Inför anslutning av stora elkraftsproducenter till regionnäten i Sverige görs omfattande analyser och beräkningar. Vattenfall Eldistribution AB är ett av företagen som äger regionnät och på senare tid har det setts en ökad andel förfrågningar på att få ansluta stora solcellsparker. Då elproduktionen från en sådan anläggning är av intermittent karaktär behövs det undersökas hur produktion och produktionsmönster ska kunna estimeras på ett tillförlitligt sätt. Rapporten presenterar teorier och ekvationer för olika sorters solinstrålning och solcellsteknik för att sedan översiktligt gå igenom de huvudkomponenter som utgör en solcellspark. I rapporten undersöks två olika metoder att estimera produktion och produktionsmönster från en solcellspark. En av metoderna använder sig av strålningsdata som STRÅNG tillhandahåller. STRÅNG är en beräkningsmodell framtagen av SMHI tillsammans med Strålsäkerhetsmyndigheten och Naturvårdsverket där olika sorters inkommande strålning från solen registreras och bearbetas. Den andra metoden använder PVGIS, ett verktyg som utvecklats av EU-kommissionen för att ge information om förväntad prestanda för en solcellsanläggning. Estimeringen jämförs sedan med reellt produktionsutfall från en befintlig solcellspark för att validera beräkningarna. Senare delen av rapporten tar upp olika sammanlagringsscenarion mellan sol- och vindkraftsproduktion. Syftet var att studera på vilket sätt de båda parkernas produktion sammanfaller samt hur många timmar på ett år detta sker. I samma kapitel kan läsas om hur detta förhåller sig till en luftlednings överföringsförmåga. En lednings överföringsförmåga uttrycks i ström och är ett beräkningsresultat av ledningens mekaniska egenskaper men även väderparametrar så som lufttemperatur och solinstrålning. Resultatet av analysen utförd i arbetet pekar på att det går att estimera produktion och produktionsmönster från en solcellspark med hjälp av både STRÅNG och PVGIS. Estimeringen ska dock ses som en vägledning snarare än som underlag för detaljerade beräkningar. STRÅNG tillhandahåller mer aktuella mätdata än PVGIS men kräver desto mer bearbetning av data för att få fram estimatet. Vidare tyder även analysen på att det kan finnas goda förutsättningar att integrera solcellsparker där det redan finns befintliga vindkraftsparker utifrån beräknad ledningskapacitet. / In order to connect large scale electric power producers to the distribution system in Sweden, extensive analyses and calculations are carried out. Vattenfall Eldistribution AB - a company that owns a portion of this distribution system, has experienced a rise in requests to connect larger solar power plants. As power generated by such a plant is of intermittent character, it is necessary to investigate how production and production patterns can be reliably estimated. The report presents theories and equations for various types of solar radiation and solar cell technology, and then briefly discusses the main components of a solar power plant. In this report two methods to estimate the production and production pattern from a solar power plant are investigated. One of the methods uses radiation data provided by STRÅNG. STRÅNG is a radiation model funded by SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute) together with the Radiation Safety Authority and the Environmental Protection Agency. The other method to estimate production uses PVGIS, a tool developed by the European Commission to provide information on the expected performance of a solar panel installation. The estimations by the two methods are then compared to the actual production outcome from an existing park to validate the calculations and methods. The later part of the report discusses different scenarios of combined solar and wind power production. The aim was to study how the two parks' power generation coincide and how many hours per year this occurs. The same chapter also discusses how this relates to the transmission capacity of an overhead line. The transmission capacity of an overhead line is expressed as current and is the calculated result of its mechanical properties and weather parameters such as air temperature and solar radiation. The results of the analyses carried out in this thesis indicate that it is possible to estimate production from a solar power plant using both STRÅNG and PVGIS. The estimation; however, should be seen as a guidance rather than basis for detailed calculations. STRÅNG offers more current data than PVGIS but requires more processing of the data to produce an estimate. The analysis also suggests that there may be potential for integrating solar power plants in areas where there are already existing wind power plants, given the transmission capacity of an overhead line.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne le développement d’un système de stockage thermique par chaleur latente pour les centrales solaires à concentration utilisant la génération directe de vapeur, et s’attache plus particulièrement la sélection et l’étude du matériau à changement de phase (MCP). Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique (STARS) porté par le consortium composé d’AREVA Renouvelables, la société Hamon d’Hondt, l’institut CEA liten et les laboratoires IPNO, LPCS et LaTEP. Ce projet est accompagné par l’ADEME dans le cadre du programme énergies décarbonnées des investissements d’avenir.Le premier chapitre de ce manuscrit situe le contexte de l’étude en dressant un état de l’art des différents systèmes solaires à concentration existants et des différents moyens de stocker l’énergie pour ce type de technologie. Le projet STARS est ensuite présenté. Ce chapitre se termine par un descriptif des objectifs du travail de thèse. L’intégralité du processus de sélection du MCP, incluant le recensement des matériaux dans la littérature, la définition des critères de sélection et la caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage des candidats les plus pertinents, est détaillée dans le chapitre II. À l’issue de ce travail, le choix du consortium se porte sur le nitrate de sodium, un sel inorganique possédant une température de fusion adaptée à la technologie d’AREVA et une densité de stockage importante. La poursuite de l’étude, concernant la stabilité thermique du MCP durant son utilisation en conditions industrielles, fait l’objet du chapitre III. Cette étude comporte une partie bibliographique permettant de mettre en évidence les problématiques liées à la dégradation thermique du matériau et à son comportement vis-à-vis des matériaux métalliques avec lesquels il sera amené à être en contact (échangeur de chaleur, cuve de stockage). La principale conséquence des phénomènes mis en évidence étant la réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium, l’étude de l’impact du taux de nitrite de sodium sur les propriétés thermiques du MCP a été réalisée. Les résultats de cette campagne expérimentale ont montré une diminution significative de la température de fusion et de la chaleur latente du MCP lorsque la proportion de nitrite de sodium croît. Afin d’étudier l’évolution de composition du MCP dans des conditions réelles de fonctionnement, un dispositif a été conçu spécifiquement pour reproduire des conditions de cyclage thermique en présence de métaux. L’étude menée à l’aide de ce dispositif a permis d’analyser la cinétique de réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium. Les résultats montrent que l’évolution de composition du MCP dans les conditions opératoires du projet est négligeable, garantissant la stabilité des propriétés thermiques de celui-ci au cours de son utilisation.Enfin, le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’amélioration des transferts thermiques au sein du MCP. En effet, le nitrate de sodium possède une conductivité thermique faible, pouvant limiter la puissance des échanges de chaleur dans le système de stockage. En premier lieu, un état de l’art des solutions d’intensification des transferts dans le domaine du stockage par chaleur latente est dressé. Ce travail a permis de mettre en évidence que l’utilisation de composites à base de mousses métalliques constitue une voie pertinente d’amélioration des transferts. Ainsi une campagne expérimentale visant à évaluer les performances de tels composites a permis de mettre en évidence le potentiel de ce type de configuration. / The work presented in this manuscript concerns the development of a latent heat thermal energy storage system adapted to concentrated solar power plant using direct steam generation, and more particularly on the selection and the study of the Phase Change Material (PCM) used in this system. This thesis was performed within the framework of the STARS project (Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique) carried by the consortium of AREVA Renouvelables, Hamon d’Hondt company, CEA institute liten and laboratories IPNO, LPCS and LaTEP. This project is accompanied by ADEME under the énergies décarbonnées des investissements d’avenir program. The first chapter of this manuscript sets up the context of this study by drawing a state of art of different existing CSP technologies and various ways to store energy for this kind of systems. The STARS project is then described. This chapter ends with a description of the thesis objectives. The entire PCM selection process, including identification of materials in literature, definition of various criteria and thermal characterization by differential scanning calorimetry (DSC) of the most relevant candidates, is detailed in chapter II. This work leads to the selection of sodium nitrate by the consortium, an inorganic salt with a suitable melting temperature considering AREVA’s technology and a large storage density. The following work, concerning the thermal stability of the PCM under thermal cycling, is then presented in chapter III. This part includes a bibliographic study allowing to highlight issues related to thermal degradation of the PCM and its behavior regarding to metallic material with which it will have to be in contact (heat exchanger, storage tank). The main consequence of these phenomena is the reduction of sodium nitrate into sodium nitrite, and thus the impact of sodium nitrite fraction on the thermal properties of the PCM was studied. The results of this experimental work shows a significant reduction of the melting temperature and the latent heat as the fraction in sodium nitrite increases. To study the evolution of the PCM composition under real operating situation, a specific device was designed to replicate thermal cycling conditions in the presence of metals. This device was used to analyze the kinetics of reducing sodium nitrate into sodium nitrite. The results show that the changes in composition of the PCM in the project’s operating conditions are negligible, ensuring the stability of its thermal properties during its lifetime. The last chapter is devoted to the improvement of heat transfers within the PCM. Indeed, sodium nitrate has a low thermal conductivity which may limit the power of the heat exchange in the storage system. A state of art of available solutions for the intensification of thermal transfers concerning latent heat storage was done. This study highlighted that the use of composites based on metallic foams constitutes an effective way of improvement. Thus an experimental campaign was conducted to evaluate the performances of such composites, allowing to show the potential of this kind of configuration.

PRESENTATION DES MODELES RELATIFS AUX DIFFERENTS ELEMENTS CONSTITUTIFS DE LA BOUCLE THERMIQUE ET DU MODELE GLOBAL DE CELLE-CI. APPLICATION DE LA METHODE CLASSIQUE DE COMMANDE CLASSIQUE AVEC CRITERE QUADRATIQUE SANS PRENDRE EN COMPTE DE FACON EXPLICITE LES CONTRAINTES. ELABORATION D'UNE COMMANDE UTILISANT "L'ETAT ADJOINT" METTANT A PROFIT CERTAINES PARTICULARITES DU SYSTEME. SIMULATION DES COMMANDES POUR DIFFERENTS ENSOLEILLEMENTS ET DIFFERENTS CHANGEMENTS DE CONSIGNE<br />PRESENTATION OF THE MODELS RELATIVE TO THE VARIOUS ELEMENTS CONSTITUTING THE THERMAL LOOP AND OF THE GLOBAL MODEL OF THE LOOP. APPLICATION OF THE CLASSICAL METHOD OF CONVENTIONAL DRIVE WITH QUADRATIC CRITERION WITHOUT EXPLICITELY TAKING INTO ACCOUNT THE CONSTRAINTS. ELABORATION OF A DRIVE USING THE "ADJOINT STATE" AND TAKING ADVANTAGE OF SOME PECULIARITIES OF THE SYSTEM. SIMULATION OF THE DRIVES FOR VARIOUS DEGREES OF SUNSHINE AND FOR VARIOUS CHANGES IN THE INSTRUCTIONS

Les centrales solaires à concentration industrielles consomment 4 m3/MWh d’eau pour le refroidissement de leur cycle thermodynamique. En environnement aride, cela est susceptible d'induire des conflits d’usages sur une ressource encore plus fondamentale que l’électricité, l'eau. Ce constat met en évidence la nécessité de concevoir des solutions alternatives de refroidissement sèches mais tout aussi efficaces. Le champ solaire d’une centrale CSP représente 50% de son coût d’investissement pour n’être utilisé que de jour pour la production de chaleur nécessaire au cycle thermodynamique. L'approche du sujet de thèse consiste à utiliser cette surface considérable comme macro-échangeur de chaleur avec son environnement via un transfert thermique couplé avec l'air ambiant (convectif) et avec l'espace extra-atmosphérique à 3K (radiatif). Après avoir démontré la pertinence des matériaux du champ solaire pour une telle application, le travail de thèse a montré expérimentalement qu'au-delà d'extraire les chaleurs fatales du cycle thermodynamique, il pouvait aussi produire du froid par transfert radiatif nocturne. Une solution alternative innovante pour le refroidissement des centrales solaires CSP offrant deux nouvelles fonctionnalités à leur champ solaire déjà existant au bénéfice de son amortissement. / Industrial concentrated solar power plants consume 4 m3/MWh of water to cool down their thermodynamic cycle. In arid area, it could induce conflicts of use on a more fundamental resource than electricity. This fact highlights the need to develop alternatives dry cooling technologies but equally effective. The solar field represents 50% of the investment cost of a CSP plant to be used only daily for the heat production needed for the thermodynamic cycle. The approach of the project is to use this huge area as macro-heat exchanger with its surrounding environment through a coupled heat transfer with the ambient air (convective) and with outer space at 3K (radiative). After validating the compatibility of solar field materials for a such application, these research works has shown experimentally that in addition to extract the waste heat of the thermodynamic cycle, it could also produce cold by night radiative cooling. An innovative alternative solution for cooling CSP plants offering two new features to their already existing solar field for the benefit of its paying off.

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.

Par rapport aux ressources énergétiques fossiles combustibles, l’énergie solaire présente des caractéristiques inhérentes à la nature même de la ressource. Ce constat met en évidence la nécessité de système de stockage d’énergie. Ce travail de thèse consiste à étudier un stockage thermique pour une centrale solaire à concentration, ainsi que ses deux composants essentiels : le fluide de transfert et les matériaux de garnissage solides. La compréhension du système de stockage thermocline sur lit de roche est réalisée grâce à une approche expérimentale et numérique. Une alternative innovante sur le choix du fluide de transfert consiste à utiliser des huiles végétales. Concernant le garnissage, un matériau à géométrie contrôlée est développé à partir d’un coproduit issu de la sidérurgie. L’originalité de cette association pour le stockage thermique permet d’allier performance, disponibilité des matériaux en quantité industrielle tout en réduisant l’impact environnemental et financier. / Compare to fossil fuel energy resources, solar energy presents the inherent characteristic given by the very nature of the resource (intermittent availability). This observation highlights the need for thermal energy storage system. This doctoral thesis studies thermal energy storage for concentrating solar power plant, as well as its two essential components: the heat transfer fluid and the thermal energy storage materials. The analysis of the thermocline storage system with filler materials is achieved through experimental and numerical approaches. An innovative alternative for the heat transfer fluid consists to use vegetable oils, which offers comparable thermal properties and operating behavior to conventional thermal fluid. Regarding thermal energy storage materials, many natural and recycled materials can be used. A storage material with controlled geometry is developed from steel industry co-product. The originality of this combination for thermal energy storage combines performance, materials availability at industrial scale while reducing environmental and financial impact.

Um die Wirtschaftlichkeit von Solarkraftwerken zu verbessern, sollte geprüft werden, inwieweit eine geschmolzene Mischung aus Natriumchlorid und Aluminiumchlorid als Wärmetransportflüssigkeit in Frage kommt. Aufgrund der Hydrolyseempfindlichkeit solcher Schmelzen kommt es durch Einwirkung von Wasser zur Bildung von Chlorwasserstoff sowie Aluminiumoxidchloriden, die in einem geschlossenen System zu einem Druckanstieg bzw. Ausfällungen führen können. Der Gesamtdruck über schwach basischen NaCl-AlCl3-Schmelzen wird durch eine hohe HCl-Löslichkeit herabgesetzt, sodass aus der Bilanz heraus ein Hydrolysegrad von ca. 50 % angenommen werden kann. Für die wassermengenabhängige Verfolgung des Druckes diente eine statische Methode mit einem Drucksensor. Der Oxidgehalt wurde voltammetrisch durch Titration mit TaCl5 und die HCl-Löslichkeit durch eine Elutionsmethode ermittelt. Für Informationen zum Lösungszustand der Hydrolyseprodukte wurden 1H- und 27Al-NMR-Spektren von hydrolysierten Schmelzen aufgenommen.

<p dir="ltr">To decrease the use of fossil fuels that generate greenhouse gases, there has been a push to find alternative processes for electricity generation. An attractive renewable alternative is to use solar-thermal energy for grid level electricity production. One method used to generate electricity from the conversion of solar-thermal energy is concentrated solar power (CSP) via the power tower paradigm, which involves an array of mirrors that concentrate sunlight to a spot on a tower. The light heats up a heat transfer fluid which later transfers the thermal energy to a working fluid that expands so as to spin a turbine to generate electricity. Current CSP plants have a peak operation temperature of 550℃, but improvements to the heat exchanger are integral to increasing the peak operation temperature of such plants to a 750℃ target. Ceramic/metal composites (cermets) have been proposed for use as heat exchangers in these CSP plants due to the creep resistance of the ceramic component and toughness of the metal component. One potential material that has an attractive combination of properties for this application is the alumina/chromium (Al2O3/Cr) cermet, given the rigidity and creep resistance of the Al2O3 component and the high-temperature toughness of the Cr phase. Compared to other oxidation-resistant oxide/metal cermets, the Al2O3 and Cr components of this cermet have a relatively close average linear thermal expansion match from 25℃ to 750℃, which is advantageous due to the thermal gradients and thermal cycling of the heat exchanger during operation.</p><p dir="ltr">In this dissertation, the Al2O3/Cr cermet was produced via reaction forming (RF) or reactive melt infiltration (RMI). The RF method involves the reaction of Cr2O3 and Al constituent powder mixtures at high temperature and modest pressures to obtain dense Al2O3/Cr plates. The RMI method involves immersing a shaped porous Cr2O3 preform into an Al or Al-Cr alloy bath to infiltrate and react to form Al2O3/Al-Cr plates. For both methods, the plate microstructure was analyzed for the various reaction conditions. The adiabatic temperature increase for the reaction between Cr2O3 and Al liquid or Al-Cr liquid alloys was calculated. Thermal properties (linear coefficient of thermal expansion, heat capacity, thermal diffusivity, thermal conductivity) and mechanical properties for the RF Al2O3/Cr plates were also measured. Lastly, the reaction kinetics between dense, polycrystalline Cr2O3 and a liquid Al-35at% Cr alloy were experimentally determined at various temperatures and compared to models based on different rate-limiting steps.</p>

[pt] O presente trabalho consiste na integração de um campo solar em uma usina de gaseificação de resíduos sólidos urbanos no município de Boa Esperança em Minas Gerais. Os resíduos sólidos acumulados no lixão da cidade são utilizados como insumos para a geração de gás de síntese no reator químico da unidade. Esta operação recupera a extensa área degradada deste vertedouro permitindo a instalação do campo solar com coletores de calhas parabólicas. O intuito do projeto é o fornecimento contínuo de calor pelo campo solar através da instalação de tanques de armazenamento direto de calor. A operação do campo solar é simulada pela elaboração de uma rotina computacional no software Matlab através do método das diferenças finitas unidimensional. A solução numérica do sistema de equações diferenciais que compõe o balanço de energia do receptor solar é validada pela comparação com o teste experimental do Laboratório Nacional de Sandia do concentrador solar SEGS LS-2 com tubo absorvedor evacuado. Além disso, o controle da vazão mássica circulante pelo campo solar é incorporado na lógica computacional de modo que a temperatura na saída do campo solar seja mantida com valores próximo ao set-point de 390 graus Celsius. Portanto, as simulações computacionais com proposições sobre a partida e operação do campo solar são testadas para dias ensolarados do ano meteorológico típico de Boa Esperança. Finalmente, um dia real com nebulosidade é simulado para a análise do funcionamento do campo solar de acordo com a variação intermitente da irradiância direta normal. Os resultados da operação do dia real são utilizados como base para a aplicação da presente rotina computacional em futuros projetos do campo solar. / [en] This work intends to hybridize a solar field into the current waste to energy gasification power plant in Boa Esperança in Minas Gerais. The gasification process converts municipal solid waste to usable synthesis gas for electrical production. This current operation of waste to energy power plant removes waste accumulated from the landfill site. It recovers an extensive area for future solar field installation due to this available space without any waste in the future. The design of the planned solar field comprises the parabolic trough concentrating systems. The aim of the solar design is to provide ongoing heat to the power block with direct storage tanks. The solar field operation is simulated by the development of a Matlab computer program based one dimensional implicit difference method with energy balance approach of an evacuated receiver. The validation of present model was done by comparing the outlet temperatures of simulation results and the experimental data obtained by Sandia National Laboratories. Moreover, the mass flow rate is regulated through the field to make sure that the outlet temperature from the solar collector is kept as close to the desired 390 Celsius Degree as possible. To accomplish the main purpose of the work, many different computational models with start-up and full operation stages are suggested for different clear days along the typical meteorological year of the city Boa Esperança. Eventually, a cloud day with a real meteorological data was chosen for a computational model of the solar field performance. All results of the real day operation are used to improve the computer program of the present work. These results are useful for future solar field design.