Dossier technique four solaire

Exemple de réalisation

Dernière mise à jour : 12-10-2016
ensemble complet
Cet exemple est l’aboutissement de plusieurs essais, il peut servir de base pour davantage de perfectionnement et de nouveautés.

Les moyens utilisés sont accessibles à l’artisanat mais avec une vision d’industrialisation comme l’utilisation de la coupe laser, l’utilisation maximale d’éléments d’origine industrielle, la recherche de simplification maximale.
Les prix des éléments indiqués sont des prix public de 2012, pour achat unitaire et sans négociation.

Le prix de réalisation de l’ensemble complet du prototype à une valeur indicative, il n’est donc pas représentatif de ce que l’on peut obtenir en petite ou moyenne série.

On peut estimer qu’une série de 10 permettrait de diviser par 3 le prix de découpe laser et pièces de décolletage.
Les temps de mise en œuvre indiqués ne tiennent pas compte des temps d’approvisionnement, de préparation, du temps mis à réaliser de petits outillages, cependant ces temps peuvent être largement optimisés lors de travail en série.


Le dossier dessin existe au format Solidworks, PDF, Dxf pour l’exploitation de la coupe laser.

N'hésitez pas à me contacter pour plus de renseignement


Le four

designation Qté Prix ttc Laser ttc  usinage pliage montage fournisseur
four 1 181 €         OPSINOX 316 DIAM300 L150MM 10308
fond four trou ovale
inox ép. 2
2   X        
couvercle haut four
inox ep. 1
1   X        
couvercle bas four
inox ép. 1
1   X        
Coupe feu four
inox ep. 1
1   X      2h  
fond four extérieur
inox ep. 1
1    54 €        
plaque four
vitroceramique (option)
1  75 €          NEOCERAM
plaque four
fonte ép. 8 (option)
1   15 €        
attache casserole
inox ep.2
2   X        
poignee amovible
inox ep.2
1   X    1h    
Total   256€ 69    1h 2 h  
Pour des raisons pratiques le four est amovible,
il est déposé sur son support avec un encastrement important afin de prévenir tout détachement accidentel. Sa réalisation est faite à base d’élément de conduit thermique.
config. pœle sauteuse config. four avec grille config. gratinage
config. pour pœle-sauteuse avec fond double paroi avec passage central.
Interposer une hauteur de grille sous le recipient permet de faire varier la dimension de la zone de chauffe
config. four avec plaque vitroceramique selective (laissant  passer les longueurs d'onde solaires non les longueurs d'onde du rayonnement infra rouge interieur)-plaque coupe feu- grille et couvercle double paroi. config. gratinage: le faisceau solaire passe a travers le plat pour chauffer la face noire du disque en cuivre.

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.
plaque aluminium poli sur le fond du four solaire. plaque aluminium noirci sur le fond du four solaire. plaque de zinc vieilli sur le fond du four solaire 
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.
transmission vitroceramique aux longueurs d'ondes solaires et infrarouge 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).

montée en température four
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
habillage intérieur du four pour accumulation thermique cuisson obtenue parabole à l'ombre après 1h 10 d' accumulation solaire

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.


La parabole


désignation Qté Prix ttc laser Coupe miroir collage fournisseur
Parabole 1 168 €       LABEL.ws ,fibre/epoxi
130/120 OFC 1200
Miroir ép. 3
2 m2 à recouper
1 60 €   3 h 10 h  
Colle polyuréthane 1 7 €        
Vis à tête fraisée
TF M8x30 inox
4 1 €        
Écrou M8x30 inox 4 1 €        
écran de protection 1 10 €        panneau léger et rigide
crochet écran de protection
inox ep. 2
 2   X      
Total 1 247 €   3 h 10 h  

schema-mecanisme-zenith-equinoxes schema-mecanisme-zenith-solstice-hiver
au zenith aux equinoxes au zenith au solstice d hiver
schema-mecanisme-zenith-solstice-ete schema-mecanisme-couchant
au zenith au solstice d ete au couchant
La parabole est d’origine industrielle et est destinée à la réception satellite. Pour être utilisée comme concentrateur thermique, le haut et le bas sont inversés. L' angle offset de 23 degrés convient aux latitudes européennes.
La surface paraboloïde n’est pas développable, la coupe des miroirs doit être adaptée.
La réalisation avec des miroirs de forme hexagonale, la plus esthétique mais la plus longue, nécessite des miroirs de dimensions homothétiques dans le rapport arc/corde de la courbe de la parabole.
Un petit outillage à base de parallélogramme permet de faciliter la tache de découpe homothétique.


Nombre de miroirs Dimensions
7 102.5
12 102.3
18 101.9
24 101.2
30 100.5
36 99.8
24 99.1



La réalisation avec des miroirs en forme de parallélogramme est plus simple, le parallélogramme par rapport au rectangle  améliore l’esthétique et permet de masquer le décalage sur l’axe vertical.


Nombre de miroirs Dimensions
200 100 x 75 droite
200 100 x 75 gauche



Le collage est réalisé à base de colle polyuréthanne ou special verre résistant aux intempéries et aux UV. Le collage bord à bord est soigné pour éviter la pénétration d’eau derrière les miroirs et par voie de conséquence la dégradation de la surface réflective arrière ou la détérioration par le gel. Avec ces précautions, une exposition permanente de 4 ans aux intempéries n’a pas montré de signes de dégradation importants sauf l’apparition de piquage discrets sur 7 miroirs. Une housse semble utile pour la protection des miroirs et la sécurité pendant les périodes de non utilisation, prévoir une circulation d' air pour éviter la condensation sur les miroirs.

L'équilibrage


désignation Qté Prix ttc Montage fournisseur
Ressort de traction
1.5, d 2.2, L 2 inox
1 4 €   VANEL
réf U 216 220 0572 I
Goupille 2.5x8 inox 1 0.1 €   FIXNVIS
Total   4 €    


Le diagramme du couple dû au balourd, sur l’axe horizontal, est sinusoïdal alors que le diagramme du ressort est linéaire. Cependant en choisissant bien le lieu géométrique, la précharge et la raideur du ressort, on arrive à garantir un équilibrage à 98 %, ce qui est nécessaire si l’on veut pouvoir utiliser un actionneur de trés faible puissance.

Lors du montage et après décrabotage de la rotule on peut vérifier le bon équilibrage et éventuellement le corriger par déformation des boucles du ressort.
La position et caractéristiques du ressort (précharge, raideur) sont fonction de la géométrie et du poids de la parabole (voir fiche de calcul).


Le mécanisme de guidage

mécanisme de guidage vue de coté mécanisme de guidage tourné
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désignation Qté Prix ttc Laser ttc  usinage pliage soudure montage fournisseur
Support de mécanisme
acier ep 15
1   x 3 h        
Bielle avant
acier ep 15
1   x 1.5 h        
Chape basse
acier ep 15
1   x 1.5 h        
cardan
acier ep 15
1   x 1.5 h        
Support parabole
Inox ep 2
1   x   0.5 h      
Chape haute
Inox ep 2
1   x   0.5 h      
Plaquette arrêt
Inox ep 2
2   x          
Entretoise Inox ep 2 2   x          
Volet de réglage feu
Inox ep 2
1   x          
Axe bielle avant
Diamètre 8 h7 inox
2 4 €   0.5 h        
Axe vertical
Diamètre 8 h7 inox
1 1.7 €   0.3 h        
Axe incliné
Diamètre 8 h7 inox
1 3.5 €   0.5 h        
Axe chape basse
Diamètre 8 h7 inox
2 2 0.7 €   0.3 h        
Axe volet
Diamètre 8 h7 inox
1 0.6 €   0.2 h        
Bague à collerette 8x10x7.5 10 15 €           INA
PAF08075P10
Vis à tête hexagonale
H M5x8 inox
11 0.4 €           FIXNVIS
Rondelle 5 16 inox 1 0.2 €            
Rondelle ressort
M 35.5x18.3x0.9
2 0.3 €           MARLEVA
Réf. RR18335509
Embout rotule mâle M8
Avec reprise d’usinage
1 11 €   0.3 h       AS13DIN71802
Vis à tête hexagonale
H M8x50 inox
1 0.3 €            
Vis pointeau
M5x8 inox
5 0.2 €            
Bras fixe 1 12 €   0.5 h   4 h    
Vis à tête hexagonale
H M8x20 inox
2 0.6 €            
Vis à tête hexagonale
H M12x60 inox
1 0.4 €            
Roue D150 d12 2 18 €            
Rondelle 5 16 inox 2 0.2 €            
total   70 € 125 € 10 h 1 h 4 h 3 h  
assemblage complet mécanisme de guidage pour four solaire


La reprise rotule sert à augmenter l’angle de débattement à supprimer la goupille de sécurité pour un décrabotage rapide du mécanisme.

schéma mécanisme parallélogramme
Brève description:
L’arbre (P) est orienté parallèlement à l’axe de rotation terrestre, il reçoit le contre 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.
Il suffit de reporter la direction de cet axe sur la parabole à travers un parallélogramme pour avoir un angle incident constant des rayons solaires sur les miroirs. Il suffit ensuite de modifier la longueur des cotés du parallélogramme pour avoir un point focal fixe.

L'actionneur

1-VERSION ACTIONNEUR MECANIQUE
actionneur mécanique vue coté roue actionneur mécanique vue coté vis

désignation Qté Prix ttc Laser ttc  usinage pliage soudure montage fournisseur
Roue 144 dents
Inox ep 2
1   X          
Moyeu roue 1     X        
bride 1     X        
Rondelle ressort
M 35.5x18.3x0.9
1 0.15 €           MARLEVA
Réf. RR18335509
Support horloge a
Inox ep 2
1   X   0.5 h   1 h  
Support balancier a
Inox ep 2
1   X   0.3 h      
Nervure support horloge
Inox ep 2
1   X   0.1 h      
Palier cliquet court
Inox ep 2
1   X   0.1h      
Roulement épaulé
inox 6-12-4
4 4 €          
 ECMU-CSR
Réf.SMF 126 ZZ
Axe balancier
Diamètre 6 h7 inox
1 1.2 €    X   0.2 h    
Entretoise
corde a piano d 1
1      X   0.1 h    
Balancier a
acier ep 15
1   X  X   0.5 h    
Butée caoutchouc
Joint robinet d.17-4
1              
Axe vis
Diamètre 6 h7 inox
1 2.4 €       0.1 h    
Moyeu vis 1     X        
Roue cliquet  120 d. a
Inox ep 2
1   X          
goupille 3x14 6  1.2 €            FIXNVIS
Ressort moteur spirale
12.7-5000-0.30 inox
1 16.4 €       0.5 h   SIFRAM Ruban inox C111.030 12.7x5x0.30
Tambour ressort moteur 1     X   0.5 h    
poulie 1     X   0.5 h    
Ressort rappel spirale
12.7-1000-0.20 inox
1 3.3 €       0.5 h   SIFRAM Ruban inox C111.020 12.7x5x0.20
Tambour ress rappel a 1     X        
Cliquet poulie a
Inox ep 2
2   X          
Butée ressort moteur a
Inox ep 2
1   X          
Cliquet ressort moteur a
Inox ep 2
1   X     0.1 h    
 
Ressort cliquet haut
corde à piano 0.6
 1         0.1 h    
Plaquette arretoir a
inox ep 2
4    X  X        
Vis trapezoidale 1     X   0.1 h    
Bague
6x8x6
4 2 €           INA
PAP0606P10
Porte roulette haute
Inox ep 2
1   X   0.2 h      
Porte roulette basse
Inox ep 2
1   X   0.2 h      
Roulette d 20-4-8 3 3 €            
Goupille 4x32 inox 1 0.5 €            
Entretoise 3-4.5-8.5 2         0.3 h    
Goupille 2x8 inox 12 1.2€           FIXNVIS
Goupille 2x6 inox 2 0.3 €           FIXNVIS
Vis TF 3-16 inox 2 0.2 €           -
Vis TF 3-10 inox 13 0.5 €           -
Vis pointeau M5x8 inox 3 0.3 €           -
Vis H M5x8 inox 2 0.3 €           -
Ecrou M3 inox 10 0.2 €           -
Rondelle 3-8 inox 4 0.1 €           -
Corde d.3 L 2000 1              
Poignée corde 1              
 cliquet long regl roul a
inox ep 2
 1    X          
Roulement
inox 2-5-2.5
1 3.5€          
  ECMU-CSR
Réf.SMR 52 ZZ
Cliquet court a
inox ep 2
1   X          
Goupille 2x20 inox
1
1.2€
          FIXNVIS
                 
total   42 99 € 99 € 1.4 h 4 h  1 h  

assemblage actionneur eclate-axe-vis eclate axe balancier eclate axe roue
ensemble complet eclate axe vis eclate axe balancier eclate axe roue

Le mouvement de la parabole est régulé par un mouvement pendulaire, son autonomie est de 4 heures après avoir armé le ressort spirale par traction sur la corde.

Il est nécessaire de vérifier le bon rendement mécanique, le volant doit osciller au moins 10 fois avant de se stabiliser.
Le logement des bagues extérieures ne doit pas comprimer le roulement, vérifier la fluidité de la rotation. La vis trapézoïdale est collée à la loctite bloc press 638. Il est inutile de coller les roulements.

Réglage du temps de battement à 5 secondes par perçage radial sur le volant. Il est à noter qu’une légère variation de la vitesse est peu conséquente sur le temps d’une cuisson.

Réglage des cliquets :
La roue cliquet est en appui sur le cliquet court, le volant ramène le cliquet long, celui ci vient comprimer le ressort du cliquet court. Lorsque le cliquet long vient en contact avec la dent, la roue recule légèrement pour libérer le cliquet court sous l’effet du ressort.
A l’inversion du mouvement du volant, la roue peut tourner de la valeur d’une dent et entretenir le mouvement du volant.
Après décharge du ressort, le levier court vient en appui sur la dent suivante, le levier long perd alors le contact avec la roue et vient tomber sur son appui. Le cycle est terminé.
Vérifier le jeu fonctionnel des cliquets sur la roue dentée
Il est recommandé d’émousser les arêtes vives de la roue 144 dents et de la roue à cliquets 120 dents par brossage métallique ou autre abrasif, car un déblocage intempestif du ressort peut détruire les cliquets ou occasionner des blessures.

2-VERSION ACTIONNEUR ELECTRIQUE
actionneur électrique, la source d'énergie n'est pas représentée après 2,5 ans et 950 heures de cuisson sans pannes.

 désignation  Qté  prix ttc Laser ttc  usinage pliage  soudure montage fournisseur
 support mécanisme (adapté)  1              
 axe incliné (adapté)
Diamètre 8 h7 inox
 1              
 tambour ressort  2      X        
Ressort rappel spirale
12.7-750-0.40 inox
 2  5 €      0.5      SIFRAM Ruban inox C111.040 12.7x5x0.40
 moyeu roue réduit  1      X        
 bride  1      X        
 Rondelle ressort
M 35.5x18.3x0.9
 1  0.15 €            MARLEVA
Réf. RR18335509
 porte moyeu
inox ep 2
 1    X          
 roue interieure 72 dents
inox ep 2
 1    X          
 axe petit pignon
Diamètre 6 h7 inox
 1              
 excentrique        X        
 Bague
6x8x6
 2  2 €            INA
PAP0606P10
 roue 72 dents
inox ep 2
 1    X          
 pignon 18 dents
inox ep 2
 1    X          
 moyeu roue a cliquet  1      X        
 porte boite1
inox ep 2
 1    X    0.25  0.25    
 porte boite 2
inox ep 2
 1    X          
 porte boite 3
inox ep 2
 2    X          
 cliquet électroaimant
inox ep 2
 2    X          
 roulement inox 2-2.5-5  4              ECMU CSR
ref: SMR 52 ZZ
 galet  1      X        
 électroaimant ITS-LS2924B-D-12Vdc  1  15.95 €            CONRAD
  ITS-LS2924B-D-12VDC
 capot de protection  1              
 Vis H M5x8 inox  7              
 Vis pointeau M5x8 inox  4              
 Vis TF 3-10 inox  5              
 Ecrou M3 inox  3              
 Vis embout 5-25 inox  1              
Rondelle 5-12 inox  2              
Ecrou M5 inox  2              
 Goupille 2x8 inox  3              
 Goupille 2,5x8 inox  3              
 Goupille 2x16 inox  1              
 programmateur cyclique  1 16 €            Canakit
réf: UK191M5
total    39 €  35 € 85 €        


four solaire actionneur électrique vue de coté four solaire actionneur electrique éclaté  four solaire actionneur electrique cliquet 
 


Le mouvement de la parabole peut aussi être régulé par un programmateur cyclique. Le but n'étant pas seulement de faire tourner la parabole, mais de la faire tourner avec le minimum de mécanisme et d' énergie. Ce système nécessite une alimentation électrique de 12 V  dc , le facteur de marche est de moins de 1 seconde toutes les 5 minutes. La puissance moyenne utile est donc trés faible. L' énergie électrique sert à actionner un cliquet pour libérer le mouvement, le couple de rotation est fourni par un ressort spirale, le mouvement est déclanché par un bouton marche arrêt.

Après 950 heures de cuisson sur 2.5 ans, la solution avec électroaimant  parait être celle qui offre le meilleur confort.
     Fonctionnement en continu et de manière fiable,( zéro panne).
     Permet un préchauffage permanent avec une relative sécurité par un positionnement fixe du point focal.
  

Outillage

         Pliage
Pour le pliage des toles, il est utile de réaliser des machoires de serrage spéciales. Des repères sont réalisés lors de la découpe laser des toles pour leur positionnement. Le dispositif n'a pas besoin de charnières, le pliage se fait rapidement avec une précision de <0.5 mm.

plieuse-1 pliage-2 plieuse-3 plieuse-1  plieuse-2  plieuse-3 
plieuse-4 plieuse-5 plieuse-6 plieuse-7 plieuse-8  
 
      Découpe miroirs
Pour la découpe des miroirs, il est utile de réaliser une table avec règle parallelogramme pour un travail précis et rapide.

 
table-de-decoupe


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