Offre de thèse: Étude et conception d'un système hybride PV-CSP par des techniques statistiques de type Monte Carlo

Job description

Directeur(s) de thèse : Mouna El Hafi (RAPSODEE)/ Alexis Vossier (PROMES) et co-encadrant(s) : Rodolphe Vaillon (IES), Simon Eibner (RAPSODEE)

Contact : mouna.elhafi@mines-albi.fr

Lieu principal de travail : IMT Mines ALBI

Ecole Doctorale / Etablissement : ED Energie et Environnement, UPVD, Perpignan


Contexte et objectifs :

La raréfaction des hydrocarbures, le coût croissant de l’énergie, le besoin de diminuer l’émission des gaz à effet de serre, nécessitent de trouver de nouvelles solutions pour la production d’électricité par voie solaire.

Actuellement, les nouvelles centrales solaires sont basées sur des champs photovoltaïques (PV) associés parfois à des centrales solaires thermodynamiques (CSP). Cette complémentarité permet de produire de l’électricité en continu en stockant de la chaleur pour la production d’électricité nocturne. Cependant, chaque type de convertisseur (PV et CSP) est limité en rendement. Par exemple, le convertisseur PV seul ne valorise pas l’énergie du rayonnement solaire absorbé par les cellules PV, non convertie en énergie électrique, mais en chaleur. La possibilité de combiner les deux convertisseurs est une option qui est actuellement à l’étude[]. Ce convertisseur hybride PV-CSP doit conduire à un meilleur rendement que chacun des convertisseurs pris séparément, doit conduire à une production électrique équilibrée par les deux types de conversion, et enfin ne doit pas engendrer de surcoût excessif. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs défis scientifiques doivent être surmontés, qui font appel à des disciplines multiples : rayonnement, physique des cellules photovoltaïques, et thermique.

Pour cette thèse, nous nous orientons vers le choix d’une centrale solaire à concentration linéaire de type cylindro-parabolique pour avoir des facteurs de concentration qui conduisent à une température d’absorbeur de l’ordre de 200 °C, afin que la contrainte sur les performances des cellules photovoltaïques ne soit pas trop élevée [4].

L’objectif de la thèse est de répondre à deux questions scientifiques principales :

  • Quelle est sont les distributions spatiale, spectrale et temporelle (journée typique, année typique) du rayonnement incident sur l’absorbeur ? Celle-ci définiront les conditions opératoires des cellules photovoltaïques, à concevoir dans un travail séparé.
  • Comment la présence de cellules solaires distribuées sur l’absorbeur modifie-t-elle le comportement thermique de ce dernier ? La réponse à cette question pourrait conduire à repenser le système de concentration afin que le convertisseur hybride fonctionne dans des conditions optimales (critères explicités précédemment) et une proposition d’amélioration pourrait être envisagée en fin de thèse.

Méthodologie et démarche :

Les méthodes statistiques de Monte Carlo développées au sein de l’environnement EDSTAR depuis une vingtaine d’années ont permis de développer des codes open source pour le calcul de la tâche solaire (Solstice) et de thermique (Stardis). Dans le contexte de cette étude, avec l’apport de techniques informatiques de la communauté de synthèse d’images, l’intérêt de ces méthodes par rapport aux méthodes déterministes est multiple :

- Elles sont indépendantes de la complexité géométrique : on peut traiter des grands rapports d’échelles spatiales (du mm au km pour les centrales) et temporelles (de la minute au cycle de vie) [1,2], car elles ne sont pas basées sur des discrétisations des équations de conservation. Les incertitudes associées aux observables (Eclairement, température..) sont fournies par ce type de méthode.

- Des calculs de sensibilités [3] pour les besoins d’analyse et d’optimisation sont accessibles et moins lourds en temps de calcul que par des techniques usuelles.

La démarche proposée est décrite à travers les différentes étapes suivantes :

- Un travail préliminaire de modélisation globale du système hybride a permis de dégager les conditions opératoires qui permettent de répondre aux trois critères de viabilité du système hybride. Ce travail sera consolidé au tout début de la thèse.

  • - Le calcul de l’éclairement solaire en fonction du temps sera effectué (code Solstice[1]).
  • - Le couplage entre l’équation de transfert radiatif (code Solstice[2]) et l’équation de la chaleur (code Stardis[3]) pour calculer la température du récepteur, représentera notre cas de référence (sans cellules PV).

- L’ajout des cellules photovoltaïques dans un deuxième temps, se fera sur une portion réduite. Il faudra ensuite étudier le nombre, les emplacements de ces cellules pour obtenir un rendement optimal sur le système complet.

[1] De La Torre J., Bezian J-J., Baud G., Blanco S., Caliot C., Cornet JF., Dauchet J., El Hafi M., et al., Monte Carlo Advances and concentrated solar applications, Solar Energy, 103, pp 653-681, 2014.

[2] Farges O., Bezian J-J, Bru H., El Hafi M. Fournier R., Life-time integration using Monte Carlo Methods when optimizing the design of concentrated solar power plants, Solar Energy, 113, pp 57-62, 2015.

[3] P. Lapeyre, S. Blanco, C. Caliot, J. Dauchet, M. El Hafi, et al., Monte-Carlo and sensitivity transport models for domain deformation, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Elsevier, 251, pp.1-13, 2020.

[4] Vaillon, R., Parola, S., Lamnatou, C., & Chemisana, D., Solar Cells Operating under Thermal Stress, Cell Reports Physical Science, 1(12), 100267, 2020.

[5] J. Zeitouny and al., Assessing high-temperature photovoltaïc performance for solar hybrid power plants, solar energy materials and solar cells 183, pp 61-67, 2018.

Autres collaborations envisagées :

Sociéte MesoStar

Laboratoire LAPLACE


2https://www.meso-star.com/projects/stardis/stardis.html

Job requirements

Profil : titulaire d’un diplôme de master ou d’ingénieur dans le domaine de la physique ou l’énergétique, ayant des appétences pour la modélisation et la programmation.