Dossier technique four solaire

Exemple de réalisation

Dernière mise à jour : 27-06-2018

Le mécanisme de guidage

mecanisme triangle vue de coté mecanisme triangle vue de dessus 
                                                                                    


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.



schéma mécanisme de guidage
Représentation schématique du mécanisme

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.

mecanisme triangle au zénith mecanisme triangle coupe mecanisme triangle oriente couchant
 


Le four


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

LABEL.ws ,fibre/epoxi
130/120 OFC 1200

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





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