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La thèse L'équipe Avancement Publications

Etude et conception d’un système hybride PV-CSP par des techniques statistiques de type Monte Carlo

Pour répondre à l’objectif de neutralité carbone en 2050 des accords de Paris, la réduction de l’empreinte carbone du mix énergétique est primordiale. Les énergies fossiles, fortement émettrices de CO2, doivent être progressivement substituées par des sources d’énergie bas-carbone.

Parmi celles-ci, il existe deux moyens de conversion de l’énergie solaire en électricité.

Le premier repose sur l’effet photovoltaïque (PV), qui consiste en la conversion directe d’énergie solaire en électricité grâce à des matériaux semi-conducteurs adaptés.

Le second utilise des systèmes optiques pour concentrer le flux lumineux et valoriser la chaleur via un cycle thermodynamique, d’où le nom de solaire à concentration, ou Concentrated Solar Power (CSP) en anglais.

Ces deux procédés sont souvent mis en opposition sur leurs avantages et leurs inconvénients. Les systèmes PV sont moins couteux, notamment dans le cas de cellule au Silicium, et présentent l’intérêt de pouvoir convertir le rayonnement diffus. Ces systèmes sont cependant dépendants de l’intermittence de la source, là où les systèmes CSP sont plus pilotables grâce au stockage thermique. Aussi l’objectif de la thèse est d’explorer l’association de ces deux technologies au sein d’un seul et même système, ouvrant la voie à des procédés de conversion de l’énergie solaire à la fois moins onéreux, et plus pilotables autrement dit pouvant produire en fonction de la demande.

De nombreuses architectures sont imaginables pour y parvenir. Elles se classent selon deux familles distinctes : PV Mirror (à gauche sur la Figure 1) et PV Topping (à droite sur la Figure 2).

L’architecture « PV Mirror » fait appel à un filtre optique (en gris sur la figure) pour séparer le spectre incident en deux. Le filtre est conçu de manière à réfléchir ou transmettre vers l’un ou l’autre des sous-système CSP ou PV, les photons sur une gamme de longueur d’onde donnée.
A l’inverse, l’architecture « PV Topping » ne profite pas des différences d’efficacité selon la longueur d’onde des deux procédés et adjoint directement la cellule PV à l’absorbeur thermique du système CSP. Cette approche permet ainsi une meilleure utilisation de la chaleur résiduelle associée à la conversion imparfaite de l’énergie solaire en électricité des cellules PV.

Là où l’architecture « PV Mirror » suppose une maîtrise du filtre optique fine, l’architecture « PV Topping » demande l’utilisation de cellule résistantes à de très hautes températures.
L’un des objectifs de la thèse est de déterminer les performances théoriques de ces systèmes, ainsi que la plage de conditions opératoires conduisant à des performances maximales.

Afin de modéliser finement les performances d’un tel système hybride, il est nécessaire de simuler les chemins optiques dans la géométrie étudiée pour connaître la distribution des flux incidents, ainsi que l’ensemble des transferts thermiques dans le système et avec son environnement.
Deux des logiciels de simulation Monte-Carlo proposés par Méso Star, SOLSTICE et STARDIS, répondent à ces problématiques.
Le couplage de ces logiciels devrait donc permettre de simuler les performances des architectures hybrides envisagées sur une vaste gamme de conditions opératoires en profitant des avantages du calcul par algorithme de type Monte-Carlo, notamment l’indépendance du temps de calcul à la géométrie étudiée et le calcul des sensibilités aux paramètres comme la géométrie envisagée, la température du fluide ou bien encore la bande interdite du matériau semi-conducteur par exemple.