky model and the images provided by the sky imager, a DNI forecasting model is proposed. The root mean square error on the forecast is around 30 W/m², for 30 min forecasting horizon. One system is now operational at a solar power plant located in Palma del Rio II, Spain.

Présenté initialement à l'agence spatiale américaine par P. Glaser comme une source potentielle d'énergie alternative renouvelable et propre, le projet de Centrales Solaires Orbitales est basé sur le concept de Transport d'Energie Sans Fil (TESF). Le principe consiste à collecter directement dans l'espace l'énergie solaire, puis à la transmettre vers une base de réception terrestre, via un faisceau hyperfréquence. Dans le cadre des actions menées dans le domaine du TESF au niveau terrestre, une solution technologique permettant de répondre au cahier des charges imposé au système d'émission a retenu notre attention : mettre en oeuvre un réseau d'antenne phasé alimenté par des magnétrons de moyenne puissance. Dans cette optique, ce travail de recherche présente une approche originale du contrôle des grandeurs de sortie d'un magnétron opérant en situation de verrouillage par injection. Afin de prendre en compte le comportement non linéaire du magnétron, une stratégie de contrôle hybride a été mise en oeuvre pour le contrôle de la fréquence et de l'amplitude d'un magnétron de moyenne puissance (2.45 GHz) verrouillé par injection et débitant sur une charge fixe. L'aspect hybride est constitué par l'association d'un algorithme de Contrôle Direct Inverse impliquant un réseau de neurones non linéaires modélisant la fonction de transfert inverse du magnétron, avec un correcteur linéaire en boucle fermée de type PID. Le développement d'un dispositif de caractérisation expérimentale d'un magnétron verrouillé par injection a permis de collecter des bases de mesures nécessaires à un apprentissage supervisé et généralisé pour l'identification du contrôleur neuronal. Les meilleures performances en terme de conduite du magnétron ont été obtenues avec une boucle de contrôle effectuant une permutation dynamique entre le correcteur neuronal non linéaire et le correcteur linéaire PID tout en assurant une stabilité de la phase sur l'ensemble de la bande de verrouillage

Ce travail traite la modélisation et l'optimisation des centrales solaires thermodynamiques à concentration produisant de l'électricité pour l'électrification des zones rurales isolées et mal raccordées au réseau électrique. D’abord, un modèle optique et thermique détaillé des concentrateurs solaires cylindro-paraboliques est présenté permettant l'identification de capteurs existants et la création de corrélations qui peuvent être injectées dans un modèle plus global. Dans un second temps, un modèle original d'un stock de chaleur stratifié de type « lit de roche » est développé. Le nouveau modèle proposé permet de déterminer analytiquement le profil de température dans le stock à n'importe quel instant dans le cas d'une température d'entrée régulée. Ensuite, deux alternatives de bloc moteur sont modélisées : le moteur Stirling et le Cycle Organique de Rankine (ORC acronyme anglais pour Organic Rankine Cycle). Concernant le moteur Stirling, une revue critique des modèles existants a été effectuée. Certains de ces modèles ont été implémentés et complétés par des modèles originaux des pertes par fuite de matière et par effet navette. Le cycle organique de Rankine, lui, est modélisé par un modèle orientée vers l'optimisation. Enfin, une optimisation mono et multicritère d’une centrale solaire est effectuée. La configuration étudiée est équipée d’un stock de chaleur et d’une chaudière d’appoint. Elle est optimisée selon trois critères : le coût moyen actualisé de l'électricité (LCOE acronyme anglais pour Levelized Cost Of Electricity), le rendement énergétique de la centrale et la quantité de CO2 émise par Kilowatt heure d'électricité produite / This work deals with the modelling and the optimization of thermodynamic solar power plants intended to supply electricity to isolated locations. Firstly, a state of the art of solar collectors is achieved and a model for parabolic trough collectors is proposed. This model is used for actual collectors identification. It is used also to propose correlations to be introduced in the whole system model. In a second time, a state of the art of energy storage technologies is conducted and an original model of a packed bed storage tank is proposed. This model gives an explicit solution of the temperature inside the tank without using a time step based numerical resolution. Two alternatives for the power block are given: Stirling engines and Organic Rankine Cycles. For Stirling engines, a critical review of existing models is performed. Some losses occurring in Stirling engines are not well documented in the literature as leakage losses at the power piston and displacer gap losses. Therefore, original models are proposed to estimate these losses. When compared to former models in the literature, the new model of the displacer gap losses demonstrates clearly that it is very important to use decoupled models with caution. Concerning the ORC, an optimization-oriented model is proposed. Finally, a mono and multi-objective optimization of a solar power plant is performed. The optimized system is composed of a solar field, a packed bed heat storage, a power block and an auxiliary fired heater. Objective functions used in this study are: the Levelized Cost of Electricity (LCOE), the energetic efficiency of the power plant and CO2 emission per kilowatt hour of electricity

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne le développement d’un système de stockage thermique par chaleur latente pour les centrales solaires à concentration utilisant la génération directe de vapeur, et s’attache plus particulièrement la sélection et l’étude du matériau à changement de phase (MCP). Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique (STARS) porté par le consortium composé d’AREVA Renouvelables, la société Hamon d’Hondt, l’institut CEA liten et les laboratoires IPNO, LPCS et LaTEP. Ce projet est accompagné par l’ADEME dans le cadre du programme énergies décarbonnées des investissements d’avenir.Le premier chapitre de ce manuscrit situe le contexte de l’étude en dressant un état de l’art des différents systèmes solaires à concentration existants et des différents moyens de stocker l’énergie pour ce type de technologie. Le projet STARS est ensuite présenté. Ce chapitre se termine par un descriptif des objectifs du travail de thèse. L’intégralité du processus de sélection du MCP, incluant le recensement des matériaux dans la littérature, la définition des critères de sélection et la caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage des candidats les plus pertinents, est détaillée dans le chapitre II. À l’issue de ce travail, le choix du consortium se porte sur le nitrate de sodium, un sel inorganique possédant une température de fusion adaptée à la technologie d’AREVA et une densité de stockage importante. La poursuite de l’étude, concernant la stabilité thermique du MCP durant son utilisation en conditions industrielles, fait l’objet du chapitre III. Cette étude comporte une partie bibliographique permettant de mettre en évidence les problématiques liées à la dégradation thermique du matériau et à son comportement vis-à-vis des matériaux métalliques avec lesquels il sera amené à être en contact (échangeur de chaleur, cuve de stockage). La principale conséquence des phénomènes mis en évidence étant la réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium, l’étude de l’impact du taux de nitrite de sodium sur les propriétés thermiques du MCP a été réalisée. Les résultats de cette campagne expérimentale ont montré une diminution significative de la température de fusion et de la chaleur latente du MCP lorsque la proportion de nitrite de sodium croît. Afin d’étudier l’évolution de composition du MCP dans des conditions réelles de fonctionnement, un dispositif a été conçu spécifiquement pour reproduire des conditions de cyclage thermique en présence de métaux. L’étude menée à l’aide de ce dispositif a permis d’analyser la cinétique de réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium. Les résultats montrent que l’évolution de composition du MCP dans les conditions opératoires du projet est négligeable, garantissant la stabilité des propriétés thermiques de celui-ci au cours de son utilisation.Enfin, le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’amélioration des transferts thermiques au sein du MCP. En effet, le nitrate de sodium possède une conductivité thermique faible, pouvant limiter la puissance des échanges de chaleur dans le système de stockage. En premier lieu, un état de l’art des solutions d’intensification des transferts dans le domaine du stockage par chaleur latente est dressé. Ce travail a permis de mettre en évidence que l’utilisation de composites à base de mousses métalliques constitue une voie pertinente d’amélioration des transferts. Ainsi une campagne expérimentale visant à évaluer les performances de tels composites a permis de mettre en évidence le potentiel de ce type de configuration. / The work presented in this manuscript concerns the development of a latent heat thermal energy storage system adapted to concentrated solar power plant using direct steam generation, and more particularly on the selection and the study of the Phase Change Material (PCM) used in this system. This thesis was performed within the framework of the STARS project (Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique) carried by the consortium of AREVA Renouvelables, Hamon d’Hondt company, CEA institute liten and laboratories IPNO, LPCS and LaTEP. This project is accompanied by ADEME under the énergies décarbonnées des investissements d’avenir program. The first chapter of this manuscript sets up the context of this study by drawing a state of art of different existing CSP technologies and various ways to store energy for this kind of systems. The STARS project is then described. This chapter ends with a description of the thesis objectives. The entire PCM selection process, including identification of materials in literature, definition of various criteria and thermal characterization by differential scanning calorimetry (DSC) of the most relevant candidates, is detailed in chapter II. This work leads to the selection of sodium nitrate by the consortium, an inorganic salt with a suitable melting temperature considering AREVA’s technology and a large storage density. The following work, concerning the thermal stability of the PCM under thermal cycling, is then presented in chapter III. This part includes a bibliographic study allowing to highlight issues related to thermal degradation of the PCM and its behavior regarding to metallic material with which it will have to be in contact (heat exchanger, storage tank). The main consequence of these phenomena is the reduction of sodium nitrate into sodium nitrite, and thus the impact of sodium nitrite fraction on the thermal properties of the PCM was studied. The results of this experimental work shows a significant reduction of the melting temperature and the latent heat as the fraction in sodium nitrite increases. To study the evolution of the PCM composition under real operating situation, a specific device was designed to replicate thermal cycling conditions in the presence of metals. This device was used to analyze the kinetics of reducing sodium nitrate into sodium nitrite. The results show that the changes in composition of the PCM in the project’s operating conditions are negligible, ensuring the stability of its thermal properties during its lifetime. The last chapter is devoted to the improvement of heat transfers within the PCM. Indeed, sodium nitrate has a low thermal conductivity which may limit the power of the heat exchange in the storage system. A state of art of available solutions for the intensification of thermal transfers concerning latent heat storage was done. This study highlighted that the use of composites based on metallic foams constitutes an effective way of improvement. Thus an experimental campaign was conducted to evaluate the performances of such composites, allowing to show the potential of this kind of configuration.

Les centrales solaires à concentration industrielles consomment 4 m3/MWh d’eau pour le refroidissement de leur cycle thermodynamique. En environnement aride, cela est susceptible d'induire des conflits d’usages sur une ressource encore plus fondamentale que l’électricité, l'eau. Ce constat met en évidence la nécessité de concevoir des solutions alternatives de refroidissement sèches mais tout aussi efficaces. Le champ solaire d’une centrale CSP représente 50% de son coût d’investissement pour n’être utilisé que de jour pour la production de chaleur nécessaire au cycle thermodynamique. L'approche du sujet de thèse consiste à utiliser cette surface considérable comme macro-échangeur de chaleur avec son environnement via un transfert thermique couplé avec l'air ambiant (convectif) et avec l'espace extra-atmosphérique à 3K (radiatif). Après avoir démontré la pertinence des matériaux du champ solaire pour une telle application, le travail de thèse a montré expérimentalement qu'au-delà d'extraire les chaleurs fatales du cycle thermodynamique, il pouvait aussi produire du froid par transfert radiatif nocturne. Une solution alternative innovante pour le refroidissement des centrales solaires CSP offrant deux nouvelles fonctionnalités à leur champ solaire déjà existant au bénéfice de son amortissement. / Industrial concentrated solar power plants consume 4 m3/MWh of water to cool down their thermodynamic cycle. In arid area, it could induce conflicts of use on a more fundamental resource than electricity. This fact highlights the need to develop alternatives dry cooling technologies but equally effective. The solar field represents 50% of the investment cost of a CSP plant to be used only daily for the heat production needed for the thermodynamic cycle. The approach of the project is to use this huge area as macro-heat exchanger with its surrounding environment through a coupled heat transfer with the ambient air (convective) and with outer space at 3K (radiative). After validating the compatibility of solar field materials for a such application, these research works has shown experimentally that in addition to extract the waste heat of the thermodynamic cycle, it could also produce cold by night radiative cooling. An innovative alternative solution for cooling CSP plants offering two new features to their already existing solar field for the benefit of its paying off.

Comme les autres technologies liées aux énergies renouvelables, le solaire à concentration souffre des problèmes liés à l’intermittence de la ressource. La technologie thermocline est une solution prometteuse qui réduirait le coût du stockage thermique dans les centrales solaires de ce type. Cependant, aucune étude n’a jusqu’ici porté sur l’impact de la variation de la température en sortie du réservoir de stockage de type thermocline sur les autres composants de la centrale. Ce travail de thèse a pour but d’améliorer les connaissances sur ce sujet, grâce à l’utilisation d’une mini boucle solaire cylindro parabolique intégrant un stockage thermocline.En premier lieu, la compatibilité entre le fluide de transfert de la centrale (huile synthétique) et les potentiels matériaux de garnissage de la cuve de stockage (Cofalit, briques de cendres volantes, alumine) est vérifiée. Puis les performances de chacun des composants de la centrale (cuve de stockage, collecteurs solaires, générateur de vapeur) sont analysées expérimentalement et numériquement. Enfin, le comportement du système global est étudié, avec un accent porté sur l’impact de la variation de la température de sortie de la cuve thermocline sur les autres composants.Il a été montré qu’avec un dimensionnement et une stratégie de contrôle appropriés, la technologie thermocline diminue très peu les performances de la centrale solaire par rapport à la technologie conventionnelle à deux cuves (maximum 3 4 % de diminution de la production électrique). / Like other renewable energy technologies, concentrated solar power (CSP) suffers from resource intermittence. Thermocline technology is a promising solution to decrease cost of thermal energy storage in CSP plants. Thermocline behavior has thoroughly been studied in the past years and its behavior is considered well known. However no study treated of thermocline tanks integrated in CSP plants. Thus, the impact of the varying outlet temperature of the thermocline storage has not been assessed yet. This work aims to fill this lack of knowledge by studying a mini parabolic trough power plant integrating a thermocline tank as storage.First, the compatibility between the heat transfer fluid of the plant (synthetic oil) and various potential filler materials (Cofalit, coal fly ash bricks, alumina) of the storage tank is verified. Then, some performance studies are performed on the three main components of the power plant (energy storage tank, solar collectors, steam generator). Finally, the behavior of the whole system is assessed, with a focus on the impact of the varying fluid temperature at the outlet of the thermocline tank on the other components.It has been shown that, with a proper sizing and an appropriate control strategy, thermocline technology induces very low decrease of the solar power plant performance in comparison to the conventional two tank technology (maximum 3-4% of electrical power production difference).

Par rapport aux ressources énergétiques fossiles combustibles, l’énergie solaire présente des caractéristiques inhérentes à la nature même de la ressource. Ce constat met en évidence la nécessité de système de stockage d’énergie. Ce travail de thèse consiste à étudier un stockage thermique pour une centrale solaire à concentration, ainsi que ses deux composants essentiels : le fluide de transfert et les matériaux de garnissage solides. La compréhension du système de stockage thermocline sur lit de roche est réalisée grâce à une approche expérimentale et numérique. Une alternative innovante sur le choix du fluide de transfert consiste à utiliser des huiles végétales. Concernant le garnissage, un matériau à géométrie contrôlée est développé à partir d’un coproduit issu de la sidérurgie. L’originalité de cette association pour le stockage thermique permet d’allier performance, disponibilité des matériaux en quantité industrielle tout en réduisant l’impact environnemental et financier. / Compare to fossil fuel energy resources, solar energy presents the inherent characteristic given by the very nature of the resource (intermittent availability). This observation highlights the need for thermal energy storage system. This doctoral thesis studies thermal energy storage for concentrating solar power plant, as well as its two essential components: the heat transfer fluid and the thermal energy storage materials. The analysis of the thermocline storage system with filler materials is achieved through experimental and numerical approaches. An innovative alternative for the heat transfer fluid consists to use vegetable oils, which offers comparable thermal properties and operating behavior to conventional thermal fluid. Regarding thermal energy storage materials, many natural and recycled materials can be used. A storage material with controlled geometry is developed from steel industry co-product. The originality of this combination for thermal energy storage combines performance, materials availability at industrial scale while reducing environmental and financial impact.