The materials Fe���(Si,Ge)(S,Se)���, Cu���PS[subscript 4-x]Se[subscript x] (0 ��� x ��� 4), and Cu���PxAs[subscript 1-x]S��� (0 ��� x ��� 1) have been synthesized and studied as new earth-abundant absorbers for single and multijunction photovoltaic cells as well as solar fuel generation. The synthesis, single-crystal growth, and optical and electrical properties of these materials are described and discussed in Chapter 2, 3, and 4. Inspired by the photovoltaic absorber Cu���ZnSnS���, the new compound CuZnPS��� has been discovered; its structure and properties are discussed in Chapter 5, including a comparative analysis to Cu���PS���. The compound YZrF��� (Chapter 6) has been synthesized and evaluated for the first time as a new optical host for green up-conversion. / Graduation date: 2013

The thesis engage in structure of solar collectors in theoretical part. Secondly, theory of thermal spraying coating and anodizing is subscribed. In practical part of thesis is proposition of producing a spectral selective surface suitable for solar absorbers. Finally the properties of the samples are checked by thermographic camera shots.

<p>The optical efficiency of a commercially available sputter deposited spectrally selective solar absorber was improved. The main purposes were to decrease the thermal emittance, increase the solar absorbtance of the absorber and to protect the substrate from degradation due to environmental influence. The adhesion properties between the corrosion-protecting barrier and the substrate were also studied. This project was focused on process improvements that are realistic to implement in industrial production.</p><p>The thermal emittance of the absorber was decreased from 0.12 to 0.06 by changing the material of the corrosion-protecting layer from nickel-chromium to copper-nickel. Copper-nickel was less sensitive to variations in the sputter parameters than nickel-chromium. A novel method that could simplify the search for alternative corrosion resistant materials with a low thermal emittance has been purposed. Since resistivity data usually exist or can easily be measured and infrared measurements require more sophisticated measurements, the Hagen-Rubens relation was investigated for copper-nickel and nickel-chromium alloys. The dc-resistivity was found to be related to the infrared emittance or the integrated thermal emittance for alloys in their solid soluble fcc phase.</p><p>The solar absorbtance was increased when a graded index absorbing coating was tailored for a crossover of the reflectance from low to high reflectance at about 2.5 µm. The solar absorber graded index coating was optimized for nickel metal content in nickel oxide and a solar absorptance of 0.89-0.91 was achieved. The solar absorptance was further increased to 0.97 when an antireflection coating was added on top of the absorbing layer.</p><p>Finally, extrapolation algorithms were developed to assure correct determination of the thermal emittance for coatings on glass since modern spectrometers that do not cover the complete wavelength interval required to calculate the thermal emittance of surfaces at room temperatures accurately. The error arising from the extrapolation algorithms were smaller than the noise from the optical measurements. Similar strategies can be used for other surfaces.</p>

The optical efficiency of a commercially available sputter deposited spectrally selective solar absorber was improved. The main purposes were to decrease the thermal emittance, increase the solar absorbtance of the absorber and to protect the substrate from degradation due to environmental influence. The adhesion properties between the corrosion-protecting barrier and the substrate were also studied. This project was focused on process improvements that are realistic to implement in industrial production. The thermal emittance of the absorber was decreased from 0.12 to 0.06 by changing the material of the corrosion-protecting layer from nickel-chromium to copper-nickel. Copper-nickel was less sensitive to variations in the sputter parameters than nickel-chromium. A novel method that could simplify the search for alternative corrosion resistant materials with a low thermal emittance has been purposed. Since resistivity data usually exist or can easily be measured and infrared measurements require more sophisticated measurements, the Hagen-Rubens relation was investigated for copper-nickel and nickel-chromium alloys. The dc-resistivity was found to be related to the infrared emittance or the integrated thermal emittance for alloys in their solid soluble fcc phase. The solar absorbtance was increased when a graded index absorbing coating was tailored for a crossover of the reflectance from low to high reflectance at about 2.5 µm. The solar absorber graded index coating was optimized for nickel metal content in nickel oxide and a solar absorptance of 0.89-0.91 was achieved. The solar absorptance was further increased to 0.97 when an antireflection coating was added on top of the absorbing layer. Finally, extrapolation algorithms were developed to assure correct determination of the thermal emittance for coatings on glass since modern spectrometers that do not cover the complete wavelength interval required to calculate the thermal emittance of surfaces at room temperatures accurately. The error arising from the extrapolation algorithms were smaller than the noise from the optical measurements. Similar strategies can be used for other surfaces.

The thesis deals with the measurement system for determining the thermal efficiency of the newly developed types of solar absorbers. Measuring equipment allows simultaneous indoor or outdoor thermal efficiency detection of up to four samples absorbers. Emphasis is placed on the flow and heat transfer medium temperature changes. For this purpose is used Biotech FCH-m-POM-LC and LM35DZ sensors. Sensor signal is transferred to a PC using the measuring module NI USB-6221. Here it is further processed by proposed evaluation program. The software is implemented in LabVIEW integrated development environment. In a final part are performed a verification measurements to assess system performance and evaluate the thermal efficiency of various types of solar absorbers. This path is also demonstrated high efficiency applications absorbent layer coating color RABSORB 5.

The doctoral thesis deals with utilization of hydroforming technology for manufacturing of a new type of solar absorber, which has directly flow meandering structure and a structured surface consisting of pyramidal elements. Austenitic stainless steel X5CrNi18-10 is used as a material for absorbers production. At the beginning of the thesis, a literary research is performed, which is focused on particular methods of hydroforming technology, their applicability for this problem, forming limits determination and usability of numerical simulation. Based on the literature study, the production technology was developed by using parallel hydroforming technology and it was optimized by using a numerical simulation in the ANSYS software. Hydroforming parameters for two variants of the structured surface with pyramidal cavities with apex angle of 90° and 60° were determined from the calculations and the material tests.

Le contexte du réchauffement climatique entraîne un développement des technologies CSP (Concentrated Solar Power). La réduction des coûts de production de ces technologies passe par une amélioration de la durabilité et de l'efficacité des composants des centrales solaires. Les températures de fonctionnement élevées du CSP (250-600°C) nécessitent d'employer des absorbeurs spectralement sélectifs afin de limiter les pertes par radiation. Cette thèse propose une architecture originale d'absorbeurs sélectifs stables à haute température sous air en combinant un dépôt de TiAlN en couches minces avec un réseau de diffraction. L'ajout d'une texturation de surface augmente l'absorption solaire du dépôt par un effet d'absorption et de gradient des indices optiques effectifs conduisant à une augmentation du rendement photothermique de l'absorbeur. Dans ce mémoire, la modélisation du comportement optique des absorbeurs texturés, les méthodes de fabrication du réseau de diffraction ainsi que le dépôt des couches minces par PVD et PECVD seront abordés et les mesures expérimentales seront comparées aux modélisations. L'analyse des absorbeurs texturés fabriqués confirme un gain de rendement photothermique pouvant atteindre +3% ainsi qu'une stabilité thermique remarquable à 500°C sous air jusqu'à 300 h de recuit / The global warming context reinforces the development of CSP technologies. Cost reduction of CSP requires the improvement of component durability and efficiency. The solar absorbers should be spectrally selective since the high working temperatures of CSP plants increase the radiative thermal losses. This thesis proposes an original, spectrally selective absorber structure combining TiAlN based coatings and diffractive gratings. The surface texturing provided by the diffractive gratings improves the solar absorption of the thin coating by an effective optical index gradation effect leading toincreased photothermal efficiency. In this thesis, the modeling of the textured absorber’s optical behavior, fabrication methods of diffractive gratings, as well as layer deposition by PVD/PECVD will be discussed. Experimental measurements will be compared to the theoretical modelling. The experimental analysis of textured absorbers confirms the increase of photothermal efficiency by almost 3%, as well as a good thermal stability at 500°C in air for 300 hours of annealing

The doctoral thesis deals with utilization of hydroforming technology for manufacturing of a new type of solar absorber, which has directly flow meandering structure and a structured surface consisting of pyramidal elements. Austenitic stainless steel X5CrNi18-10 is used as a material for absorbers production. At the beginning of the thesis, a literary research is performed, which is focused on particular methods of hydroforming technology, their applicability for this problem, forming limits determination and usability of numerical simulation. Based on the literature study, the production technology was developed by using parallel hydroforming technology and it was optimized by using a numerical simulation in the ANSYS software. Hydroforming parameters for two variants of the structured surface with pyramidal cavities with apex angle of 90° and 60° were determined from the calculations and the material tests.

Η παρούσα έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ρευστομηχανικής και Εφαρμογών Αυτής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα «Ηράκλειτος ΙΙ» στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθησης, Επένδυση στη κοινωνία της γνώσης. Ο έλεγχος του θερμικού φορτίου στη λειτουργία διαφόρων μηχανολογικών ή ηλεκτρολογικών συστημάτων από συστήματα ψύξης, γίνεται όλο και πιο αναγκαίος στη σημερινή εποχή. Τα συστήματα ψύξης κατηγοριοποιούνται σε ενεργά, που μεταφέρουν ενέργεια υπό μορφή αισθητής θερμότητας μέσω ενός υγρού και σε παθητικά συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούν τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του ρευστού λειτουργίας που κυκλοφορεί στην εγκατάσταση, εξαιτίας των τριχοειδών δυνάμεων που αναπτύσσονται από την ύπαρξη πορώδους υλικού. Τα παθητικά συστήματα ψύξης προτιμώνται έναντι των ενεργών, καθώς έχουν τη δυνατότητα να απάγουν περισσότερη θερμότητα, παρουσιάζουν πιο αξιόπιστη λειτουργία, εξαιτίας της έλλειψης κινητών μερών και τέλος, εμφανίζουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μία διάταξη που προσφέρει δυνατότητες ελέγχου του θερμικού φορτίου είναι το κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας, Capillary Pump Loop (CPL), που αποτέλεσε και το αντικείμενο μελέτης στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Αξιοποιεί τις τριχοειδείς δυνάμεις που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια υγρής-αέριας φάσης του ρευστού λειτουργίας στο πορώδες υλικό που περικλείει ο εξατμιστής στο εσωτερικό του, καθώς και τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης και συμπύκνωσης του ρευστού. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνει την κυκλοφορία του ρευστού λειτουργίας στην εγκατάσταση, χωρίς την παρουσία μηχανικής αντλίας, και τη μεταφορά των απαιτούμενων θερμικών φορτίων σε μεγάλες αποστάσεις. Ένα κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας αποτελείται από έναν εξατμιστή, ένα συμπυκνωτή, τις γραμμές υγρού και ατμού καθώς και ένα ρεζερβουάρ. Από τη μέχρι τώρα έρευνα είχαν μελετηθεί πειραματικά αρκετά μοντέλα CPL, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη διαδικασία εκκίνησης της διάταξης καθώς και στις συνθήκες μόνιμης λειτουργίας. Σε όλα αυτά τα μοντέλα το θερμικό φορτίο επιβάλλονταν μέσω ηλεκτρικών αντιστάσεων. Στην παρούσα διερεύνηση η διάταξη ενσωμάτωσε τη δυνατότητα η προσφερόμενη θερμότητα να παρέχεται και από την ηλιακή ακτινοβολία αναπτύσσοντας έναν εργαστηριακό ηλιακό προσομοιωτή. Προκειμένου να βελτιώσουμε τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας και να επιτύχουμε υψηλότερη θερμοκρασία στον εξατμιστή του CPL χρησιμοποιήθηκε παραβολικό κάτοπτρο σε συνδυασμό με συγκεντρωτικό συλλέκτη. Η πειραματική εγκατάσταση που σχεδιάσθηκε και κατασκευάστηκε είχε ως στόχο τη μελέτη της συμπεριφοράς του CPL σε θερμικά φορτία υπό μεταβλητές συνθήκες πλήρωσης της εγκατάστασης, ενώ εξετάστηκε και η συμπεριφορά της τριχοειδούς αντλίας όταν ο εξατμιστής βρίσκονταν υπό κλίση ως προς το επίπεδο, και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τα αντίστοιχα για λειτουργία σε οριζόντιο επίπεδο. Η παραμετροποίηση της πειραματικής διερεύνησης του CPL αφορούσε τέσσερις τιμές θερμοκρασίας εισόδου του ρευστού, 15, 25, 35 και 45 οC, τρεις τιμές πίεσης πλήρωσης του κυκλώματος, 0,05, 0,15 και 0,25 bar, και, τέλος, τρεις γωνίες κλίσης, 8ο, 16ο και 23ο. Η διάρκεια των πειραμάτων ήταν αρχικά δέκα ώρες, ώστε να προσομοιώνει τη λειτουργία της εγκατάστασης σε διάστημα ηλιοφάνειας κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου, αλλά και εικοσιτέσσερις, ώστε να αποτυπωθεί η απρόσκοπτη διατήρηση της κατάστασης σταθερής λειτουργίας του κυκλώματος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται τα υπολογιστικά μοντέλα δύο και τριών διαστάσεων, 2Δ και 3Δ, όπως σχεδιάστηκαν στο λογισμικό GAMBIT της Fluent Inc., βάση των διαστάσεων του εξατμιστή της πειραματικής εγκατάστασης. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε αφορούσαν το νερό, την ακετόνη, την αμμωνία σαν ρευστά λειτουργίας, τόσο στο επίπεδο όσο και υπό γωνίες κλίσης, παραμετροποιώντας τόσο το θερμαινόμενο μήκος πορώδους επί του συνολικού μήκους του πορώδους του εξατμιστή, όσο και τη θερμοκρασία κορεσμού. Τα δεδομένα για όλα τα ρευστά συγκεντρώθηκαν σε συγκριτικά διαγράμματα, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τα περιθώρια αξιοποίησης αυτών, είτε υπάρχει κλίση είτε όχι. Επιπλέον, τεκμηριώθηκε η επιλογή του νερού σαν καταλληλότερο ρευστό λειτουργίας κάτω από δεδομένες συνθήκες. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζεται ο αριθμητικός κώδικας που δημιουργήθηκε για τη μοντελοποίηση ολόκληρης της εγκατάστασης του CPL και παραθέτουμε συγκριτικά διαγράμματα, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, με τα πειραματικά, τα αριθμητικά και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Στο τελευταίο μέρος έχουμε σχεδιάσει κυκλώματα, αξιοποιώντας την τριχοειδή αντλία, για τη ψύξη/θέρμανση των χώρων μιας κατοικίας για ολόκληρο το έτος. Μια πρόταση που βασίζεται στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και ανταποκρίνεται στην επιτακτική ανάγκη για εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τη μείωση της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, εξοικονομώντας χρήματα και προστατεύοντας το περιβάλλον / Present research was conducted in Fluid Mechanics Laboratory of the Mechanical Engineering and Aeronautics Department, University of Patras, and was financed by the operational programme «Herakleitos II», Education and Lifelong Learning Investing in knowledge society. Modern demands in controlling heating load of the cooling systems of mechanical or electrical components are increasing. Cooling systems are divided in active and passive systems. In active systems energy is transported due to sensual heat. While in passive systems due to working fluid latent heat of evaporation because of capillary forces developed in the porous wick inside the evaporator. Passive systems are preferred compared to active systems because they can transfer larger amount of heat, are more reliable, since there are no moving parts, and, finally, lifetime period is longer. The Capillary Pumped Loop (CPL) is a device proper for thermal management control, and was investigated in the present PhD study. The CPL operating principle is based on capillary action, developed in the liquid-vapor phase interface of the working liquid in the porous wick inside the evaporator, and working fluid evaporation and condensation latent heat. The result is that the working fluid is displaced inside the loop without any mechanical pump and heat load is transported in large distances. CPL main components are an evaporator, a condenser, a liquid line, a vapor line and a reservoir. Research regarding the CPL experimental models so far concentrated in the evaporator start-up and steady working state conditions. For all those cases heat load was applied through electric resistances. In the present study heat load was alternatively applied through solar radiation using a solar simulator, designed for this purpose. In order to achieve higher temperature in the evaporator external wall and increase solar radiation exploited, a parabolic mirror was used in combination with a solar collector. The experimental installation was designed in such a way to study the behavior of a CPL when heat load was imposed under different loop charging pressures and for several evaporator inclination angles. Experimental results where compared to the results acquired for evaporator operating at zero inclination angle. The initial values of the working fluid temperature were 15, 25, 35 and 45 oC, of the charging pressure 0,05, 0,15, 0,25 bar and of the inclination angle 8, 16 and 23o. The duration of the experiments was initially ten hours, in order to simulate CPL operating during a typical summer day, and then increased to twenty four hours to investigate continuous operation during all day. In the second section of this study two and three dimensions, 2D and 3D, computational models are presented designed in Gambit, Fluent Inc., based on the exact dimensions of the experimental ones. Computational results were derived for water, acetone and ammonia, as working fluid, for zero inclination and the three values of angles mentioned above. Models were customized for different porous wick heated length and working liquid of different saturation temperature. Comparative figures for all working fluids are presented whether evaporator was under inclination angle or not. Moreover, those comparative figures reviled that water was more suitable as working fluid under steady operating state. In the third section the numerical model simulating the overall CPL function is presented and comparative figures between experimental, computational and numerical results are given, for the same operating conditions. In the last section a potential solar CPL heating/cooling system for domestic use is presented. This potential system could meet the demands for using renewable energy sources in order to reduce electrical energy consumption, save money and protect the environment at the same time.

Dans le contexte énergétique qui se profile, la production d’électricité par voie solaire thermodynamique s’avère une solution prometteuse, que ce soit pour des considérations économiques, d’échelle de production ou environnementales. Une voie d’amélioration du rendement des centrales solaires à tour consiste à utiliser des cycles thermodynamiques à haut rendement type cycles combinés. Cela nécessite de pouvoir fournir un fluide de travail pressurisé à très haute température (10bar et 1000°C minimum). Ce manuscrit présente les travaux menés afin de développer et de viabiliser un concept d’absorbeur solaire surfacique modulaire en céramique (carbure de silicium) capable de répondre à ces exigences. Le choix du carbure de silicium s’est imposé pour sa résistance aux hautes températures et aux problèmes d’oxydation. Cependant, l’utilisation d’une céramique comme matériau implique un risque de casse des modules. Les céramiques sont en effet fragiles lorsqu’elles sont soumises à des contraintes de traction. C’est la connaissance et la maitrise de ce risque qui fait l’objet de cette étude. L’approche adoptée combine le développement d’outils numériques et d’études expérimentales réalisées sur le site de la centrale solaire Thémis (Targassonne, 66, France). La méthodologie desimulation développée permet de prédire le comportement thermique et le comportement mécanique de l’absorbeur. Ceci permet de réduire les risques encourus par l’absorbeur et d’en connaitre les performances. Cette méthodologie a été éprouvée à l’aide des résultats expérimentaux. / For the future, using thermodynamical solar power plant seems to be a good solution to ensure electrical production. Solar tower plants are able to produce electricity in significant amount, are environmentally friendly and economically competitive. One way to increase the yield of these plants is using high efficiency thermodynamical cycles, like combined cycle. That requires to providing a working fluid at high temperature and high pressure (10bar and 1000°C at least). This PHD thesis presents the works performed to develop and enhance a concept of modular plate solar ceramic absorber that can ensure the required air production. We chose the silicon carbide as material due to its resistance to high temperatures and oxidation problems. The drawback is ceramic modules are weak to traction stresses. The study focuses on the knowledge and the control of this phenomenon. This work combines the developments of numerical tools and experimental studies performed at Thémis power plant (Targassonne, 66, FRANCE). The numerical method permits simulations to predict the thermal behavior and the mechanical behavior of a solar module absorber. It allows the reduction of the mechanical stresses undergone by solar receiver and the prediction of its performances. This methodology was tested using experimental results.