Son efficacité, son faible impact environnemental et sa fiabilité font de la réfrigération thermoacoustique solaire une alternative intéressante aux systèmes solaires de production de froid. L'adaptation des technologies solaire et thermoacoustique requiert une conception thermique précise de l'élément d'interface, le récepteur solaire, constitué d'une cavité et d'un échangeur irradié par le rayonnement solaire. L'objectif de cet élément est de collecter et de transmettre efficacement l'énergie solaire incidente au fluide de travail du système thermoacoustique. Comme les ondes acoustiques sont très sensibles aux perturbations thermiques, la conception du récepteur doit favoriser l'homogénéité thermique, spatiale et temporelle, à l'intérieur de l'échangeur. Pour cette raison, une étude complète incluant le développement d'outils numériques de simulation pour modéliser le processus thermique, du transfert solaire au transfert thermoacoustique est nécessaire afin d'optimiser les dimensions du prototype de la campagne expérimentale. Cette étude décrit les outils de simulation ainsi que les dispositifs expérimentaux comme les résultats obtenus sur les aspects spatiaux et temporels.

Les centrales solaires à concentration sont des technologies prometteuses pour la production d'énergie d'origine renouvelable. Celles mettant en œuvre des cycles thermodynamiques à hautes températures, tels que les cycles combinés, permettent d'augmenter l'efficacité de la conversion solaire. Cependant, leurs implantations nécessitent le développement de nouveaux récepteurs à haute température (T > 1100 K), tels que les récepteurs solaires à particules (SPRs). Ce travail porte sur l'optimisation numérique des principaux paramètres pilotant l'efficacité de ce type de récepteurs, l'enjeu principal étant de minimiser les pertes par rayonnement thermique. Dans un premier temps, un modèle simplifié des transferts radiatifs dans un SPR a été développé. Le modèle considère un milieu particulaire soumis à un flux solaire concentré et collimaté. Le milieu émet, absorbe et diffuse le rayonnement de manière anisotrope. L'équation de transfert radiatif est résolue par une méthode à deux-flux (géométrie 1D) avec l'approximation delta-Eddington, permettant une obtention rapide des résultats. Cette méthode a été choisie pour son adéquation aux cas d'émission et de diffusion anisotrope. L'hypothèse de diffusion indépendante est utilisée afin de déterminer les propriétés optiques du milieu. La théorie de Lorenz-Mie et l'approximation de Henyey-Greenstein ont été utilisées pour calculer, respectivement, les efficacités optiques et la fonction de phase des particules. Ce modèle est mis en œuvre avec un algorithme d'optimisation par essaims particulaires, dans le but de déterminer la taille des particules, leur fraction volumique, et leur indice de réfraction optimums. Dans un deuxième temps, six matériaux réels sont sélectionnés afin de tenter de retrouver le résultat optimum obtenu précédemment avec un matériel idéal. Ces matériaux (HfB2, ZrB2, HfC, ZrC, W et SiC) sont pertinents du fait de leur comportement sélectif ou de leur absorptivité élevée. Afin de déterminer leurs indices de réfraction, la relation de dispersion de Kramers-Kronig a été utilisée à partir de données de réflectance issues de la littérature. Trois configurations de récepteurs ont été étudiées : a) un milieu homogène comprenant un seul type de particules, b) un milieu inhomogène comprenant deux matériaux différents, c) un milieu homogène comprenant des particules enrobées. D'après les résultats de ces configurations, les particules de W enrobées de SiC permettent d'atteindre des performances proches du cas idéal optimisé. Enfin, un modèle numérique de transfert thermique par convection et rayonnement a été développé, pour étudier l'influence de l'écoulement sur les pertes radiatives du récepteur. Il est basé sur une géométrie simple constituée d'un écoulement d'un mélange de gaz et de particules circulant entre deux plaques planes, l'une étant une fenêtre par laquelle pénètre perpendiculairement le flux solaire. Le modèle radiatif développé précédemment permet de calculer la divergence du flux radiatif, tandis que l'équation de l'énergie est résolue par une approximation de low-Mach. Ainsi, les conditions de l'écoulement et des propriétés radiatives que minimisent les pertes du récepteur sont déterminés. De futurs travaux pourront être élargis à de nouveaux matériaux candidats pour les récepteurs solaires à particules. Leur index de réfraction pourra être mesuré et comparé aux valeurs théoriques obtenues par les codes développés dans le cadre de ce travail / Solar Particle Receivers (SPRs) are promising candidates to work at high temperatures (T > 1100 K) in Central Solar Power (CSP) plants. They will permit the use of high efficient thermodynamic cycles, such as a combined cycle (Brayton cycle + Rankine cycle). Nevertheless, the optimal conditions that reduce the receiver losses (and consequently maximize the receiver efficiency) still remain to be studied. In this work, the principal parameters that drive the receiver efficiency are numerically optimized. For this end, a simplified radiative model is developed, which allows one to run the high number of simulations needed in such optimization. This model consists in a 1D slab of particulate media submitted to a collimated and concentrated solar flux. The medium emits, absorbs and anisotropically scatters energy. A two-stream method with a delta-Eddington approximation is implemented to fast solve the radiative transfer equation. Among the several two-stream approximations, the one proposed by Joseph et al. (1976) is chosen due to its good treatment of the anisotropic scattering. The volume optical properties are computed under the independent scattering hypothesis, the single-particle optical properties with the Lorenz-Mie theory and the phase function with the Henyey-Greenstein phase function. Such a model is used with a Particle Swarm Optimization algorithm to find the optimal particle size, volume fraction and complex refractive index to be used in the receiver. Once the ideal optimal conditions for a SPR are found, the replication of these results is attempted by using real materials. Six materials (HfB2, ZrB2, HfC, ZrC, W and SiC) are chosen because of their spectral selective behavior or their high absorptivity. At this stage, an important difficulty is the lack of information about the refractive indexes of materials. Therefore, the Kramers-Kronig dispersion relations are utilized to find the refractive indexes from reflectance data. Then, three SPR configurations are considered: (1) a homogeneous medium with only one kind of particles, (2) a medium with a mixture of two materials and, (3) a homogeneous medium with coated particles. The three configuration results are compared with those obtained using particles made of an ideal material. A remarkable result is obtained when W-particles coated with SiC are used. This configuration decreases the radiative losses approaching to the ideal minimal. Finally, the influence of the fluid flow on the radiative losses is studied through the implementation of a convection-radiation heat transfer model. A simple geometry is adopted for a gas-particles mixture flow between two parallel plates, where one of them is a window. The concentrated solar radiation then affects perpendicularly the fluid flow. The energy equation is solved using a low-Mach approximation and the divergence of the radiative flux with the radiative model developed before. A parametric study is conducted to investigate the influence of the optical properties on the radiative losses. In the future, more materials remain to be investigated to be used in solar particle receivers. To this end, the refractive indexes of a number of materials should be measured. The developed codes will be useful for this investigation

Son efficacité, son faible impact environnemental et sa fiabilité font de la réfrigération thermoacoustique solaire une alternative intéressante aux systèmes solaires de production de froid. L'adaptation des technologies solaire et thermoacoustique requiert une conception thermique précise de l'élément d'interface, le récepteur solaire, constitué d'une cavité et d'un échangeur irradié par le rayonnement solaire. L'objectif de cet élément est de collecter et de transmettre efficacement l'énergie solaire incidente au fluide de travail du système thermoacoustique. Comme les ondes acoustiques sont très sensibles aux perturbations thermiques, la conception du récepteur doit favoriser l'homogénéité thermique, spatiale et temporelle, à l'intérieur de l'échangeur. Pour cette raison, une étude complète incluant le développement d'outils numériques de simulation pour modéliser le processus thermique, du transfert solaire au transfert thermoacoustique est nécessaire afin d’optimiser les dimensions du prototype de la campagne expérimentale. Cette étude décrit les outils de simulation ainsi que les dispositifs expérimentaux comme les résultats obtenus sur les aspects spatiaux et temporels. / Its efficiency, its low environmental impact and its reliability makes thermoacoustic solar refrigeration an interesting alternative to the existing solar systems for the cooling production. The solar adaptation of a thermoacoustic system requires an appropriate thermal design of the interface element, the solar receiver, which consists in a hot heat exchanger placed in a cavity that surrounds the focused image of the sun. The objective of this element is to efficiently collect and transfer the concentrated solar incident energy to the working fluid of the thermoacoustic system. Since acoustic waves characteristics are very sensitive to thermal disturbances, one challenge in the design of the receiver is that the temperature field within the heat exchanger must be as homogeneous as possible in space and time. Hence, a complete study, including the development of simulations tools which model the whole heat transfer processes, from solar to thermoacoustics, is necessary to optimize the prototype’s dimensions for the experimental campaign. This study describes the simulation tools and the experimental apparatus developed and the results obtained over space and time.

A l'heure actuelle les énergies fossiles traditionnelles (pétrole, charbon...) commencent à s'épuiser, ce qui pousse l'humanité à chercher d'autres sources d'énergie pour subvenir à ses besoins. La nature recèle beaucoup de sources d'énergie inépuisables et non polluantes comme l'énergie solaire, la biomasse et l'énergie éolienne. La disponibilité de l'énergie solaire, sa gratuité et son renouvellement encouragent sa collecte et son exploitation. L'énergie solaire peut être collectée pour diverses utilisations comme la réalisation d'une réaction chimique endothermique ou la production de l'électricité. La production de l'électricité solaire est opérée soit par des procédés photovoltaïques, soit par des procédés thermodynamiques. Ceux ci ont un rendement déjà intéressants, mais sont actuellement limités par la température des cycles à vapeur. Pour améliorer l'efficacité énergétique de ces procédés, une des solutions est de chauffer un gaz à très hautes températures en entrée d'une turbine à gaz. Le travail présenté dans ce mémoire décrit un procédé de collecte d'énergie solaire concentrée basé sur un lit fluidisé à changement de section. La collecte de l'énergie solaire se fait directement au travers d'une fenêtre transparente en quartz. La conception de notre récepteur solaire est basée sur deux études. La première consiste à tester plusieurs colonnes transparentes à froid de géométries et de dimensions différentes pour optimiser la distribution des particules lors de la fluidisation. Elle nous a permis de choisir les dimensions et la géométrie du récepteur solaire. En parallèle, nous avons réalisé un premier récepteur avec éclairement artificiel par des lampes infrarouges, au laboratoire RAPSODEE de l'Ecole des Mines d'Albi. Il nous a permis de vérifier la faisabilité du procédé et d'avoir les premiers résultats de la fluidisation à chaud. Le récepteur solaire a été ensuite testé au four solaire de 4,6 m du PROMES-CNRS à Odeillo. Durant notre travail nous avons étudié expérimentalement et numériquement les transferts thermiques dans le lit fluidisé et l'influence des divers paramètres physiques sur l'efficacité du récepteur. Un modèle mathématique des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo en 1 D a été réalisé. Ce modèle permet de déterminer la distribution des densités de flux thermiques dans les différentes couches du lit fluidisé ainsi que les pertes radiatives. Nous concluons sur la pertinence de nos choix dans ce travail et sur les perspectives.

L’objectif était de concevoir et réaliser des architectures alvéolaires performantes pour les récepteurs solaires volumétriques des futures centrales thermodynamiques. Trois stratégies différentes sont envisagées pour l’ébauche des préformes carbones ou céramiques : (i) la synthèse de matériaux biomorphiques issus de la découpe de balsa, (ii) l’élaboration de structures céramiques par projection de liant et (iii) la réplication de structures polymères réalisées par impression 3D, à l’aide d’une résine précurseur de carbone ou céramique. Dans tous les cas, les préformes crues sont converties par pyrolyse en C ou SiC et une étape d’infiltration/revêtement de SiC par CVD (Chemical Vapor Deposition) achève la fabrication des structures céramiques. Une étape intermédiaire de RCVD (Reactive CVD) a été mise en œuvre au cours de la première voie, afin de convertir la structure carbonée microporeuse en TiC. La composition, la microstructure et l’architecture poreuse des structures céramiques ont tout d’abord été caractérisées. Les caractéristiques des matériaux les plus pertinentes, compte tenu de l’application en tant qu’absorbeur solaire, ont ensuite été examinées. Les propriétés thermomécaniques et la résistance à l’oxydation ont ainsi été caractérisées en priorité. La perméabilité et les propriétés thermo-radiatives, qui sont également deux facteurs importants pour l’application, ont également été considérées. / The aim is to design and create efficient cellular architectures for volumetric solar receivers used in the future thermodynamic power plants. Three strategies are considered for the creation of ceramic or carbon preforms: (i) the synthesis of biomorphic materials resulting from the cutting of balsa, (ii) the elaboration of ceramic structures by binder jetting and (iii) the replication of polymer structures made by 3D printing, using a carbon or ceramic precursor resin. In all cases, the green preforms are converted by pyrolysis to C or SiC and an infiltration step / SiC coating by CVD (Chemical Vapor Deposition) completes the manufacture of ceramic structures. An intermediate stage of RCVD (Reactive CVD) was implemented during the first strategy, in order to convert the microporous carbonaceous structure into TiC. The composition, the microstructure and the porous architecture of the ceramic structures were first characterized. The characteristics of the most relevant materials, considering the application as a solar receiver, were then examined. The thermomechanical properties and the oxidation resistance have thus been characterized in priority. Permeability and thermo-radiative properties, which are also two important factors for application, were also considered.

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.

L'objectif de ce travail est d’évaluer le positionnement et le potentiel des récepteurs à lit fluidisé à changement de section par rapport aux autres méthodes de chauffage de gaz à haute température par voie solaire. A cette fin, une connaissance approfondie des phénomènes thermiques et hydrodynamiques du récepteur est nécessaire. Pour acquérir cette connaissance, nous avons modélisé les transferts thermiques dans le récepteur en portant une attention particulière sur les transferts radiatifs en prenant en compte les diffusions multiples de la lumière dans le milieu particulaire, les effets de parois sur les transferts radiatifs et la directionnalité du rayonnement solaire concentré. La détermination précise de la distribution de particules dans le ciel du lit fluidisé s'est avérée un paramètre critique pour le calcul des transferts thermiques. Ces modèles, plus tard affinés par une confrontation avec des références expérimentales, nous ont permis d'explorer l'effet de la géométrie sur les transferts thermiques dans le récepteur. Il ont permis entre autres de mettre en évidence l'intérêt d'utiliser une colonne de fluidisation à changement de section et l'importance de l'optimisation du couple concentrateur solaire / récepteur afin d'éviter d'éventuelles surchauffes au niveau des parois du récepteur. De même, il semble que l'homogénéisation de la température dans le lit fluidisé contenu dans le récepteur soit favorable à son rendement. / The aim of this work is to evaluate the position and the potential of solar fluidized bed receivers compared to other methods for the solar heating of gases at high temperature. To this end, a thorough knowledge of the heat transfer and hydrodynamic of the receiver is necessary. To acquire this knowledge, we modeled the heat transfer in the receiver with a focus on the radiative transfer by taking into account the multiple scattering of light in the particle medium, the effect of walls on radiative heat transfer and the directionality of the concentrated solar radiation. The accurate determination of the distribution of particles within the fluidized bed has been a critical parameter for the calculation of heat transfer. With these models, later refined by a confrontation with experimental references, we have studied the effect of geometry on heat transfer in the receiver. This study highlighted the necessity to use a switching section fluidization column and the importance to optimize the pair : solar concentrator / receiver to avoid any overheating at the walls of the receiver. Moreover, it appears that the homogenization of the temperature in the fluidized bed of the receiver increase its performance.

Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide. / A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers.

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.