Activites de recherche et formation doctorale

5.2.3 : Les récepteurs solaires à haute température pour les centrales à tour [T11]

Pour collecter de l’énergie à moins de 600 °C, les récepteurs actuels des centrales solaires à tour sont des cavités plus ou moins fermées, tapissées de tuyaux par lesquels passe le fluide caloporteur. Celui-ci est soit un « sel » fondu, soit directement de l’eau sous pression (liquide ou vapeur). L’énergie ainsi récoltée sert de source chaude à un cycle classique de Rankine, en récupérant l’énergie mécanique au travers d’une turbine à vapeur.

Figure 44 : cavité réceptrice de la Centrale THEMIS
Pour améliorer le rendement thermodynamique, une des solutions est d’utiliser une source d’énergie plus chaude, ce qui est tout à fait possible avec un concentrateur solaire. On peut ainsi utiliser des turbines à gaz, en adoptant l’air sous pression comme fluide caloporteur. En théorie, avec une source chaude à 1500 °C, et un cycle combiné (cycle de Rankine en récupérant la chaleur des gaz en sortie de turbine) on peut largement dépasser les 50 % de rendement thermodynamique.
Cependant, chauffer de l’air sous pression à plus de 1000 °C, voire 1500, pose de nombreux problèmes technologiques. Les solutions actuellement testées ou en projet passent par des échangeurs solide – air (projets SOLGATE ou PEGASE). Les surfaces d’échange assez faibles et le cyclage thermique des matériaux utilisés font que ces solutions semblent largement perfectibles.
C’est pour proposer une alternative que nous avons entamé, dans le cadre d’une thèse, une étude sur l’utilisation de lits fluidisés directement insolés comme collecteur d’énergie solaire concentrée. Nous profitons ainsi des compétences du laboratoire sur les solides divisés, en plus des outils développés pour les calculs radiatifs.
La technique des récepteurs solaires à lits fluidisés a déjà été testée pour les centrales à tour, il y a près de trente ans, dans une autre configuration, le flux concentré arrivant presque horizontalement. Dans notre travail, nous utilisons un nouveau concept de concentrateur, avec réflecteur secondaire, qui permet de recevoir les flux solaires verticalement.


Figure 45 : Concept de champ d’héliostats à réflecteur secondaire
La thèse est en cours. Elle doit déboucher sur la conception d’un récepteur solaire optimisé, tant en rendement thermique qu’en efficacité d’échange. Un premier prototype a déjà été testé en laboratoire en ensoleillement artificiel, un second sera installé au foyer du four solaire de 6 kW du PROMES à Odeillo. En parallèle, un modèle fin des transferts thermiques régnant dans le récepteur à lit fluidisé à été développé, à partir des outils numériques du laboratoire.