Accelerated aging and durability of selective materials for concentrating solar power plant receivers

Les centrales solaires à concentration (CSP) fournissent une énergie renouvelable grâce à la concentration de l’irradiation solaire par des miroirs sur un absorbeur solaire, la convertissant en chaleur, stockable à grande échelle pour s’affranchir de l’intermittence solaire, puis en électricité. La durée de vie durant laquelle les performances doivent être maintenues est de 25 à 30 ans pour cette technologie. Cependant, cette dernière opère dans des conditions très exigeantes pour les matériaux (forte concentration solaire/haute température combinées à des atmosphères oxydantes/corrosives). Le composant principal exposé à ces conditions sévères est l’absorbeur solaire. Il peut se détériorer et générer de fortes pertes optiques et thermiques. Les absorbeurs solaires sont souvent recouverts d’un revêtement absorbeur sélectif augmentant l’absorption du rayonnement solaire (forte absorptance solaire) et réduisant les pertes thermiques radiatives (faible émittance). Cette solution très efficace optiquement nécessite des architectures multicouches complexes, qui peuvent se dégrader en conditions d’usage CSP. Il est donc crucial de démontrer la durabilité des nouveaux revêtements absorbeurs solaires sélectifs avant de les utiliser dans des installations CSP réelles. Des tests de vieillissement doivent être appliqués pour étudier leur stabilité thermique, leur fiabilité et leur durée de vie potentielle, mais il n’existe pas à ce jour de procédures de vieillissement standardisées pour les revêtements absorbeurs solaires. Ainsi ce travail de thèse fournit : i) une revue critique des protocoles et moyens de vieillissement existants, et des phénomènes de vieillissement identifiés ; ii) une analyse critique de protocoles de vieillissement classiques (thermiques) et originaux (thermique + solaire concentré), basée sur leur application expérimentale sur trois types de revêtements absorbeurs solaires sélectifs, grâce à deux bancs de vieillissement très originaux dont un four solaire. L’influence des sources de dégradation en conditions d’usage CSP (haute température, forte irradiation solaire concentrée, cyclage thermique lent et rapide) est investiguée et partiellement décorrélée, grâce au suivi des performances optiques, de l’état de surface et de la composition chimique des matériaux vieillis. Ce travail analyse la pertinence des protocoles et moyens de vieillissement étudiés, et tente de proposer une stratégie de vieillissement applicable pour les développeurs de revêtements absorbeurs solaires sélectifs.Concentrated solar power (CSP) plants provide renewable energy thanks to the concentration of solar irradiation by mirrors upon a solar absorber, which converts it first into heat, enabling large-scale thermal storage to mitigate solar intermittence, then into electricity. The lifetime over which performance is expected to be maintained is typically 25 to 30 years for this technology. However, the latter operates under very demanding conditions for materials (highly concentrated solar irradiance/high temperature combined with oxidant/corrosive atmospheric conditions). The main component exposed to these harsh conditions is the solar absorber, susceptible to high deterioration resulting in high sun-to-heat conversion losses. The solar absorber is often covered with a selective absorber coating, to increase the absorption of solar radiation (high solar absorptance) while reducing radiative thermal losses (low emittance). This solution is optically efficient but requires complex multilayer coating architectures which may easily suffer degradations in CSP conditions of use. It is therefore crucial to prove the durability of new solar absorber coating architectures before they can be used in CSP installations. Aging tests must be applied to study their thermal stability, reliability and potential service life. However, no standardized aging procedures for solar absorber coatings exist today. This thesis work thus provides: i) a critical review of existing aging protocols and tools, and identified aging phenomena; ii) a critical analysis of classical (purely thermal) and original (thermal + concentrated solar) aging protocols based on their experimental application to three types of new selective absorber coatings, using two unique aging tools including a solar furnace. The influence of the main sources of degradation in real CSP operation (high temperature, high concentrated solar irradiation, slow/rapid thermal cycling) is investigated and partly decorrelated, by following the evolution with aging of their optical performance, surface state and chemical composition. This work analyses the pertinence of studied aging protocols and tools, and proposes broadly applicable strategies for solar absorber coating developers