Dossier technique four solaire

                                                                                    


L’ensemble est conçu pour être réalisé uniquement à base de tôle inox emboitée, épaisseur 2, découpée au laser.
Aucune pièce usinée par machine-outil. Des frictions sur les axes permettent la mise en place du point focal.
La roue étant découpée orthogonalement au laser, c'est l'axe de vis qui est incliné.




REPRESENTATION SCHEMATIQUE DU MECANISME



Brève description :
L’arbre (P) est orienté parallèlement à l’axe de rotation terrestre, il reçoit le mouvement de rotation de 15 ° par heure.
L’arbre (I) s’articule sur l’arbre (P) . L’arbre (I) est perpendiculaire l’arbre (P) au moment des équinoxes et s’incline de plus ou moins 23.44° au moment des solstices. Associé au mouvement de l’arbre (P), l’arbre (I) est constamment dirigé vers le soleil. Cet arbre (I) matérialise la direction des rayons solaires incidents.
L’arbre (R), est monté sur un support fixe par rapport au sol, il indique la direction de la cible vers laquelle se dirigent les rayons solaires réfléchis. L’arbre (R) matérialise la direction des rayons solaires réfléchis.
La glissière (G) matérialise la base du triangle isocèle de coté (I) et (R).Elle s’articule sur l’arbre (R).
La douille (D) s’articule sur la chape (C) , le mouvement de l’arbre (I) est transmis à la douille (D) au travers de la chape (C) qui est tournante autour de l’axe de l’arbre (I).
Le plan réflectif (S) fixé sur la glissière (G) est perpendiculaire à la médiane (H), les rayons solaires incidents parallèles à l’axe (I) sont réfléchis par le plan (S) parallèlement à l’axe (R) qui se dirige vers une cible fixe.

Mesures sur le rendement du four avec plaque en fonte épaisseur 8 mm
Le soleil envoie une puissance de 1360 Watts / m² sur la terre. Après avoir traversé l'atmosphère, il ne reste que 900 Watts / m² au niveau du sol dans des conditions assez bonnes.
On peut estimer que le rendement des miroirs est de 85 % ( pas toujours nettoyés), pour une surface de parabole de 1,3 m², avec un angle incident moyen de 15 °.
La puissance qui parvient à la surface chauffée est de 900 x 0,85 x 1,3 x cos (15°) = 960 Watts environ.
C'est a ce niveau que les pertes sont les plus importantes.
-On peut d' abord visualiser la tache très lumineuse sur la surface sombre de la plaque. Cette lumière, dans la gamme d'ondes visibles, représente la part du rayonnement solaire réfléchi. Avec un cœfficient d' absorption de 0,65 ( fonte oxydée ) , on peut estimer que la puissance absorbée par la plaque n'est plus que de 960*0,65 = 624 Watts
- vient se rajouter ensuite la perte par rayonnement infrarouge. Une plaquette de zinc au centre de la tache lumineuse atteint son point de fusion, ce point de fusion est de 420 °C
Avec un cœfficient d' émissivité de 0,65 ( fonte oxydée ) et une surface de 50 cm² a la température de 420 °C, la perte par rayonnement infrarouge (d'après la loi de Stefan Boltzmann) est de 41 W . En poursuivant l'analyse de surface totale de la plaque, on parvient a un total de 195 Watts environ . Le reste du four rayonne peu (15 Watts environ.) du fait que sa surface est réflective et a une température inférieure.
Il ne reste donc plus que 624-195-15 = 444 Watts environ de puissance pour équilibrer les pertes par convection.
- A la convection extérieure, il convient d' ajouter la perte due a l'évaporation intérieure.
- La perte par conductibilité thermique reste négligeable.
Ces valeurs ne sont valables qu'après mise en température lorsque l'apport d'énergie équilibre les pertes.

avec plaque d' aluminium brut fixée sur le fond du four solaire: offre une bonne résistance	même plaque d' aluminium noircie fixée sur le fond du four solaire: le point de fusion de l'aluminium à  658 ° est atteint malgré la dégradation de la peinture (début avril ).	avec plaque de zinc vieilli fixée sur le fond du four solaire: le point de fusion du zinc à 420 ° est atteint (début avril ).

Mesures sur le rendement du four avec plaque vitrocéramique épaisseur 4 mm
En configuration four, c'est la plaque de chauffe qui affecte le plus le rendement, une amélioration importante peut être apportée par le remplacement de la plaque fonte par une plaque vitrocéramique afin de créer un effet de serre.
Sur la courbe ci dessous on peut voir le perméabilité de la plaque vitrocéramique aux longueurs d'ondes solaires et son opacité aux longueurs d'ondes infrarouge.
D'après la loi de Wien, le maximum du rayonnement infrarouge se situe a 5 microns de longueur d'onde pour une température de 300°C a l'intérieur du four.

Sur la courbe ci dessous on peut voir le relevé comparatif de la montée et de la descente en température de deux fours, l' un équipé d'une plaque vitroceramique, l'autre équipé d'une plaque fonte, mesure réalisée début mars. Cette mesure n'a de l'intérêt que pour établir une comparaison, la vitesse de montée en température dépend de la puissance et de la masse à chauffer, (l'extrémité d'une allumette peut atteindre quelques centaines de degrés en une seconde, ce qui ne veut rien dire).


Mesure sur le rendement du four avec casserole en mars
La mesure est réalisée sous un ensoleillement modéré début Mars avec une casserole avec face intérieure et extérieure noires, de faible épaisseur: 2 mm en aluminium et avec couvercle.
Pour chauffer 2,5 litres d'eau, il faut 19 minutes pour constater le début de l' ébullition et 28 minutes pour atteindre la pleine ébullition. La température moyenne de l'eau est alors mesurée a 90 °C.
Compte tenu du volume, de l'élévation de température ( 65 °C) et du temps de mise en ébullition, la puissance moyenne prélevée par l'eau seule est de 404 Watts. Il faut noter que lorsque l'eau passe de l'état liquide a l'état de vapeur, elle consomme beaucoup d'énergie (enthalpie), ainsi la partie de l'eau qui s'est évaporée par ébullition à consommé 8 fois plus d'énergie pour changer d'état que pour passer de 25 à 90 °C.

Mesure sur le rendement du four avec casserole en aout
La mesure est réalisée avec un bon ensoleillement fin aout avec une casserole avec face intérieure et extérieure noires, de faible épaisseur: 2 mm en aluminium mais sans couvercle pour mesurer l'évaporation.
pour 950 gr d'eau chauffée de 22 à 92 °C et 704 gr d'eau évaporée en 48 min la puissance  prélevée par l'eau est de 648 Watts, avec un rendement approximatif de 65 % la puissance de la parabole est de 997 Watts.

Four à accumulation et effet de serre

L'énergie thermique disponible dans le four est le produit de la température par la masse chauffée et par une valeur propre au matériau qu' on appelle chaleur massique. Ainsi 10 kg de béton réfractaire dont on a élevé la température de 200 °C permet de disposer d'une énergie de:10x200x880=1760000 Joules (ou 0.49 kW/h). 1.5 kg de produit de type boulangerie pour une même élévation de température nécessite:1.5x200x2000=600000 Joules (ou 0.17 kW/h). Après un échange thermique théoriquement parfait, la température globale serait de 148 °C. ( il est à noter qu'en période estivale la température à l'intérieur du four dépasse couramment les 300°C).
Le four à accumulation associé à un système de positionnement continu et précis de la parabole offre de nouvelles possibilités, Il permet à tout moment de la journée de disposer d'une réserve d'énergie.
La puissance fournie au moment de la cuisson est alors nettement plus élevée que celle que peut fournir la surface de la parabole.
Pour certains plats, l'accumulation dans le couvercle permet de résoudre le problème de la répartition de la chaleur vers le dessus.
La cuisson est moins sensible aux passages nuageux, et elle est possible après le coucher de soleil ( si l'évaporation est réduite).
Pour obtenir de bons résultats, l'isolation thermique du four doit être trés soignée pour garder la chaleur suffisamment longtemps.

Parabole AC 115 (115x105) 2 Galli

au zénith au solstice d"été	au zénith aux équinoxes	au zénith au solstice d'hiver	au couchant

La parabole est d’origine industrielle et est destinée à la réception satellite,le haut et le bas sont inversés.

peau d'orange non aplatie	peau d'orange aplatie	Parabole acier  AC115LX 120x110 cm

La surface paraboloïde n’est pas développable. Comme on peut le voir avec une peau d'orange les miroirs extérieurs sont plus petits, leur taille diminue surtout à la périphérie de 2.5 mm environ par rapport à ceux centre.
La méthode de montage consiste à coller le miroir central et de coller ensuite les autres autour avec un multiple de 6. Les 2 premières rangées peuvent être pratiquement de la même dimension. Il est préférable de ranger les miroirs avant encollage pour vérification et de découper les plaques suivantes au fur et à mesure de l'avancement.

Après quelques années de pratique je pense qu’il serait intéressant réduire la dimension de la parabole : passer de 130/120 à 120/110 environ pour limiter la hauteur du four en perdant un peu de puissance et pour réduire le prix d’achat. Passer la dimension des hexagones de 100 mm sur plat à 120 mm environ pour mieux répartir la chaleur sur la cible, la cible passant alors à 240 mm de diamètre lors des positions de hauteur solaire extrème.

début de dégradation miroir après 3-4 ans dû à une fissure	prévoir à l'arrière du miroir un vernis anti humidité, et un encollage sur les bords pour étanchéité	rangement des miroirs, représenté grand axe a l'horizontale

Un début de dégradation est apparu après 3-4- ans en extérieur sur une fissure, je pense qu'il serait utile de passer un vernis anti humidité à l'arrière des miroirs et de soigner l'étanchéité.

exemple de petit outillage pour découpe miroirs	table de découpe à deux règles orientables, faire glisser la plaque de H (largeur hexagone) ou 1.15xH selon les cotés:( plaque rayée sur photo).	hexagones découpés

Découpe miroirs

perçage parabole	fixation parabole	blocage parabole anti oscillation au vent -écran

Avec une parabole autre (la plus grande posible jusqu'a 120 cm)

Les cotes A-B-C suffisent pour tracer la courbe parabolique.
Positionner le point focal (ou la tête de réception satellite) au point de chauffe à la mi hauteur solaire( rayon incident perpendiculaire à l'axe polaire matérialisé par le bras articulé sur l'arbre polaire)
Le centre de gravité doit être le plus près de l'axe horizontal pour limiter le balourd.
Pour avoir une motorisation miniature et ménager la mécanique, équilibrer l'ensemble par ressort, le ressort est défini par sa force maxi et par sa raideur afin d'équilibrer en permanance l'effort de balourd.Pour faciliter l'équilibrage, on peut légèrement resituer la parabole pour que le centre de gravité se trouve d'un coté seulement de l'axe horizontal.
Ajuster la hauteur du four en fonction de la parabole,(le chassis est en cours de reprise pour le rendre adaptatif).