Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: The capability of computational fluid dynamics (CFD), in particular the FLUENT ™ commercial software suite, to predict wind loadings on heliostats has been investigated. If CFD proves useful in this area then the overall development costs of heliostats and concentrating solar thermal power plants could be reduced. Due to the largest loading on the heliostat originating from wind loads, by using CFD to determine these loads it could be possible to ensure heliostats are not overdesigned. This thesis contains a first study within the Solar Thermal Energy Research Group (STERG) at Stellenbosch University into the use of CFD for determining heliostat wind loads. The relevant theoretical background concerning the turbulence models used in this study, namely, the RNG k-ε, Realisable k-ε and SST k-ω turbulence models is reiterated. The „standard‟ k-ε model and the large eddy simulation (LES) approach, due to their relevance to bluff body flows, are also revisited. Some analysis is also provided around each model to gain insight as to the role of respective modelling sensitivities and their advantages. Previous work done in the area of heliostat wind studies is reviewed. The geometric considerations when dealing with heliostats leads onto the discussion concerning the requirement of modelling boundary layer profiles. Hence some background is provided on boundary layer modelling techniques. Further insight is drawn from more general previous bluff body CFD reported in the literature, from which observations and recommendations regarding the use of variations of the k-ε turbulence model can be inferred. The simulation procedure from geometry creation to results obtained for the flow over a vertical flat plate is reported. This investigation led to the conclusion that the Realisable k-ε should be used for the heliostat simulations on account of its accurate drag prediction under steady state flow conditions. It was also found that for transient simulations for heliostat like geometries, the SST k-ω model appears most suitable. The Realisable k-ε model is then used to model the flow about a heliostat using the same procedures as for the flat plate; both with flat and boundary layer inlet profiles. The overall conclusions drawn from this work are that the Realisable k-ε would not be suitable for predicting wind loads used in the final design of heliostats although it may be used with flat velocity and turbulence profiles to compare differences between early heliostat designs. The conclusion that the Realisable k-ε model should not be used to predict the flow field in the vicinity of a heliostat is also reached. It is recommended that further work should be carried out by using more advanced modelling techniques, such as the LES, to determine wind loads on heliostats. Furthermore, additional studies focused on accurately reproducing the velocity and turbulence profiles should be done. Lastly a larger set of data containing the orientations mentioned in literature should be generated using the methods contained within this study. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die vermoë van Numeriese Vloei Meganika (NVM), spesifiek die van die FLUENT ™ kommersiële sagtewarepakket, om die windlaste op heliostate te voorspel was ondersoek. As daar gevind word dat NVM wel betekinsvolle resultate kan lewer, kan dit die totale ontwikkelingskoste van heliostate en gekonsentreerdesonkragstasies verlaag. Wind plaas die grootste las op heliostate, dus deur gebruik te maak van NVM om die windlaste op heliostate te voorspel, kan dit gebruik word om te verseker dat heliostate nie oorontwerp word nie. Hierdie tesis bevat „n eerste studie binne die Sontermiese Energie Navorsings Groep aan die Universiteit van Stellenbosch, wat die gebruik van NVM om windlaste op heliostate te voorspel ondersoek. Alle relevante teoretiese agtergrond wat turbulensiemodelle aanbetref, naamlik die RNG k-ε, Realiseerbare k-ε en SST k-ω turbulensiemodelle, word bespreek. Hulle relevansie tot stompligaamvloei toegestaan, word die „standaard‟ k-ε model en die groot werwel simulasie (GWS) benaderings ook bespreek. Elke model word bespreek om die leser insig te gee in dié model se sensitiwiteite en voordele. Vorige studies wat betrekking het tot die studie van heliostate en wind word bespreek. Die geometrie van heliostate lei tot „n bespreking oor die noodsaklikheid vir „n model vir die grenslaagprofiel, dus word grenslaagmodelleringstegnieke bespreek. Verdere insig word verkry van vorige NVM studies uit die literatuur met meer algemene stomp liggame, wat waarnemings en voorstelle vir die gebruik van die k-ε turbulensiemodel en variante verskaf. Die simulasieproses, vanaf geometrieskepping tot die resultate vir die vloei oor 'n vertikale vlak, word bespreek. Hierdie ondersoek het tot die gevolgtrekking gelei dat die realiseerbare k-ε model gebruik moet word vir die heliostaat simulasies, as gevolg van die akkurate sleurvoorspellings onder bestendigetoestande. Daar was ook gevind dat vir heliostaatagtige liggame onder oorgangskondisies, die SST k-ω model mees geskik sal wees. Die Realiseerbare k-ε model word dan gebruik om die vloei om 'n heliostaat te modelleer deur gebruik te maak van dieselfde proses wat gebruik word om vloei oor 'n plat plaat te analiseer: albei met plat en grenslaaginlaatprofiele. Die gevolgtrekkings van hierdie studie is dat die Realiseerbare k-ε model nie gebruik kan word tydens die finale ontwerpfase om die windlaste op 'n heliostaat te voorspel nie. Dit kan wel gebruik word met plat snelheids- en turbulensieprofile om die versikille tussen vroeë heliostaatkonsepte te vergelyk. Daar was ook bepaal dat die Realiseerbare k-ε model nie gebruik moet word om die vloeiveld om 'n heliostaat te voorspel nie. Daar word voorgestel dat verdere studies in hierdie vakgebied met meer gevorderde modelleringstegnieke aangepak word. Dit word aanbeveel dat verdere werk uitgevoer moet word deur die gebruik van meer gevorderde modellering tegnieke, soos GWS, om die wind kragte op heliostats te bepaal. Verder, studies wat akkurate snelheid en turbulensieprofiele produseer sal nog bygelas moet word. Laastens 'n groter stel data met oriëntasies soos wat in die literatuur beskryf word, moet deur middel van die metodes van dié studie gegenereer word.

Dans le contexte énergétique mondial de raréfaction des ressources fossiles, et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, l’agence internationale de l’énergie prévoit que la filière solaire thermodynamique fournisse en 2050 plus de 10% de l’électricité mondiale. De gros efforts de recherche sont nécessaires pour atteindre cet objectif. Les axes de développement actuels des technologies solaires à concentration portent, entre autres, sur les systèmes optiques composés de multiples miroirs (champs d’héliostats, concentrateurs linéaires de Fresnel, Beam-Down), sur les récepteurs solaires volumétriques (récepteurs à air, lits fluidisés) et sur les réacteurs (chimie à haute température, photobioréacteurs, dessalement par voie thermodynamique). Le transfert d’énergie par rayonnement est un des phénomènes prépondérants dans les systèmes optiques concentrateurs et dans les récepteurs solaires volumétriques. Les laboratoires Rapsodee et Laplace ont développé en quelques années d’étroite collaboration un savoir faire méthodologique sur la modélisation des transferts radiatifs et le calcul de sensibilité par la Méthode de Monte- Carlo et ils ont accumulé une expérience pratique, issue de la synthèse d’image, en programmation scientifique en interaction avec des chercheurs en informatique. Nous montrons dans ce manuscrit dans quelle mesure l’association de ces compétences théoriques et pratiques permet de répondre à certains besoins de la communauté du solaire à concentration et nous donnons des éléments de réponses ou des pistes à explorer en vue de surmonter les difficultés restantes que nous avons rencontrées. / The decrease of the fossil energy resources and the reduction of the emissions of greenhouse effect gas are major environmental issues. In this global situation, the International Energy Agency expects that solar power will provide more than 10% of the world electricity in 2050. Significant research efforts are needed to achieve this goal. Radiative transfer is one of the main physical phenomena in solar optical concentrators and in volumetric solar receivers. In few years of closely work, the laboratories Rapsodee and Laplace developed a methodological know-how in using Monte-Carlo methods for the modeling of radiative transfer and the sensitivity computations. They have also accumulated some experience in scientific programming and algorithms optimisation. We show in this dissertation how the combination of these physicists theoretical and practical skills can meet certain needs of the community of solar concentration. We give some answers or clues to be explored to get through the remaining difficulties we encountered.

La filière solaire thermodynamique concentrée est une des voies les plus prometteuses pour la production des énergies renouvelables du futur. L’efficacité des surfaces optiques est un des facteurs clés influant sur les performances d’une centrale. Un des défis technologiques restant à résoudre concerne le temps et les efforts nécessaires à l’ajustement et l’orientation de tous ces miroirs, ainsi que la calibration des héliostats pour assurer un suivi précis de la course du soleil et une concentration contrôlée. Le travail présenté dans ce manuscrit propose une réponse à ce problème par le développement d’une méthode de caractérisation des héliostats dite de « rétrovisée », consistant à placer quatre caméras au voisinage du récepteur pour enregistrer les répartitions de luminance occasionnées par la réflexion du soleil sur l’héliostat. La connaissance du profil de luminance solaire, combiné à ces quatre images, permet de reconstruire les pentes des erreurs optiques de l’héliostat.La première étape de l’étude de la méthode a consisté à établir les différentes équations permettant de reconstruire les pentes des surfaces optiques à partir des différents paramètres du système. Ces différents développements théoriques ont ensuite permis la réalisation de simulations numériques pour valider la méthode et définir ses possibilités et ses limites. Enfin, des tests expérimentaux ont été réalisés sur le site de la centrale Thémis. À la suite de ces expériences, des pistes d’améliorations ont été identifiées pour améliorer la précision expérimentale et envisager son déploiement industriel. / Concentrated solar power is a promising way for renewable energy production. Optical efficiency of the mirrors is one of the key factors influencing a power plant performance. Methods which allow the operator to adjust all the heliostat of a plant quickly, in addition of calibration and tracking, are essential for the rise of the technology. The work presented in this thesis is the study of a “backward-gazing” method consisting in placing four cameras near the receiver simultaneously recording brightness images of the sun reflected by the heliostat. The optical errors of the mirrors are retrieved from these four images and the knowledge of the one dimension sun radiance profile.The first step of the study consists in the theoretical description of the method. Then numerical simulations are performed to estimate the general accuracy and the limits of the backward-gazing method. In a third phase, experimental tests have been fulfilled at Themis solar power plant. Finally, ideas of improvement are proposed based on the experiments performed.

Until a few decades ago few people could imagine that the photovoltaic, solar thermal and other power based on renewable resources, will become a reality. Today people from all over the world on the contrary try at full blast derive benefit from of all possible available source. Using sunlight as a source of energy is first enforced only for small devices such as calculators for charging the battery, but now we are able to produced energy from the sun to supply people around the world. Of course it is not possible supply consumer sector plus firm only from performances renewable power supply. Therefore endeavour is derive benefit from classical energy production at the same time with others power supply. The basic components of photovoltaic and solar thermal power are panels. The panels are made of different materials in different shapes and sizes. During production, the resulting effect looks in addition to costs associated with production. For photovoltaic and solar thermal power plant requires sufficient sunlight. The sunshine has biggest intensity on south of ours planets. Therefore endeavour is build lump these power station just in stand with bigger intensity sunshine. One of them is just Cyprus, too.