Antoine BOUBAULT Postdoctorant CNRS PROMES UPVD
Introduction Contexte Sortie fluide Récepteur (Matériaux absorbeurs) Entrée fluide Héliostats (Matériaux réflecteurs) Accroissement la durée de vie des matériaux Réduction des coûts Vieillissement des matériaux sous haut flux solaire peu connu Centrales solaires récentes / peu de retour sur expérience Nombreux mécanismes physico-chimiques interagissant Conditions extrêmes et variables difficiles à reproduire en laboratoire 2
1 Cas d étude Centrales à tour SOLAR ONE, SOLAR TWO : centrales semi-commerciales T fluide 550 C GEMASOLAR (2011) : centrale commerciale SOLHYCO : prototype haute température T fluide 800 C (100 kw e ) Récepteur de SOLHYCO ϕ incident 150 kw.m -2 Tubes métalliques avec dépôt de peinture noire absorbante Inconel 625 Pyromark 2500 Matériau BICOUCHE 3
1 Cas d étude Analyse MEB (microscopie électronique à balayage) Matériau bicouche (échantillon extrait d un tube de SOLHYCO) peinture : 0,015 mm métal : 1 mm Coupe (x 1000) Après 1500 heures de fonctionnement solaire (centrale à tour SOLAR TWO) FACE ARRIERE FACE AVANT photos : Pacheco (2002) 4
1 Cas d étude Définition du vieillissement 1 st question: D où vient le vieillissement? 2 nd question: Comment l accélérer? Facteurs de vieillissement Mécanismes de vieillissement Propriétés du matériau Performance thermique Vieillissement Vieillissement accéléré - Rayonnement solaire - Température - Humidité - Polluants (naturels ou artificiels) - Aérosols - Ecoulements - Contraintes - Fissures - Délamination - Dégradation - Corrosion - Oxydation - Absorptivité - Emissivité - Conductivité - Résistance thermique de contact Φ fluide Pe Φ Φ pertes i flux solaire concentré Φ i absorbeur Quels sont les différentes sollicitations? - Intensité - Variations spatiales (gradients) - Variations temporelles (chocs) - Durée d exposition (fatigue) Φ fluide fluide de travail 5
2 Etude expérimentale SAAF : Solar Accelerated Aging Facility (Dispositif de vieillissement solaire accéléré) parabole pyromètre capteur flux kaléidoscope échantillon support refroidi obturateur héliostat 6
2 Etude expérimentale Contrôle des cycles radiatifs Capteur de flux Instrunet Eclairement solaire direct (W/m²) Obturateur Pilotage des cycles 7
2 Etude expérimentale Traitements solaires de vieillissement Amplitude A ϕ i,moy / 2 Eclairement moy. ϕ i,moy Eclairement solaire ϕ i Période τ 34 échantillons vieillis Durée d exposition Temps t ϕ i, moy 50 kw.m 2 ϕ i,moy 100 kw.m 2 ϕ i, moy 170 kw.m 2 ϕ i, moy 350 kw.m 2 ϕ i, moy 690 kw.m 2 A 0 A ϕ i,moy / 2 A ϕ i,moy τ 10 s τ 30 s τ 10 s τ 30 s 1000 s 3000 s 1000 s 3000 s 1000 s 3000 s 1000 s 3000 s 1000 s 3000 s 8
3 Caractérisation du matériau Réflectomètre solaire à fibres optiques («DISCO») Absorptivité solaire normale Zone de mesure Fibre émettrice Fibres réceptrices lentille convergente Parabole Echantillon Référence (Labsphere ) fibre héliostat 9
3 Caractérisation du matériau Méthode «flash» Diffusivité, effusivité, conductivité et résistance thermique de contact Laser Nd-YAG 10 Mesures Modèle analytique Echauffement relatif (-) 1 sens des itérations état final état initial détecteur IR 0,1 1E-05 1E-04 1E-03 Temps (s) échantillon 10
3 Caractérisation du matériau Etapes préliminaires Préparation des échantillons : - Sablage - Peinture - Stabilisation des propriétés par traitement thermique cuisson ( 2 heures @ 523K) + vitrification (15 min @ 813 K) Résultats: Echantillons NON vieillis Absorptivité α S (-) Diffusivité a p (m 2.s 1 ) Effusivité b p (J.m 2.K 1.s 1/2 ) Conductivité λ p (W.m 1.K 1 ) Résistance th. R tc (m 2.K.W 1 ) 0.968 5.08 10-6 2780 6.26 2.57 10-6 11
3 Caractérisation du matériau Résultats: Echantillons vieillis (éclairements constants) Absorptivité solaire normale (incertitude +/- 0.1 %) 0,980 α S (-) 0,975 0,970 0,965 0,960 amplitude A 0 1000 s 3000 s 0,955 0,950 0 200 400 600 800 ϕ i (kw.m 2 ) Baisse de l absorptivité avec le temps d exposition Stabilisation incomplète de la peinture avant les tests Confirmée par les nouvelles recommandations du fabricant 12
3 Caractérisation du matériau Résultats: Echantillons vieillis (éclairements constants) Absorptivité solaire normale (incertitude +/- 0.1 %) 0,98 α S (-) 0,975 0,97 0,965 0,96 0,955 0,95 0 100 200 300 400 ϕ i,moy (kw.m 2 ) 1000 s ; A 0 1000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 10 s 1000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 30 s 1000 s ; A ϕ i,moy ; τ 10 s 1000 s ; A ϕ i,moy ; τ 30 s 3000 s ; A 0 3000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 10 s 3000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 30 s 3000 s ; A ϕ i,moy ; τ 10 s 3000 s ; A ϕ i,moy ; τ 30 s Même problème de vitrification Absorptivité plus faible à plus fortes période et amplitude 13
3 Caractérisation du matériau Résultats: Echantillons vieillis (éclairements cycliques) 16 14 Conductivité thermique (incertitude ~ 25 %) λ p (W.K 1.m 1 ) 12 10 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 ϕ i,moy (kw.m 2 ) 1000 s ; A 0 1000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 10 s 1000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 30 s 1000 s ; A ϕ i,moy ; τ 10 s 1000 s ; A ϕ i,moy ; τ 30 s 3000 s ; A 0 3000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 10 s 3000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 30 s 3000 s ; A ϕ i,moy ; τ 10 s 3000 s ; A ϕ i,moy ; τ 30 s Tests supplémentaires requis 14
3 Caractérisation du matériau Résultats: Echantillons vieillis (éclairements cycliques) Résistance thermique de contact peinture/métal (incertitude ~ 10 %) 1E-05 R tc (m 2.K.W 1 ) 1E-06 1E-07 0 100 200 300 400 1000 s ; A 0 1000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 10 s 1000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 30 s 1000 s ; A ϕ i,moy ; τ 10 s 1000 s ; A ϕ i,moy ; τ 30 s 3000 s ; A 0 3000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 10 s 3000 s ; A ϕ i,moy / 2 ; τ 30 s 3000 s ; A ϕ i,moy ; τ 10 s 3000 s ; A ϕ i,moy ; τ 30 s ϕ i,moy (kw.m 2 ) Pas d augmentation de la Rtc Pas de délamination 15
4 Conclusions Dispositif de vieillissement solaire opérationnel Contrôle de l éclairement solaire incident Premières caractérisations pour des traitements solaires constants et périodiques Méthodes de caractérisation précises Incertitudes élevées sur la préparation et le traitements des échantillons Stabilisation incomplète du revêtement de peinture 16
5 Perspectives Tests plus longs requis (plusieurs heures / jours) Stabilisation totale de la peinture Réduction des incertitudes (préparation et traitement des échantillons) Caractérisations à haute température Comparaison avec des mesures in-situ Tests de vieillissement sur d autres matériaux : SiC, graphite 17
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