La présente thèse porte sur le développement d’une microcentrale solaire à concentration nommée CSP4Africa, en se concentrant sur deux axes principaux : l’amélioration de la poursuite solaire de deux technologies d’héliostat, à savoir la multifacette et le piédestal, et l’étude de deux huiles végétales issues de la même famille pour leur utilisation comme fluides de transfert et de stockage thermique, à savoir l’huile des graines de Lannea microcarpa (LaMSO) et l’huile des graines de Lannea kerstingii (LaKSO). Le travail a d’abord mis en lumière les défis liés au fonctionnement idéal de la technologie d’héliostat multifacette, notamment l’instabilité de la grille, l’incurvation des miroirs, l’insuffisance des couple-moteurs, l’existence de jeux et les liaisons inappropriées. Les corrections ont consisté à remplacer les moteurs par des plus adéquats et à proposer une méthode flexible de réglage des miroirs. Après les corrections, des tests de suivi solaire ont été réalisés entre juin 2023 et février 2024, avec des résultats prometteurs, permettant désormais de faire fonctionner l’héliostat dans la période de fonctionnement de la microcentrale CSP4Africa (9h30 à 14h30), avec des déviations focales plus ou moins inférieures à 0,2 m. Parallèlement, en tant qu’alternatif à l’héliostat multifacette, un héliostat piédestal a été conçu, construit et testé avec succès. Les tests préliminaires ont montré que le principe de suivi solaire proposé fonctionne avec une précision inférieure à 1° pour une distance focale de 5 m. Des tests sur une année à différentes positions du champ sont encore nécessaires pour conclure sur la potentialité de cet héliostat. Par ailleurs, les tests de stabilité thermique ont montré que LaMSO et LaKSO, présentent un potentiel notable pour leur utilisation comme fluides de transfert et de stockage thermique à 210 °C, sans incident majeur sur leur point d’éclair, leur masse volumique et leur viscosité après 1000 h de vieillissement. Cependant, l’augmentation de leur point de fusion au fil du vieillissement pose des défis de solidification dans les tuyauteries ou les réservoirs dans certains climats. La compatibilité des deux huiles, LaMSO et LaKSO, avec les métaux courants dans l’industrie a également été examinée. L’étude a révélé que l’acier inoxydable 316L et l’aluminium sont les meilleurs choix pour l’utilisation de ces deux huiles à température élevée, tandis que le cuivre et l’acier galvanisé présentent des risques d’oxydation accrue. Cette thèse met en évidence les potentialités de la microcentrale CSP4Africa, tant au niveau technologique qu’écologique. Les résultats obtenus ouvrent la voie à de futures recherches visant à intégrer ces solutions innovantes dans des projets énergétiques similaires en Afrique subsaharienne, contribuant ainsi à la transition énergétique et à la durabilité.

Abstract : This thesis focuses on the development of a micro-concentrated solar power plant named CSP4Africa, with two main objectives: improving the solar tracking accuracy of two heliostat technologies, specifically the multifaceted and pedestal types, and studying two vegetable oils as heat transfer and storage fluids, namely Lannea microcarpa seed oil (LaMSO) and Lannea kerstingii seed oil (LaKSO). The work first highlighted the challenges related to the ideal operation of the multifaceted heliostat technology, including grid instability, mirror canting, insufficient motor torque, the presence of backlashes, and improper connections. The solutions involved replacing the motors with more suitable ones and proposing a flexible method for mirror adjustment. After these corrections, solar tracking tests were conducted between June 2023 and February 2024, yielding promising results. The heliostat is now able to operate during the working hours of the CSP4Africa microplant (9:30 am to 2:30 pm), with focal deviations generally below 0.2 m. In parallel, as an alternative to the multifaceted heliostat, a pedestal heliostat with its closed-loop tracking sensor was designed, constructed, and successfully tested. Initial tests have proved that the proposed solar tracking principle works well, with an error of less than 1° for a focal distance of 5 m. Further solar tracking tests over a full year at various positions in the field are still needed to conclude about the potential of this heliostat to address the solar concentration challenge in the CSP4Africa microplant. Additionally, thermal stability tests showed that LaMSO and LaKSO have significant potential for use as both heat transfer and storage fluids at 210 °C, without major impact on their flash point, density, and viscosity after 1000 h of aging. Nonetheless, the increase in their melting point with aging presents solidification challenges for these oils in pipes or tanks in certain climates. Ultimately, the compatibility of the two relative oils, LaMSO and LaKSO, with common industrial metals was also examined. The study revealed that 316L stainless steel and aluminum are the best choices for use with these oils at elevated temperatures, while copper and galvanized steel pose an increased oxidation risk for them. This thesis highlights the technological and ecological potential of the CSP4Africa microplant. The results open the door to future research aimed at integrating these innovative solutions into similar energy projects in sub-Saharan Africa, thus contributing to energy transition and sustainability.

La présente thèse porte sur le développement d’une microcentrale solaire à concentration nommée CSP4Africa, en se concentrant sur deux axes principaux : l’amélioration de la poursuite solaire de deux technologies d’héliostat, à savoir la multifacette et le piédestal, et l’étude de deux huiles végétales issues de la même famille pour leur utilisation comme fluides de transfert et de stockage thermique, à savoir l’huile des graines de Lannea microcarpa (LaMSO) et l’huile des graines de Lannea kerstingii (LaKSO). Le travail a d’abord mis en lumière les défis liés au fonctionnement idéal de la technologie d’héliostat multifacette, notamment l’instabilité de la grille, l’incurvation des miroirs, l’insuffisance des couple-moteurs, l’existence de jeux et les liaisons inappropriées. Les corrections ont consisté à remplacer les moteurs par des plus adéquats et à proposer une méthode flexible de réglage des miroirs. Après les corrections, des tests de suivi solaire ont été réalisés entre juin 2023 et février 2024, avec des résultats prometteurs, permettant désormais de faire fonctionner l’héliostat dans la période de fonctionnement de la microcentrale CSP4Africa (9h30 à 14h30), avec des déviations focales plus ou moins inférieures à 0,2 m. Parallèlement, en tant qu’alternatif à l’héliostat multifacette, un héliostat piédestal a été conçu, construit et testé avec succès. Les tests préliminaires ont montré que le principe de suivi solaire proposé fonctionne avec une précision inférieure à 1° pour une distance focale de 5 m. Des tests sur une année à différentes positions du champ sont encore nécessaires pour conclure sur la potentialité de cet héliostat. Par ailleurs, les tests de stabilité thermique ont montré que LaMSO et LaKSO, présentent un potentiel notable pour leur utilisation comme fluides de transfert et de stockage thermique à 210 °C, sans incident majeur sur leur point d’éclair, leur masse volumique et leur viscosité après 1000 h de vieillissement. Cependant, l’augmentation de leur point de fusion au fil du vieillissement pose des défis de solidification dans les tuyauteries ou les réservoirs dans certains climats. La compatibilité des deux huiles, LaMSO et LaKSO, avec les métaux courants dans l’industrie a également été examinée. L’étude a révélé que l’acier inoxydable 316L et l’aluminium sont les meilleurs choix pour l’utilisation de ces deux huiles à température élevée, tandis que le cuivre et l’acier galvanisé présentent des risques d’oxydation accrue. Cette thèse met en évidence les potentialités de la microcentrale CSP4Africa, tant au niveau technologique qu’écologique. Les résultats obtenus ouvrent la voie à de futures recherches visant à intégrer ces solutions innovantes dans des projets énergétiques similaires en Afrique subsaharienne, contribuant ainsi à la transition énergétique et à la durabilité.

Abstract : This thesis focuses on the development of a micro-concentrated solar power plant named CSP4Africa, with two main objectives: improving the solar tracking accuracy of two heliostat technologies, specifically the multifaceted and pedestal types, and studying two vegetable oils as heat transfer and storage fluids, namely Lannea microcarpa seed oil (LaMSO) and Lannea kerstingii seed oil (LaKSO). The work first highlighted the challenges related to the ideal operation of the multifaceted heliostat technology, including grid instability, mirror canting, insufficient motor torque, the presence of backlashes, and improper connections. The solutions involved replacing the motors with more suitable ones and proposing a flexible method for mirror adjustment. After these corrections, solar tracking tests were conducted between June 2023 and February 2024, yielding promising results. The heliostat is now able to operate during the working hours of the CSP4Africa microplant (9:30 am to 2:30 pm), with focal deviations generally below 0.2 m. In parallel, as an alternative to the multifaceted heliostat, a pedestal heliostat with its closed-loop tracking sensor was designed, constructed, and successfully tested. Initial tests have proved that the proposed solar tracking principle works well, with an error of less than 1° for a focal distance of 5 m. Further solar tracking tests over a full year at various positions in the field are still needed to conclude about the potential of this heliostat to address the solar concentration challenge in the CSP4Africa microplant. Additionally, thermal stability tests showed that LaMSO and LaKSO have significant potential for use as both heat transfer and storage fluids at 210 °C, without major impact on their flash point, density, and viscosity after 1000 h of aging. Nonetheless, the increase in their melting point with aging presents solidification challenges for these oils in pipes or tanks in certain climates. Ultimately, the compatibility of the two relative oils, LaMSO and LaKSO, with common industrial metals was also examined. The study revealed that 316L stainless steel and aluminum are the best choices for use with these oils at elevated temperatures, while copper and galvanized steel pose an increased oxidation risk for them. This thesis highlights the technological and ecological potential of the CSP4Africa microplant. The results open the door to future research aimed at integrating these innovative solutions into similar energy projects in sub-Saharan Africa, thus contributing to energy transition and sustainability.