La durabilité des miroirs solaires est un point clé pour le développement des centrales solaires à concentration, du fait de l’investissement important, des 30 ans d’opération visés et des zones d’implantations aux climats agressifs. Ces travaux de recherche portent ainsi sur l’étude des modes de dégradation et de la durabilité de miroirs solaires en verre monolithiques ou laminés. Cette thèse a permis d’appliquer avec succès au CSP une méthodologie de prédiction de la durée de vie développée dans des domaines plus matures. Les corrélations entre les vieillissements accélérés et les expositions extérieures réalisées sur trois sites ont mis en avant le rôle prédominant de l’eau et de l’irradiance dans la dégradation des peintures de protection des miroirs monolithiques. Les essais en chaleur humide ont quant à eux été jugés trop agressifs pour les miroirs, considérant de plus les conditions climatiques des sites d’application potentiels. Les résultats expérimentaux des essais de vieillissements accélérés ont conduit à la détermination des paramètres cinétiques des miroirs inclus dans les relations mathématiques modélisant les principaux facteurs de stress identifiés précédemment. Les facteurs d’accélération ont ainsi été calculés pour des essais standards par rapport à des sites comportant des centrales CSP opérationnelles. Ce travail a permis au final d’estimer des durées de vie des miroirs sur les sites choisis, en considérant que seuls les facteurs de stress étudiés intervenaient dans la dégradation. / Durability of solar mirrors is a key point for the development of concentrating solar power plants, because of the large investment, the goal of 30 years lifetime and of the implantations areas with hostile climates. This research work concerns the study of degradation modes and of monolithic or laminated glass solar mirrors durability. This thesis allows to successfully apply to CSP a lifetime prediction method already developed in more mature fields. Correlations between accelerated ageing tests and natural outdoor exposures performed on three sites evidence the predominant role of water and irradiance in protection paints of monolithic mirrors degradation. Damp heat tests were evaluated too aggressive for mirrors, considering thus the climatic conditions of potential application sites. Experimental results of accelerated ageing tests lead to the determination of kinetic parameters included in mathematical relationships modelling the main stress factors previously identified. Acceleration factors were then calculated for standard tests compared to sites with operational CSP plants. This work finally allows to estimate lifetimes of mirrors on specific sites, assuming that only the studied stress factors take part in degradation.

La responsabilité de notre activité dans les récentes et parfois brutales modifications climatiques est avérée. Maîtrise de la demande en énergie et énergies renouvelables apparaissent comme les deux solutions pour remédier à cette catastrophe. Dans ce travail, nous nous intéressons à la cogénération appliquée aux bâtiments résidentiels. Deux zones géographiques sont concernées, l'Afrique de l'Ouest et la France. Il n'existe pas de système de cogénération solaire de très faible puissance (< 10 kWe). La solution envisagée dans ce travail consiste à produire de la chaleur à environ 150 °C et un rendement supérieur à 50 %, de l'utiliser ensuite dans un ORC pour produire électricité et chaleur à basse température. Le système complet doit être résistant et à bas coût. Or pour atteindre ces performances, la concentration solaire est obligatoire. Une partie de ce travail consiste donc au développement d'un panneau à concentration solaire qui répond à ces deux contraintes thermiques, mais aussi au fait d'être robuste, fiable et facilement intégrable à l'enveloppe d'un bâtiment. Dans ce cadre, la technologie cylindro-parabolique a été retenue, adaptée et miniaturisée. En ce qui concerne la partie thermodynamique, le verrou technologique se trouve principalement dans le groupe turboalternateur. L'objet de la seconde partie de cette thèse consiste ainsi à la conception d'un organe de détente également robuste, nécessitant qu'une maintenance simplifiée et réalisable par les équipes de SIREA. La turbine Tesla, brevetée en 1913 par Nikola Tesla, devrait satisfaire à ce cahier des charges. Sa particularité est qu'à l'opposée des autres turbines, son rotor ne possède pas d'aubage, mais seulement des disques parallèles. Son fonctionnement est basé sur l'adhésion du fluide aux surfaces des disques. / The responsibility of our activity in the recent and sometimes brutal climate changes is recognized. Energy demand management and renewable energies appear as two solutions to overcome this disaster. In this work, we focus on combined heat and power applied to residential buildings. Two geographical areas are concerned, West Africa and France. For the moment, no system of very low power (< 10 kWe) solar cogeneration exists. In this work, considered solution consists to produce heat at 150 °C and with an efficiency greater than 50 %, then to use it in an ORC for producing electricity and low temperature heat. The whole system has to be resistant and low-cost. But to reach those performances with solar radiation, concentration is necessary. The first part of this thesis is to elaborate a solar concentrating panel which answer to these two thermal constraints. The new solar panel must be robust, reliable and easily integrable on the building envelope. In this context, parabolic trough is adopted, adapted and miniaturised. Regarding the thermodynamic part, technological lock is found mainly in the turbogenerator. The purpose of the second part of this thesis consists of the design of a an expansion equipement, requiring simplified maintenance and achievable by the team of Sirea. The Tesla turbine, patented in 1913 by Nikola Tesla, should satisfy this specification. Its characteristic is that the opposite other conventional turbines, the rotor is not bladed or vaned, only parallel disks. Fluid exerts shear stress on the disk surfaces resulting in a torque at the shaft.

Cette thèse, financée dans le cadre du projet européen CSP2, porte sur l'étude d'un nouveau type de récepteur solaire thermique à concentration utilisant comme fluide caloporteur une suspension dense de fines particules en circulation ascendante dans des tubes verticaux. Ladite suspension est obtenue par fluidisation de particules de classe A. Le principe consiste à créer un écoulement ascendant de la suspension dans un tube vertical exposé au rayonnement solaire concentré qui chauffe la paroi du tube, qui transmet ensuite cette chaleur aux particules, qui la transportent jusqu'à un cycle de conversion d'énergie pour la production d'électricité. Au contraire des fluides solaires classiques, les particules peuvent atteindre les hautes températures (> 700 °C) permettant l'utilisation de cycles à haut rendement de conversion (Brayton, cycles combinés), tout en permettant un stockage direct de la pour une production continue. Au cours de la thèse, un récepteur à un tube a été testé avec succès au grand four solaire du laboratoire PROMES-CNRS à Odeillo, les particules en sortie atteignant 750 °C, ce qui a prouvé la faisabilité du concept et permis la détermination des premières valeurs de coefficient d'échange de chaleur tube-suspension. L'hydrodynamique de l'écoulement et les mécanismes d'échange de chaleur ont été observés grâce à des simulations numériques 3D. Un récepteur de 150 kWth à 16 tubes a ensuite été testé et modélisé, validant l'utilisation du procédé à plus grande échelle. / This thesis, financed in the frame of the CSP2 European project, concerns the study of a new kind of thermal concentrating solar receiver using a dense suspension of solid particles circulating upward in vertical tubes. The suspension is obtained by fluidizing Geldart A-type particles. The principle consists in creating an upward flow of the suspension in a vertical tube exposed to the concentrated solar radiation that heats the tube wall. The heat is then transmitted to the particles circulating inside that transport it to a conversion cycle for electricity production. Contrarily to usual solar heat transfer fluids, particles can reach high temperatures (> 700 °C) that permit to power high efficiency thermodynamic cycles such as Brayton or combined cycles. Moreover they can be used as a direct heat storage medium for continuous electricity production. During this thesis, a one-tube solar receiver was successfully tested at the PROMES-CNRS solar furnace in Odeillo, with particle outlet temperatures of 750 °C reached. The first values of wall-to-suspension heat transfer coefficient were calculated and a Nusselt correlation was determined. A specific flow pattern with a particle downward flux close to the wall and upward flux in the tube center was underlined. The flow hydrodynamics and the heat transfer mechanisms were studied thanks to 3D numerical simulations. A 16-tube 150 kWth receiver was finally tested and modeled, proving the process applicability at larger scale.

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.