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Vieillissement accéléré et durabilité de matériaux sélectifs pour récepteurs de centrales solaires à concentration

ABG-5623 Sujet de Thèse
12/10/2017 > 25 et < 35 K€ brut annuel
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Laboratoire PROMES-CNRS (UPR 8521)
Font-Romeu Odeillo - Occitanie - France
Vieillissement accéléré et durabilité de matériaux sélectifs pour récepteurs de centrales solaires à concentration

Pour la production d’électricité par voie solaire concentrée (CSP), les caractéristiques optiques des récepteurs solaires sont un point critique. Ces derniers doivent en effet absorber le rayonnement solaire efficacement (forte absorptivité solaire visible et proche infrarouge), tout en limitant les pertes thermiques radiatives (faible émissivité infrarouge). Si ces conditions sont réunies, on parle de sélectivité spectrale pour le récepteur solaire.

Pour les applications CSP en-deçà de 700°C, la surface de récepteurs métalliques peut être couverte d’un empilement de matériaux en couches minces ayant des propriétés optiques complémentaires, conférant une grande efficacité optique. Les solutions existantes sont cependant sensibles à l’oxydation à haute température et ne peuvent opérer que sous vide, ce qui représente de fortes contraintes technologiques et des coûts élevés pour les récepteurs. Au-delà de ces températures, des matériaux céramiques haute température sélectifs ou non, ou des alliages haute température, sont utilisés ou envisagés.

Ces matériaux sélectifs doivent pouvoir fonctionner durant plusieurs décennies sous conditions extrêmes : rayonnement solaire concentré, températures de stagnation élevées, cyclages thermiques de faible période et forte amplitude, contact avec l’oxygène, etc. Ces conditions induisent de nombreux phénomènes thermiques et/ou thermomécaniques : oxydation, corrosion, diffusion, fissuration, fatigue, fluage, etc. Ces processus complexes et fortement couplés peuvent nuire aux propriétés optiques et doivent donc être étudiés. La durée de vie souhaitée étant de 25 ans, il est nécessaire d’appliquer des protocoles de vieillissement accéléré pertinents, afin de prédire la durabilité des matériaux et de développer in fine des structures performantes et durables.

La thèse proposée sera ainsi centrée sur l’étude des phénomènes liés au vieillissement accéléré à haute température et/ou longue durée des matériaux développés au laboratoire ou par des partenaires. L’impact du vieillissement sur les propriétés thermo-optiques de ces matériaux sera en particulier investigué car ces dernières sont cruciales pour l’application.

Un banc dédié composé d’un four électrique programmable jusqu’à 1000°C sous vide primaire ou sous atmosphère contrôlée (gaz neutre, air sec en bouteille ou air à humidité absolue contrôlée), sera mis en œuvre. Divers protocoles de vieillissement seront appliqués :

  • recuits à température constante représentative du fonctionnement visé, sur des durées de plusieurs semaines, afin d’avoir une première idée de la stabilité/durabilité du matériau ;
  • recuits à température constante supérieure à la température de fonctionnement visée, pour déterminer les énergies d’activation des phénomènes thermo-induits générant des dégradations des propriétés optiques, selon une loi d’Arrhenius avec la température (diffusion, oxydation), et pour accélérer ces dégradations et simuler un vieillissement de plusieurs années en quelques jours/semaines ;
  • cyclages thermiques de type jour/nuit (périodes de quelques heures) pour tester la résistance aux dégradations thermomécaniques (fatigue-fluage) ;
  • recuits sous air à diverses humidités relatives pour tester la résistance à l’oxydation et à la corrosion.

En complément, le dispositif solaire SAAF du laboratoire PROMES pourrait également être implémenté pour étudier le vieillissement accéléré des matériaux sous rayonnement solaire concentré avec cyclage thermique rapide, en particulier dans le cas des céramiques haute température sélectives.

L’évolution des propriétés thermo-optiques avec le vieillissement sera systématiquement suivie grâce à des mesures de réflectance spectrale avec deux spectrophotomètres couvrant la gamme solaire et moyen infrarouge (0,25 – 25 µm). L’absorptance solaire et l’émittance thermique seront en particulier calculées à partir des mesures de réflectance à l’aide de codes sous Scilab.

Les évolutions de morphologie, d’état de surface, de composition chimique et de propriétés mécaniques seront également analysées par diverses techniques disponibles au laboratoire PROMES (MEB, AFM, profilométrie, EDS, XPS, DRX, nanoindentation, etc.) pour déterminer les phénomènes physico-chimiques responsables de l’évolution des propriétés optiques.

Localisation

Le/la doctorant.e sera localisé.e à Odeillo (four solaire) et se déplacera occasionnellement à Perpignan (1h30 en voiture).

  • Sciences de l’ingénieur
Electricité Solaire Thermique, matériaux absorbeurs solaires, revêtements sélectifs solaires, propriétés thermomécaniques, propriétés thermo-optiques

Description

Pour la production d’électricité par voie solaire concentrée (CSP), les caractéristiques optiques des récepteurs solaires sont un point critique. Ces derniers doivent en effet absorber le rayonnement solaire efficacement (forte absorptivité solaire visible et proche infrarouge), tout en limitant les pertes thermiques radiatives (faible émissivité infrarouge). Si ces conditions sont réunies, on parle de sélectivité spectrale pour le récepteur solaire.

Pour les applications CSP en-deçà de 700°C, la surface de récepteurs métalliques peut être couverte d’un empilement de matériaux en couches minces ayant des propriétés optiques complémentaires, conférant une grande efficacité optique. Les solutions existantes sont cependant sensibles à l’oxydation à haute température et ne peuvent opérer que sous vide, ce qui représente de fortes contraintes technologiques et des coûts élevés pour les récepteurs. Au-delà de ces températures, des matériaux céramiques haute température sélectifs ou non, ou des alliages haute température, sont utilisés ou envisagés.

Ces matériaux sélectifs doivent pouvoir fonctionner durant plusieurs décennies sous conditions extrêmes : rayonnement solaire concentré, températures de stagnation élevées, cyclages thermiques de faible période et forte amplitude, contact avec l’oxygène, etc. Ces conditions induisent de nombreux phénomènes thermiques et/ou thermomécaniques : oxydation, corrosion, diffusion, fissuration, fatigue, fluage, etc. Ces processus complexes et fortement couplés peuvent nuire aux propriétés optiques et doivent donc être étudiés. La durée de vie souhaitée étant de 25 ans, il est nécessaire d’appliquer des protocoles de vieillissement accéléré pertinents, afin de prédire la durabilité des matériaux et de développer in fine des structures performantes et durables.

La thèse proposée sera ainsi centrée sur l’étude des phénomènes liés au vieillissement accéléré à haute température et/ou longue durée des matériaux développés au laboratoire ou par des partenaires. L’impact du vieillissement sur les propriétés thermo-optiques de ces matériaux sera en particulier investigué car ces dernières sont cruciales pour l’application.

Un banc dédié composé d’un four électrique programmable jusqu’à 1000°C sous vide primaire ou sous atmosphère contrôlée (gaz neutre, air sec en bouteille ou air à humidité absolue contrôlée), sera mis en œuvre. Divers protocoles de vieillissement seront appliqués :

  • recuits à température constante représentative du fonctionnement visé, sur des durées de plusieurs semaines, afin d’avoir une première idée de la stabilité/durabilité du matériau ;
  • recuits à température constante supérieure à la température de fonctionnement visée, pour déterminer les énergies d’activation des phénomènes thermo-induits générant des dégradations des propriétés optiques, selon une loi d’Arrhenius avec la température (diffusion, oxydation), et pour accélérer ces dégradations et simuler un vieillissement de plusieurs années en quelques jours/semaines ;
  • cyclages thermiques de type jour/nuit (périodes de quelques heures) pour tester la résistance aux dégradations thermomécaniques (fatigue-fluage) ;
  • recuits sous air à diverses humidités relatives pour tester la résistance à l’oxydation et à la corrosion.

En complément, le dispositif solaire SAAF du laboratoire PROMES pourrait également être implémenté pour étudier le vieillissement accéléré des matériaux sous rayonnement solaire concentré avec cyclage thermique rapide, en particulier dans le cas des céramiques haute température sélectives.

L’évolution des propriétés thermo-optiques avec le vieillissement sera systématiquement suivie grâce à des mesures de réflectance spectrale avec deux spectrophotomètres couvrant la gamme solaire et moyen infrarouge (0,25 – 25 µm). L’absorptance solaire et l’émittance thermique seront en particulier calculées à partir des mesures de réflectance à l’aide de codes sous Scilab.

Les évolutions de morphologie, d’état de surface, de composition chimique et de propriétés mécaniques seront également analysées par diverses techniques disponibles au laboratoire PROMES (MEB, AFM, profilométrie, EDS, XPS, DRX, nanoindentation, etc.) pour déterminer les phénomènes physico-chimiques responsables de l’évolution des propriétés optiques.

Localisation

Le/la doctorant.e sera localisé.e à Odeillo (four solaire) et se déplacera occasionnellement à Perpignan (1h30 en voiture).

Nature du financement

Financement public/privé

Précisions sur le financement

Bourse Région Occitanie / Fonds Européen FEDER

Présentation établissement et labo d'accueil

Laboratoire PROMES-CNRS (UPR 8521)

PROMES est une Unité Propre du CNRS (UPR 8521) rattachée à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) conventionnée avec l’université de Perpignan via Domitia (UPVD). Le laboratoire est localisé sur trois sites : Odeillo-Font Romeu (Four solaire de 1 MW du CNRS), Targasonne (Thémis, centrale à tour de 5 MW, site du Conseil général des PO) et Perpignan, Tecnosud. Le CNRS et l’UPVD ont créé l’UMS IN’SOL (innovations solaires) adossée à PROMES sur le site de Tecnosud qui développe le Centre d'essais solaires de Perpignan (CESP). PROMES anime le laboratoire d’excellence (Labex) SOLSTICE (SOLaire : Sciences, Technologies, Innovations pour la Conversion d’Energie)

PROMES est dirigé par Alain Dollet et Marianne Balat-Pichelin est directrice adjointe. Le laboratoire rassemble 150 personnes du CNRS et de l’UPVD autour d’un sujet fédérateur, l’énergie solaire et sa valorisation sur tous les plans. Il est donc naturellement membre fondateur de la fédération de recherche sur l’énergie solaire du CNRS, FédEsol.

PROMES est structuré en 7 groupes de recherche et 6 services. Les grands domaines de recherche sont « matériaux et conditions extrêmes » et « conversion, stockage et transport de l’énergie ».

L’une des missions originales de PROMES est de développer des recherches avec les grandes installations à concentration françaises du CNRS à Font Romeu (Fours solaires en particulier) et du Conseil Général des Pyrénées Orientales à Targasonne (Tour solaire de Thémis). Ces recherches peuvent être conduites jusqu’au stade du démonstrateur de recherche comme pour le projet. Par ailleurs, le laboratoire a en charge le développement de la plateforme nationale de recherche sur le solaire à concentration grâce au projet Equipex SOCRATE (SOlaire Concentré : Recherches Avancées et Technologies Energétiques) et est très actif dans le management du pôle de compétitivité DERBI.

PROMES a ouvert ses équipements exceptionnels à la communauté de recherche européenne à travers le projet SFERA2. Plus généralement, le laboratoire a des collaborations fortes au plan européen grâce à SOLLAB et aux projets EU-SOLARIS, STAGE-STE, EUROSUNMED et CSP2, par exemple.

Intitulé du doctorat

Doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat1

Etablissement délivrant le doctorat2

Université Perpignan Via Domitia

Etablissement non listé

Non

Ecole doctorale

Profil du candidat

Le/la doctorant(e) doit avoir un excellent niveau oral et écrit en anglais ou en français.

Une solide formation en Sciences des Matériaux, Mécanique des matériaux, Couches minces, Chimie et/ou Optique est requise. Une connaissance des logiciels Scilab ou Matlab sera également appréciée.

Date limite de candidature

01/01/2018
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