Domaine technique de l'invention

L'invention est relative à un élément absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration et à son procédé de réalisation, avec notamment la formation d'un revêtement sélectif sur une surface extérieure d'un substrat en acier.

État de la technique

Une centrale solaire thermique à concentration, également appelée centrale solaire thermodynamique (CSP pour « Concentrating Solar Power Plant ») est une centrale destinée à concentrer les rayons du soleil, à l'aide de miroirs pour chauffer un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur sert alors de source chaude dans un cycle thermodynamique en vue de produire de l'électricité. La concentration des rayonnements solaires permet d'atteindre des températures plus élevées et de bénéficier d'une conversion thermodynamique importante.

Il existe différentes techniques pour concentrer les rayonnements solaires, pour transporter et éventuellement stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en électricité. Dans tous les cas, un des éléments essentiels d'une centrale solaire thermique à concentration est l'élément absorbeur de rayonnements solaires qui forme une partie du récepteur. Afin de maximiser le rendement de l'absorbeur, celui-ci comporte en général un revêtement, appelé revêtement sélectif ou traitement sélectif. Le revêtement sélectif est destiné à permettre une absorption maximale de l'énergie solaire incidente tout en réémettant le moins possible de rayonnements infrarouges (principe du corps noir). En particulier, un tel revêtement sélectif est considéré comme parfait s'il absorbe toutes les longueurs d'ondes inférieures à une longueur d'onde de coupure et réfléchit toutes les longueurs d'ondes supérieures à cette même longueur d'onde de coupure.

À titre d'exemple, la demande internationale WO 2009/051595 propose un revêtement sélectif solaire recouvrant la surface extérieure d'un tube absorbeur de rayonnement solaire, typiquement en acier inoxydable, et comportant un empilement de plusieurs couches ayant chacune une fonction et une épaisseur déterminées par simulation optique. Dans un mode particulier de réalisation, le tube absorbeur de rayonnement solaire est successivement recouvert par une succession de bicouches composés d'une couche en matériau réfléchissant les rayonnements IR et d'une couche en matériau absorbant le rayonnement solaire, suivi par l'application d'une couche antireflet. Le tube absorbeur de rayonnement solaire est, par exemple, en acier inoxydable de structure austénitique, par exemple de type AISI 316, 321 , 347 ou 304L.

Le brevet US 4,268,324 et l'article « Influence de l'oxydation et de la rugosité sur les caractéristiques radiatives des aciers inoxydables » de Ph. Demont (Journal de Physique, Colloque C1 , Tome 42, 1981 ) décrivent l'utilisation d'un traitement thermique pour obtenir une couche d'oxyde à la surface de substrats en acier inoxydable tel que AISI 321 , 304 et 316. La couche d'oxyde joue le rôle de revêtement sélectif. Les températures utilisées, pour le traitement thermique, sont comprises entre 300°C et 1000°C environ. Le brevet US 4,268,324 précise que la température optimale de formation du revêtement sélectif pour l'acier inoxydable AISI 321 est de 570°C, c'est à cette température que l'absorption de la couche d'oxyde obtenue est la plus élevée, tout en conservant une émissivité relativement faible.

La demande internationale WO 2012/168577 décrit également la formation d'une couche d'oxyde à la surface d'un substrat en acier inoxydable par traitement thermique. Les températures du traitement thermique sont comprises entre 550°C et 650°C.

Le brevet US 4,097,31 1 décrit la formation d'une couche d'oxyde à la surface d'un substrat en acier inoxydable par trempage dans un bain oxydant à une température comprise entre 70°C à 120°C.

L'ensemble de ces types de revêtements sélectifs ne permet pas de répondre simultanément aux besoins de performance et de tenue dans le temps, notamment sous une atmosphère oxydante. En effet, les revêtements actuellement disponibles commercialement, pour des températures d'utilisation élevées (typiquement supérieures à 400°C), nécessitent souvent l'utilisation d'une enveloppe de protection sous vide, qui d'une part augmente les coûts de fabrication et, d'autre part, pose des problèmes de stabilité dans le temps.

De plus, les substrats ainsi obtenus présentent des risques de rupture par fatigue thermique, qui diminue leur durée de vie.

Objet de l'invention L'objet de l'invention tend à proposer un élément absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration, comprenant un revêtement sélectif performant, durable et stable, non seulement pour des températures d'utilisation supérieures à 400°C, mais aussi dans une atmosphère oxydante tel que l'air. L'élément absorbeur doit également présenter de faibles risques de rupture par fatigue thermique.

On tend vers cet objet par les revendications annexées.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :

- les figures 1 à 4 représentent schématiquement et en coupe différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un élément absorbeur de rayonnement solaire, selon l'invention.

Description de modes préférentiels de l'invention II est proposé de réaliser un élément absorbeur de rayonnements solaires convenant particulièrement aux centrales solaires thermiques à concentration et remédiant aux inconvénients de l'art antérieur.

Comme illustré sur les figures 1 à 4, le procédé de réalisation d'un élément absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration, comprend la formation d'un revêtement sélectif 1 sur une surface extérieure 2 d'un substrat 3 en acier, la formation du revêtement sélectif 1 comportant les étapes successives suivantes :

fournir un substrat 3 en acier,

- réaliser un traitement thermique (flèches F1 sur la figure 2), de manière à former une couche d'oxyde 4 à la surface du substrat 3.

L'acier entrant dans la composition du substrat, sur lequel est formé le revêtement sélectif, est spécifiquement sélectionné.

Préférentiellement, l'acier est un acier dit « fortement allié », c'est-à-dire qu'il contient un élément d'alliage présent à plus de 5% en poids par rapport au poids total de l'acier.

Par rapport aux aciers inoxydables, les aciers fortement alliés possèdent une meilleure conductivité thermique, un coefficient de dilatation thermique plus faible et de meilleures propriétés mécaniques. Avantageusement, ces propriétés les rendent moins sensibles à la fatigue thermique et permettent d'avoir une meilleure transmission de la chaleur depuis l'extérieur du tube vers le fluide caloporteur.

L'acier a une teneur en chrome comprise entre 6% et 12,5% en poids, préférentiellement, entre 6% et 1 1 ,6% en poids, encore plus préférentiellement, entre 6% et 1 1 ,5% en poids et encore plus préférentiellement entre 6% et 10,5% en poids.

Par teneur en chrome d'un acier, on entend le pourcentage en poids de chrome, par rapport au poids total des éléments constituant l'acier. Il s'agit de la teneur ou du pourcentage minimum généralement rapporté pour une nuance particulière d'acier.

L'utilisation d'un tel acier permet d'améliorer la conduction de la chaleur par rapport à un acier inoxydable. Avantageusement, ces aciers présentent une dilatation thermique plus faible, ce qui permet de limiter les contraintes thermiques et donc de diminuer la fatigue en rupture.

Par ailleurs, l'acier du substrat 2 peut être, plus spécifiquement, choisi parmi les aciers présentant une teneur en nickel inférieure à 1 % en poids, et, de préférence, parmi les aciers présentant une teneur en nickel inférieure à 0,5%. Avantageusement, la présence de nickel dans ces pourcentages permet d'augmenter la résistance mécanique du substrat.

L'acier présente, également, une teneur en aluminium inférieure à 1 % en poids. Préférentiellement la teneur en aluminium est inférieure ou égale à 0,05%, et encore plus préférentiellement, inférieure à 0,04%.

Une telle teneur en aluminium améliore, avantageusement, les performances en fluage tout en affinant suffisamment le grain de la matrice.

L'acier du substrat 2 est, avantageusement, choisi parmi les aciers désignés par X1 1 CrMo9-1 , X10CrMoVNb9-1 , X10CrWMoVNb9-2 et X1 1 CrMoWVNb9-1 - 1 qui correspondent, respectivement, aux aciers définis par 1 .7386, 1 .4903, 1 .4901 et 1 .4905 selon le système numérique européen (norme EN 10027-2), et parmi les aciers T91 (K90901 ), T92 (K02460), T91 1 (K91061 ) et le T122 (K91271 ) des normes ASTM (UNS).

L'acier peut également être choisi parmi les aciers désignés par X20CrMoV1 1 - 1 , X20CrMoV12-1 et X19CrMoNbVN1 1 -1 qui correspondent, respectivement, aux aciers définis par 1 .4922, 1 .7175 et 1 .4913 selon le système numérique européen DIN (norme EN 10027-2).

Selon un mode préférentiel, la composition de l'acier est donnée dans le tableau ci-dessous :

Tableau 1

Une telle proportion en chrome dans l'acier permet d'obtenir un acier fortement allié. Avantageusement, une telle proportion de chrome permet d'obtenir une couche d'oxyde avec des propriétés optiques, une tenue mécanique et une stabilité dans le temps améliorées.

La présence de carbone, manganèse, molybdène, vanadium et tungstène, dans ces proportions, dans le substrat, permet d'améliorer les propriétés mécaniques de la couche d'oxyde obtenue par oxydation du substrat.

L'acier peut également comporter des impuretés, par exemple, de plomb, d'étain, de soufre, de phosphore, d'arsenic, d'antimoine. Par impureté, on entend un élément présent à moins de 0,1 % par rapport au poids total de l'acier.

Le reste des pourcentages en poids correspond au pourcentage en poids de fer. L'alliage contient au moins 50% en poids de fer.

De plus, comme les aciers utilisés présentent une bonne conductivité thermique et un faible coefficient de dilatation, i.e. de l'ordre de 30% inférieur à celui des aciers inoxydables austénitiques, les risques de rupture par fatigue thermique lors de l'utilisation seront ainsi limités.

Les aciers utilisés pour réaliser l'élément absorbeur de rayonnement solaire possèdent une résistance à la corrosion bien supérieure aux alliages faiblement alliés, comportant notamment entre 1 et 5% de chrome, tel que par exemple l'acier 10CrMo9-10 ; les propriétés mécaniques sont en plus aussi nettement améliorées.

Avantageusement, ces alliages sont plus résistants à chaud, ce qui permet de réduire les épaisseurs du substrat utilisé, et de diminuer les gradients thermiques ainsi que les risques de rupture par fatigue thermique.

Le substrat 3 en acier a une épaisseur entre 1 mm et 8mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, le substrat 3 en acier a une épaisseur comprise entre 1 mm et 7mm. Avantageusement, l'utilisation d'acier de faibles épaisseurs, permet de limiter la formation de contraintes résiduelles lors du traitement thermique.

En particulier, le substrat 3 en acier présente une surface extérieure 2 sur laquelle est réalisée le revêtement sélectif. Il peut être de tout type de forme, adapté pour son utilisation comme élément absorbeur de rayonnements solaires sélectif, pour une centrale solaire thermique à concentration (par exemple une centrale solaire de type Fresnel ou cylindro-parabolique). L'utilisation d'un substrat en acier présentant une teneur en chrome comprise entre 6% et 12,5%, et de préférence, entre 6% et 1 1 ,6%, et encore plus préférentiellement, entre 6% et 1 1 ,5% en poids permet de former, grâce à un traitement thermique, une couche mince superficielle intrinsèquement sélective, à la surface extérieure dudit substrat. Avantageusement, ceci permet aussi de former une couche d'oxyde stable dans le temps qui ne se desquame pas. La présence du chrome contribue aux bonnes propriétés mécaniques en température. Par couche mince superficielle intrinsèquement sélective, on entend une couche mince superficielle qui, de part sa nature intrinsèque, est capable d'absorber un maximum d'énergie solaire incidente et de réémettre un minimum de rayonnement infrarouge. Par absorber un maximum d'énergie, on entend que la couche mince superficielle permet d'absorber au moins 75% du rayonnement solaire. Par réémettre un minimum de rayonnement infrarouge, on entend que l'émissivité de la couche mince superficielle est inférieure à 25%.

Avantageusement, la température du traitement thermique est supérieure à la température de fonctionnement de l'élément absorbeur, i.e. la température de traitement thermique est supérieure à 400°C.

Le revêtement sélectif 1 , aussi appelé traitement sélectif, ainsi obtenu est stable sous air, pour des températures d'utilisation supérieures à 400°C et présente une longue durée de vie, pendant de nombreuses années, par exemple de l'ordre de 20 ans.

Préférentiellement, le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 400°C et 900°C. Et encore plus préférentiellement, le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 500°C et 800°C.

Dans la mesure où la couche, responsable des bonnes propriétés optiques de la surface, a été formée à plus haute température que sa température d'utilisation, l'oxyde ainsi obtenu, qui contient principalement de l'oxygène, du fer et du chrome, est stable au cours de son utilisation, y compris pour un usage en atmosphère oxydante lors de cycles thermiques.

Par exemple, le traitement thermique est réalisé en utilisant une vitesse de montée en température de 5°C/min à 1 °C/sec, préférentiellement de 0,3°C/s à 0,5°C/s. La durée du palier en température lors du traitement thermique est comprise entre 5 minutes et 240 minutes, en fonction de la température choisie et de la rampe de température utilisée. L'étape de traitement thermique permet de former, à l'interface avec la surface extérieure 2 du substrat 3, une couche mince superficielle 1 . Cette opération de traitement thermique est symbolisée par les flèches F1 sur la figure 2.

L'étape de traitement thermique est réalisée sous atmosphère oxydante, de préférence, très faiblement oxydante.

Par atmosphère oxydante, on entend d'une manière générale de l'air, de l'air enrichi en dioxygène ou encore de l'air enrichi en vapeur d'eau. L'atmosphère oxydante contient au moins 5% en volume d'un précurseur en oxygène, par exemple O2, H ₂ O, O3.

Par atmosphère très faiblement oxydante, on entend une atmosphère à faible taux de CO2 et très faible taux de O2.

Préférentiellement, le traitement thermique est réalisé sous air.

La couche mince superficielle 1 est, en particulier, obtenue par oxydation de certains éléments contenus dans l'acier composant le substrat 2. Elle est donc essentiellement composée d'oxyde.

Des mesures réalisées par diffraction des rayons X (DRX) ont notamment mis en évidence que la couche mince superficielle est composée d'oxydes de fer et de chrome. L'oxyde obtenu est de type (Fe,Cr) ₂ O3. La couche d'oxyde est constituée essentiellement de fer, de chrome et d'oxygène.

Par constituée essentiellement, on entend que la couche d'oxyde est formée de fer, de chrome, d'oxygène. La couche d'oxyde peut contenir, éventuellement, des impuretés.

La couche mince superficielle 1 est en contact direct avec le substrat 2 en acier. Cette couche mince superficielle 1 étant formée par oxydation du substrat, elle possède une excellente adhérence comparée notamment à d'autres couches déposées par dépôts en couches minces comme par exemple par dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour l'anglais physical vapor déposition) ou encore par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour l'anglais chemical vapor déposition).

L'épaisseur de la couche d'oxyde 4 formée est comprise entre 10nm et 1000nm, et de préférence, entre 20nm et 500nm. Encore plus préférentiellement, l'épaisseur de la couche d'oxyde est comprise entre 50nm et 100nm. Plus l'oxyde est épais, plus l'absorption dans la gamme du rayonnement solaire sera bonne, mais plus l'émissivité du traitement sélectif augmentera dans la gamme des infra-rouges. L'homme du métier choisira donc des épaisseurs dans la gamme précédemment citée. Selon un mode de réalisation préférentiel, avant ou après l'étape de traitement thermique, un traitement de surface est réalisé sur le substrat 3 de manière à obtenir une rugosité Ra inférieure à 1 μιτι, préférentiellement inférieure à 0,5 μιτι, selon la norme NF ISO 4287, pour la surface extérieure 2 du substrat 3. La rugosité Ra de la surface extérieure 2 du substrat 3, après le traitement thermique, est, préférentiellement, comprise entre Ο,Οδμηη et Ο,δμιτι ce qui permet d'obtenir une couche présentant une bonne absorption tout en présentant une faible émissivité. Par bonne absorption, on entend une absorption supérieure à 0,75 dans la gamme des longueur d'onde du rayonnement solaire, et de préférence supérieure à 0,9, et par faible émissivité, une émissivité inférieure à 0,25 et de préférence inférieure à 0,2 dans la gamme des infra-rouge pertinente par rapport à l'application visée.

Plus la rugosité est faible et plus l'émissivité et l'absorption seront faibles. Une rugosité comprise entre Ο,Οδμηη et 0,5 μιτι permet d'obtenir à la fois une faible émissivité et une bonne absorption du rayonnement solaire reçu, tout en étant réalisable d'un point de vue industriel. Pour la réalisation du revêtement sélectif 1 recouvrant la surface extérieure 2 du substrat 3, ladite surface extérieure 2 est donc, au préalable, polie selon des procédés de polissage classiques ou des procédés particuliers de mise en forme.

Préférentiellement, le traitement de surface est un polissage mécanique ou un polissage électrolytique ou un traitement de surface chimique.

A titre d'exemple, le polissage mécanique peut être réalisé à l'aide d'un papier à polir de taille de grains décroissante (de P220 à P1200) et d'un feutre imbibé d'une suspension de particules diamantées monocristallines ayant typiquement 3 μΐη de diamètre.

Parmi les procédés de mise en forme, le traitement de surface peut aussi être réalisé par étirage à froid du substrat. L'étirage est une étape qui fait partie du procédé de fabrication des tubes sans soudure. Avantageusement, l'étirage permet, à la fois, de donner au tube ses dimensions finales et, en même temps, structurer la surface du tube de manière à augmenter l'absorption de l'élément absorbeur.

Cette opération de traitement de surface par polissage ou étirage à froid permet, notamment, de maîtriser l'état de rugosité de la surface extérieure 2 du substrat 3, avant l'opération de traitement thermique et elle a, notamment, une influence sur l'émissivité de la surface extérieure 3 dans la gamme des infrarouges.

Comme représenté sur la figure 4, selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte le dépôt d'une couche anti-reflet 5 sur la couche d'oxyde 4 à la surface du substrat 3.

L'ensemble composé de la couche mince superficielle 4 revêtue par la couche antireflet 5, forme alors le revêtement sélectif 1 de l'élément absorbeur de rayonnements solaires.

La couche anti-reflet 5 permet, avantageusement, d'améliorer l'absorption. La couche anti-reflet 5 n'émet pas, ou très peu, dans l'infra-rouge afin de ne pas dégrader les performances du traitement sélectif. La couche antireflet 5 est, par exemple, une couche en oxyde de silicium S1O2, en alumine AI2O3, en nitrure de silicium, ou en oxyde de titane ΤΊΟ2 ou encore une combinaison de ces différentes couches ou produits.

Cette couche aura, avantageusement, un indice de réfraction compris entre celui du substrat et celui de l'air. La couche anti-reflet 5 a, par exemple, un indice de réfraction compris entre 1 ,5 et 3,5, et de préférence entre 1 ,5 et 2,5. Avantageusement, elle a un coefficient d'extinction très faible afin d'éviter une augmentation de l'émissivité. Avantageusement, la présence de la couche antireflet 5 ne doit pas augmenter de plus de 5% l'émissivité du revêtement sélectif 1 de l'élément absorbeur.

L'épaisseur de la couche anti-reflet 5 est comprise entre 30nm et 250nm, et de préférence entre 50nm et 200nm, afin d'obtenir les meilleures performances. L'épaisseur optimale est déterminée en fonction de la longueur d'onde cible à laquelle le filtre quart d'onde doit être formé. Le filtre quart d'onde permet de former des interférences destructrices et de minimiser la réflexion. Par exemple, la longueur d'onde choisie permettra d'avoir une absorption maximale du rayonnement solaire incident autour de 500nm. La couche anti-reflet 5 est, par exemple, formée par une technique de dépôt sous vide, telle que le dépôt physique en phase vapeur (pulvérisation cathodique ou évaporation) ou en encore par dépôt chimique en phase vapeur. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche anti-reflet est déposée par dépôt par voie chimique en phase vapeur assisté par plasma ou PACVD pour « Plasma-Assisted Chemical Vapour Déposition ». Le dépôt par PACVD en atmosphère ambiante permet de réaliser une couche anti-reflet 5 à faible coût car ce dépôt ne nécessite pas de travailler sous vide. Par atmosphère ambiante, on entend une pression de l'ordre de 1 atm, i.e. de l'ordre de 1013hPa, et une température de l'ordre de 20°C à 25°C.

La technique du PACVD permet notamment de déposer des couches d'oxyde possédant des indices de réfraction faibles, comme des couches en S1O2 d'indice n=1 .5, ou des indices de réfraction élevés comme des couches en ΤΊΟ2 d'indice n=2.55. Il est donc aisé, avec cette technique, de réaliser un empilement multi-couches bas coût, chaque couche pouvant avoir un indice de réfraction différent. Selon un mode de réalisation particulier, plusieurs couches d'indice et d'épaisseur différentes sont disposées à la surface de la couche mince d'oxyde afin de former un empilement permettant de diminuer la réflexion.

À titre d'exemple, des mesures d'absorptance, d'émissivité et de réflectance ont été réalisées sur un élément absorbeur comportant un substrat en acier de désignation numérique 1 .4903, aussi désigné, selon les normes des pays par ASTM A-213 T91 ou X10CrMoVNb9-1 (EN 10216-2).

La composition théorique de l'acier est indiquée dans le tableau suivant :

Tableau 2

Plusieurs configurations de mesure ont été testées :

- l'échantillon N°1 correspond au substrat T91 soumis à un traitement thermique sous air pendant 1 h à 600°C,

- l'échantillon N°2 correspond à l'échantillon N°1 qui a subi, en plus du traitement thermique, une première étape de vieillissement à 350°C pendant 750h et une deuxième étape de vieillissement à 450°C pendant 250h,

- l'échantillon N°3 correspond à l'échantillon N°2 sur lequel a été déposé une couche anti-reflet, c'est-à-dire que l'échantillon N°3 correspond à un substrat T91 soumis à un traitement thermique sous air à 600°C pendant 1 h, puis à une première étape de vieillissement à 350°C pendant 750h et à une deuxième étape de vieillissement à 450°C pendant 250h, et sur lequel une couche anti-reflet a finalement été déposée, - l'échantillon N°4 correspond à l'échantillon N°3 qui a subi après le dépôt de la couche anti-reflet une étape de vieillissement à 350°C pendant 250h,

- l'échantillon N°5 correspond à l'échantillon N°4 qui a subi une étape additionnelle de vieillissement à 450°C pendant 250h.

Les substrats non polis présentent généralement une rugosité Ra supérieure à 1 μηη. Les substrats polis ont subi un polissage mécanique, permettant d'obtenir une rugosité Ra~0,1 m.

Le traitement thermique est réalisé à une température de 600°C, sous air, pendant 1 h. L'opération de traitement thermique provoque la formation, directement à la surface extérieure du substrat, d'une couche mince superficielle oxydée, présentant un caractère intrinsèquement sélectif. La couche d'oxyde obtenue a une épaisseur entre 10nm et 1000nm, et de préférence, entre 20nm et 500nm.

La couche anti-reflet 5 est déposée par PACVD à pression atmosphérique. Elle est en S1O2 et présente une épaisseur de l'ordre de 80nm. La réflectivité totale du substrat a été mesurée sur une gamme de longueur d'onde allant de 320nm à 10 OOOnm.

Ces mesures de réflectivité permettent de calculer les grandeurs d'absorption et d'émissivité, qui sont les propriétés de surface recherchées. Les mesures ont été réalisées dans la gamme du rayonnement visible (0,32μηη -2,5μηη), grâce à un spectrophotomètre lambda 950 de Perkin Elmer, qui possède une sphère d'intégration de 150 mm de diamètre, revêtue de BaSO ₄ . Dans la gamme 2,5- Ι Ομιτι, la réflectance est mesurée grâce à un spectrophotomètre Equinox 55, fabriqué par Bruker et qui possède une sphère d'intégration revêtue d'or qui est fortement réflecteur pour ces longueurs d'onde

Les résultats des mesures optiques réalisées sur les échantillons sont répertoriés dans le tableau suivant : N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 non non non non non

poli poli poli poli poli poli poli poli poli poli

Absorptance 77 72 78 73 85 82 81 81 83 81

Réflectance 23 28 22 27 15 18 19 19 17 19

Emissivité à

20 7 23 9 23 9 24 8 24 8 100°C

Emissivité à

24 1 1 27 12 27 12 28 12 27 1 1 300°C

Emissivité à

26 12 29 14 30 15 32 15 30 13 450°C

Tableau 3

La présence de la couche anti-reflet 5, dans le revêtement sélectif recouvrant le substrat 3 en acier, permet d'obtenir un gain de 7 à 9% en absorption sans modifier l'émissivité de la couche anti-reflet.

L'utilisation d'un substrat 3 présentant une rugosité Ra inférieure à 0,4μηη permet d'obtenir un traitement sélectif présentant une émissivité significativement inférieure à celle obtenue pour des substrats ayant des rugosités plus élevées, typiquement supérieures à 1 μιτι.

Il a, également, été constaté que ces performances sont stables, même après les étapes de vieillissement de l'absorbeur solaire à 350°C et 450°C.

La couche d'oxyde 4 formée à la surface extérieure 2 du substrat 3 est une couche d'oxyde stable à des températures supérieures à la température d'utilisation de l'élément absorbeur de rayonnements solaires (typiquement supérieure à 400°C) et dans des conditions oxydantes (notamment sous air).

Ainsi, la formation d'une telle couche mince superficielle permet au revêtement sélectif, qui la comprend, d'être performant, durable et stable pour des températures d'utilisation jusqu'à typiquement 500°C, qui est la température classique de fonctionnement des éléments absorbeurs de rayonnements solaires. De plus, la réalisation d'une telle couche mince superficielle est facile à mettre en œuvre et peu onéreuse, puisque le traitement thermique, permettant de réaliser l'oxydation superficielle du substrat, est un traitement simple à mettre en place à l'échelle industrielle.

Les aciers dont la teneur en chrome est inférieure à 1 1 ,6% massique voire 1 1 ,5% massique ont la réputation de former un oxyde non stable dans le temps. Or, il a été montré que, dans les conditions décrites ci-dessus, l'oxyde formé à la surface du substrat est stable dans les conditions d'utilisation d'une centrale solaire (sous air et à des températures de fonctionnement inférieures à 500°C) et possède de bonnes propriétés optiques.

Avantageusement, des tubes en acier de grandes longueurs seront utilisés afin de limiter le nombre de soudures à réaliser afin d'obtenir un tube de très grande longueur. En effet, les soudures sont plus difficiles à réaliser sur des aciers fortement alliés par rapport à des aciers faiblement alliés ou des aciers inoxydables. Les substrats en acier, sélectionnés dans la gamme décrite précédemment, pourront être utilisés dans des installations fonctionnant à plus hautes températures : typiquement jusqu'à une température de fluide caloporteur de 550°C, pour des pressions comprises entre 3bar et 150bar par exemple, et jusqu'à une température de 600°C pour une utilisation à faible pression, proche de la pression atmosphérique, entre 1 et 5 bar.

Ces aciers sont, particulièrement, intéressants en tant que substrat pour la réalisation d'éléments absorbeurs en contact direct avec un fluide caloporteur tel que la vapeur d'eau, caloporteur qui bénéficie d'un retour d'expérience important dans les centrales thermique notamment.

Les éléments absorbeurs, présentés ci-dessus, sont adaptés pour des centrales solaires de tout type, et, plus particulièrement, pour des centrales de type Fresnel et cylindro-paraboliques, nécessitant un traitement sélectif stable sous air, notamment pour des températures supérieures à 400°C. Etant donné les propriétés thermiques de tels aciers et leur plus faible coût d'élaboration que les aciers inoxydables, ces aciers peuvent aussi être utilisés pour la réalisation d'absorbeurs sous la forme d'un faisceau de tubes ayant des longueurs unitaires pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de mètres.

La réalisation d'une centrale solaire thermique à concentration comporte, par exemple, les étapes suivantes :

- fournir un substrat 3 en acier ayant une surface extérieure 2 recouverte par un revêtement sélectif 1 au rayonnement solaire, le substrat 3 étant destiné à former une cavité pouvant être parcourue par un fluide caloporteur ; la forme la plus classique de ce substrat étant notamment le tube cylindrique,

- prévoir au moins un miroir agencé pour concentrer une partie du rayonnement solaire reçu sur le substrat 3.

Le procédé de réalisation d'une centrale solaire thermique à concentration comporte également les étapes suivantes :

- fournir un substrat 3 en acier, ayant une teneur en chrome comprise entre 6% et 12,5% en poids, et de préférence comprise entre 6% et 1 1 ,6% en poids, et encore plus préférentiellement comprise entre 6% et 1 1 ,5%,

- réaliser un traitement thermique, de manière à former une couche d'oxyde 4 intrinsèquement sélectif au rayonnement solaire à la surface du substrat 3.

Le procédé de réalisation d'une telle surface comporte également une étape de traitement de surface du substrat de manière à obtenir une rugosité de substrat inférieure à 0,5 μιτι. L'étape de traitement de surface est réalisée avant ou après le traitement thermique.