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.

Ce travail a pour objet de développer une nouvelle technologie de l’énergie solaire à concentration. Il porte sur la présentation du concept, la réalisation prototypique et l’étude optique et énergétique d’un nouveau concentrateur solaire QingSun™. Ce concentrateur a une forme de parallélépipède rectangulaire et comporte des lentilles de Fresnel linéaires, des parois tapissées de miroir et d’un récepteur solaire mobile entraîné par un système de suivi à l’intérieur du caisson de concentration. Un modèle optique et un modèle énergétique ont été élaborés et validés avec une série d’expériences. Ils ont permis d’étudier le fonctionnement et les performances énergétiques du concentrateur. Une étude de l’influence paramétrique de l’inclinaison et l’orientation a été effectuée et a montré que l’inclinaison a plus d’influence que l’orientation sur les performances. Enfin, les performances énergétiques optimales du concentrateur ont été estimées. / This work is for the purpose to develop a new solar concentrating technology. It covers the presentation of the concept, the prototype realization and the optical and energy study of a new solar concentrator QingSun™. This concentrator has a shape of rectangular parallelepiped and includes linear Fresnel lenses, mirror-lined walls and a mobile solar receptor controlled by a tracking system inside the casing. An optical model and an energy model were developed and validated with a series of experiments. The both models permitted us to examine the function and the energy performance of the concentrator. A parametric study of the influence of the tilt and the orientation was performed and showed that the tilt had more influence than the orientation. Finally, the optimal energy performance of this concentrator was estimated.

L’énergie solaire photovoltaïque concentré (CPV) est une solution de remplacement prometteuse aux structures solaires conventionnelles. Ce type de structure modulable doit être optimisé afin d’être compétitif par rapport aux autres types de production d’énergie. Les forces de vent demeurent la première préoccupation dans la conception de la structure porteuse en acier d’un tel système. L’objectif principal de cette recherche est d’assembler des outils numériques et analytiques afin de prédire les caractéristiques de sa réponse dynamique sous charges de vent turbulent. La maîtrise de cette étape est essentielle afin d’étudier d’une façon plus générique des solutions d’optimisation de la structure support par rapport à sa réponse dynamique sous charges de vent. Pour ce faire, la méthodologie principale de cette étude est composée en trois parties : (i) étude expérimentale à grandeur nature de la réponse globale sous les conditions réelles du vent ; (ii) développement des modèles d’analyse numérique dans lesquels les caractéristiques de structures réelles et des modèles de forces aérodynamiques adéquates sont prises en compte ; (iii) application des outils développés dans une étude paramétrique pour évaluer plusieurs solutions à partir de cas d’étude dans le contexte d’une conception préliminaire. Cette thèse est présentée sous forme de deux articles qui ont été soumis dans des revues évaluées par des comités de lecture ainsi que d’un article soumis et présenté dans un congrès international qui démontrent les contributions de cette recherche pour améliorer les pratiques de calcul des charges de vent sur des structures de concentration solaire non conventionnelles. Ces articles sont présentés comme suit (a) Étude expérimentale à échelle réelle de la réponse d’un prototype de concentrateur solaire sous charges de vent. Ce premier article a permis la validation de calcul des coefficients de forces aérodynamiques statiques et la révision des hypothèses de l’application du code ASCE 7-10 pour prédire les forces maximales agissant sur la structure dans la direction du vent ; (b) l’analyse temporelle de la réponse dynamique d’une structure de concentrateur solaire sous charges de vent. Cette étude a montré que le modèle et la méthode d’analyse développés selon des hypothèses simplifiées permettaient de prédire correctement les caractéristiques statistiques de la réponse dynamique mesurée en cohérence avec la méthode spectrale stochastique ; (c) Étude des effets des configurations structurales et des paramètres de vent sur l’optimisation de structure solaires sous charges de vent. Cette étude paramétrique a mis en évidence l’importance de l’effet des paramètres structuraux et ceux définissant le vent sur l’optimisation de la conception structural pour ce type de structure. Des recommandations pour optimiser l’action dynamique dans une phase de conception préliminaire ont été proposées. Ce projet de recherche a démontré finalement l’importance d’étudier d’une façon juste et pratique la réponse dynamique sous charges de vent qui mène à résoudre des préoccupations d’optimisation liées à différents types de structures d’énergie solaire en adoptant des hypothèses pratiques pour les ingénieurs. / Abstract : Concentrated Solar Photovoltaic (CPV) is a promising alternative to conventional solar structures. These solar traking structures need to be optimized to be competitive against other types of energy production. Wind action is the main concern in the design of the steel support structure of such movable system. The main purpose of this research is to assemble advanced numerical and analytical tools that allows realistic dynamic study of structures under wind loading. This help to study accurately optimized alternative in term of selecting structural and wind site conditions parameters. The methodology of the present study involves three main steps : (i) experimental full-scale study of the global response under real life wind conditions ; (ii) numerical modeling that captures the characteristics of the real structures and include the aerodynamic force models to conduct time-domain dynamic analyses ; (iii) preliminary design application that include the study of the effect of stuctural and wind parameters in optimizing the dynamic wind action and consequently the steel support structure. The thesis is presented as an ensemble of three articles written for refereed journals and a conference that showcase the contributions of the present study to thoroughly understand the wind load effect on these nonconventionnel structures. The articles presented are as follow (a) full-scale measurement of the response of a CPV tracker structure prototype under wind load. The results presented in this first article help design engineers to evaluate the use of the aerodynamic force coefficients for calculating wind load on similar structures and to apply properly the ASCE7-10 in evaluating the maximum design wind force using the equivalent static approach ; (b) time-domain analysis of solar concentrator structure under gust wind. This study showed that the developed time-domain model using simplified hypothesis could successfully predict the statistical parameters of the measured dynamic response in coherence with the stochastic spectral approach ; (c) effect of structure configurations and wind characteristics on the design of solar concentrator support structure under dynamic wind action. This parametric study highlighted the importance of selecting structural and wind parameters in order to minimize the dynamic action and the steel support structure. Recommendations for optimizing dynamic wind action in a preliminary design phase were proposed. The present research project has shown the need to study accurately wind response to solve optimization concerns related to different type of solar system structures. In addition, this study proposes simplified methods that are useful for practical engineers when there is the need to solve similar problems.