(H/F): Thèse de Doctorat en Science pour l'Ingénieur: Conception et intégration de cavités radiatives pour les systèmes thermophotovoltaïques

Description du Poste

Sujet De Thèse

Les systèmes thermophotovoltaïques (TPV) transforment le rayonnement thermique émis par une surface chaude en électricité à l'aide de cellules photovoltaïques à faible bande interdite. En convertissant directement la chaleur à haute température en électricité, les systèmes TPV offrent une voie prometteuse pour une conversion d'énergie compacte et à haut rendement.
Ces dernières années, des progrès rapides ont été réalisés en matière de performances des cellules TPV, avec des rendements records dépassant 40 % en conditions de laboratoire. Cependant, la transposition de ces avancées en systèmes complets de conversion d'énergie reste un défi majeur. En particulier, le rendement d'un système TPV dépend non seulement des cellules elles-mêmes, mais aussi de la manière dont le rayonnement thermique est transféré de l'émetteur vers les cellules.
Un élément clé à cet égard est la cavité radiative entourant l'émetteur. Cette cavité contrôle la manière dont le rayonnement thermique est échangé entre l'émetteur et les cellules photovoltaïques, influençant la distribution spatiale du flux radiatif, le recyclage des photons et les pertes optiques. Sa géométrie et ses propriétés optiques jouent donc un rôle central dans la détermination du rendement global du sous-système.
La conception de telles cavités est un problème complexe qui combine le transfert de chaleur par rayonnement, l'ingénierie optique et la conception de systèmes à haute température. Alors que les modèles simplifiés supposent souvent des géométries idéalisées ou des émetteurs et réflecteurs parfaits, les systèmes réels doivent tenir compte des pertes, des distributions de flux non uniformes, des limitations des matériaux et des contraintes expérimentales. Le développement d'architectures de cavités réalistes et leur validation expérimentale constituent donc une étape essentielle vers la conversion énergétique TPV pratique.
Cette thèse aborde un défi central de l'ingénierie thermophotovoltaïque : comment concevoir des cavités radiatives qui couplent efficacement des émetteurs à haute température à des cellules TPV dans des systèmes expérimentaux réalistes.
D'un point de vue scientifique, les cavités radiatives constituent une plateforme riche pour l'étude du transfert de chaleur par rayonnement dans des géométries confinées. L'échange de rayonnement thermique au sein de ces cavités dépend de la géométrie, des propriétés de surface et des distributions de température, et nécessite souvent des outils de modélisation avancés pour être décrit avec précision.
D'un point de vue technologique, l'optimisation des cavités radiatives est essentielle pour améliorer les performances des sous-systèmes TPV. Une conception efficace des cavités doit maximiser le flux de photons utiles atteignant les cellules tout en minimisant les pertes optiques et thermiques.
Malgré leur importance, relativement peu d'études expérimentales ont exploré des architectures de cavités TPV réalistes, en particulier dans des conditions pertinentes pour les systèmes thermophotovoltaïques solaires. En combinant la modélisation numérique et le développement expérimental, cette thèse de doctorat vise à combler le fossé entre les conceptions théoriques de cavités et la mise en oeuvre pratique des sous-systèmes TPV.

Objectifs du projet de doctorat :
L'objectif de cette thèse est de simuler, de construire et de valider expérimentalement une cavité radiative thermophotovoltaïque.
Les travaux s'articuleront autour de trois questions de recherche principales :
1. Comment la géométrie de la cavité influence-t-elle le transfert radiatif dans les systèmes TPV ?
La première partie de la thèse se concentrera sur la modélisation des échanges radiatifs entre un émetteur thermique, la cavité environnante et les cellules TPV. Le doctorant développera des outils de simulation (tracé de rayons et modélisation du transfert radiatif) afin d'étudier comment la géométrie de la cavité, la réflectivité et les caractéristiques de l'émetteur affectent la distribution du flux radiatif et le rendement du sous-système. Une attention particulière sera accordée à l'uniformité du flux sur les cellules photovoltaïques et aux pertes optiques au sein de la cavité. Ces simulations guideront la conception de géométries de cavité réalistes adaptées à une mise en oeuvre expérimentale.
2. Comment mettre en oeuvre expérimentalement un sous-système de cavité TPV ?
La deuxième partie de la thèse portera sur la conception et la construction d'un sous-système de cavité TPV en laboratoire.
Le candidat participera à la conception mécanique et optique de la cavité, sélectionnera les matériaux et les surfaces réfléchissantes appropriés, et assemblera le dispositif expérimental. Le système intégrera un émetteur à haute température, des parois de cavité réfléchissantes et des cellules TPV fournies par les partenaires du projet ANR.
L'instrumentation du dispositif comprendra des mesures de température, la caractérisation électrique des cellules TPV et des outils de diagnostic pour analyser les performances du sous-système.
3. Comment ce sous-système peut-il être intégré dans un dispositif thermophotovoltaïque solaire ?
Dans la dernière partie de la thèse, le sous-système à cavité sera intégré à une plateforme expérimentale thermophotovoltaïque solaire au PROMES. Le candidat étudiera le fonctionnement du système dans des conditions réalistes de haute température en utilisant un rayonnement solaire concentré. Les expériences porteront sur l'efficacité, la stabilité et les régimes de fonctionnement du sous-système sous rayonnement solaire. Les résultats seront comparés aux prévisions issues de la simulation afin d'affiner la conception et d'améliorer la compréhension du transfert radiatif dans les systèmes TPV pratiques.

Votre Environnement de Travail

Le doctorat sera mené au sein du laboratoire PROMES (CNRS), un centre de recherche de premier plan dans le domaine de l'énergie solaire à concentration et des systèmes à haute température. Les travaux se dérouleront sur le site d'Odeillo, qui abrite des installations uniques pour la recherche en énergie solaire, notamment des fours solaires à haut flux et une plateforme expérimentale dédiée au thermophotovoltaïque solaire. Le projet s'inscrit dans le cadre du projet ANR DIVERSITY, qui implique une collaboration avec plusieurs laboratoires de recherche français travaillant sur les cellules thermophotovoltaïques, les structures photoniques et les systèmes de conversion d'énergie. Cet environnement collaboratif permettra au candidat de se familiariser avec la modélisation optique, le photovoltaïque, l'expérimentation à haute température et les technologies de l'énergie solaire.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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