Dossier technique four solaire

Description des fonctions

Dernière mise à jour : 18-01-2017

Le four - the oven

Four amovible
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Le four avec isolation thermique et couvercle isolant permet d'améliorer le rendement de l'ensemble et de poursuivre la cuisson dans des conditions difficiles avec une surface de miroir réduite.
A titre d’exemple, en période d’équinoxe la température à l’intérieur du four est de l’ordre de 265 degrés, en période hivernale avec une température extérieure de –4° et vent fort, la température à l’intérieur du four est de l’ordre de 180 à 220 degrés), en période estivale la température à l’intérieur du four dépasse 300 degrés. Ces données sont obtenues four à vide.



The oven with thermal isolation and isolating cover allows to improve the global output and to go on cooking even if the conditions are hard and with a reduced mirror surface.
As an example, at the equinox, the temperature inside the oven is around 265 degrees, during the winter, with an outside temperature of —4° and a strong wind, the temperature inside the oven is between 180 to 220 degrees, in summer the temperature inside the oven is above 300 degrees. This data can be obtained through an empty oven.

 

Le faisceau lumineux vient chauffer une plaque de fond, cette plaque doit avoir une bonne conductibilité thermique, voir tableau ci dessous (plus le chiffre est grand, meilleure est la conductibilité thermique).
L ‘aluminium offre un bon rapport prix efficacité mais son utilisation peut être limitée par son point de fusion à 558°, la fonte résiste bien aux déformations.
 


The beam comes to heat a bottom plate. This plate should have a good thermal conductivity.
The higher the figure, the better conductivity is.
Aluminium offers a good ratio price/efficiency but its use can be limited because of its melting point at 558°, cast iron can resist to deformations.

Matériau :
Material :
Acier
steel
Inox
Stainless steel
Aluminium
Aluminium
Cuivre
copper
Fonte
Cast iron
Etain
tin
W/m.K :
46 26 237 400 100 121

L’utilisation d’une plaque vitrocéramique comme plaque de fond offre une bonne perméabilité aux rayons solaires et retient  les IR. La montée en température à l’intérieur du four est rapide et la température atteinte est plus élevée de 40 à 60 degrés environ.
A noter que l’utilisation de plaque à «surface sélective chaude » type tinox ou même en acier galvanisé est à déconseiller car la température au point focal est trop haute pour ces surfaces vite dégradées).
L’utilisation de plat avec trou central type savarin est intéressante, en configuration four elle permet de mieux répartir la chaleur autour du plat en laissant passer la chaleur rayonnante concentrée au milieu de la plaque, cette chaleur rayonnante infrarouge est absorbée par la plaque du couvercle isolant du four, cette plaque est conductrice de la chaleur avec une surface absorbante et émissive, ceci favorise l’opération de gril au dessus du plat.
La plaque de fond étant amovible, le faisceau lumineux peut être directement appliqué sur le récipient (sauteuse par exemple).
Malgré l’intérêt au niveau du rendement, l’utilisation de plat pyrex directement sur le faisceau lumineux est à déconseiller du fait de la dégradation rapide et dangereuse des aliments et de l'éclatement du plat.
L’équipement combinatoire utile: sauteuse, couvercle de sauteuse, plaque de fond (préférentiellement vitrocéramique plutôt que fonte), plat savarin, grille, couvercle four isolant. Eventuellement un élément emboîtable permettant d’augmenter la hauteur du four et donc sa capacité volumique.




The use of a glass ceramic plate as a bottom plate allows the sun beams to penetrate better and keeps the infra reds. The temperature rise inside the oven is fast and the temperature reached is faster by between 40 to 60 degrees.
One should point out that the use of hot selective surface plate, such as the tinox ones or even the galvanised steel ones should be discouraged because the temperature at the focal point is too high for these surfaces which can degrade very fast.
Using a dish with a hole in the middle, savarin moule type is an interesting option, in the oven option it permits to spread the heat around the dish, letting the beaming heat concentrated in the middle of the plate pass. This beaming infrared heat is absorbed by the cover plate which isolates the oven. This plate is a heat conductive, with an absorbing and emitting surface. This favours the gril operation about the dish.
The back slate can be removed and the light beam can be applied on a cooking dish, for instance a pan.
In spite of the interest concerning the output, the use of a pyrex type dish directly on the light beam is not to be advised considering the fast and dangerous degradation of the food and the risk that dish might explode.
The useful combinatory equipment consists in pan, pan cover, back slate (rather vitro—ceramic than cast iron.)hole dish, grill, cover, isolating oven. Possibly an element you can fit in which allows to increase the height of the oven and so its volume.


La parabole - the parabola

La parabole est d'origine industrielle
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Les caractéristiques géométriques de la parabole tiennent compte de l’ergonomie. Sa longueur focale est assez courte : 700 mm pour une surface réflective maximale de 1.3 m².

La parabole est du type offset (la surface paraboloïde est déportée de l’axe central ce qui permet de redresser la direction du faisceau lumineux vers une ligne verticale) l’angle offset est de 23 degrés.Cet angle se reporte sur l'angle incident et l'angle réfléchi des rayons, leur somme (46°) convient aux latitudes moyennes, zone géographique d'utilisation.

Pour rendre la surface réflective Il existe des revêtements adhésifs avec des rendements variables et qui ont plus ou moins bien résisté après 4 ans d’exposition aux intempéries.
Pour des raisons de sécurité la surface courbe est abandonnée, en effet la concentration du faisceau est trop dense (2 secondes à peine suffisent pour enflammer un morceau de bois), de plus la chaleur concentrée sur une trop petite surface rend difficile sa diffusion sur le plat de cuisson.

Une réponse à ce problème consiste à facetter la surface réflective. Une surface d’élément de miroir de 0.8 à 1 dm² semble un bon compromis et l’intensité du rayonnement est uniformément répartie sur toute surface de la tache solaire, (ce qui n' est pas vrai avec une surface floue).


The geometrical caracteristics of the parabola take into account the ergonomy. Its focal length is rather short : 700mm for a maximum reflective surface of 1.3 m2
The parabola is offset type (the paraboloid surface is deported towards the central axis, which permits to push the direction of the light beam up towards a vertical axis). The offset angle is of 23 degrees. This angle reports itself on the incident angle and the rays reflected angle, their sum, 46 degrees, is suitable for average latitudes, zones where they will be used.

To make the surface reflective, there are adhesive coatings with variable outputs and which have more or less well resistedafter having been exposed for four years to the weather conditions.
For reasons of security, the curved surface has been abandoned, indeed the concentration of the beam is too dense. (2 seconds are sufficient to light a piece of wood) moreover the heat concentrated on a too small surface makes it difficult to spread it on the dish.

A solution to this problem is to make facets on the reflective surface. A mirror element surface between 0.8and 1dm² seems to be a good compromise and the intensity of the beam is spread in an equal manner on all the surface of the sun spot. (which is not true for a blurred surface.)

L'équilibrage - the balance

Pour avoir un actionneur de puissance très faible il est nécessaire de supprimer le balourd. Du fait du principe du mécanisme de guidage, le four occupe une position fixe, il n’y a donc pas de variabilité de balourd suite à la charge dans le four, un simple ressort suffit pour compenser le léger décalage entre l’axe horizontal et le centre de gravité.



To have a low power actuator, it’s necessary to supresss the unbalance. Because of the principle of the guiding mecanism, the oven is at a central position, thus there’s no variability of the unbalance because of the load in the oven, a simple spring is enough to compensate the slight lag between the horizontal axis and the gravity center.

Le mécanisme de guidage - the guiding mecanism


Le mécanisme de guidage fait l’objet du brevet N° de publication FR 2967482 (A1)

Le repositionnement répété de la parabole devenant vite une contrainte pour une utilisation quotidienne, il est utile de prévoir un système autonome.                                                                                                
ce système permettant:
de garder le point focal immobile sous le four.
de garder l’axe du faisceau lumineux vertical quelle que soit la hauteur solaire. (Ceci est nécessaire pour conserver la     meilleure efficacité possible, car lorsque l'angle incident du rayon solaire se rapproche de 45°, son rendement chute rapidement .)
de commander le mouvement par le seul axe polaire.
d’actionner l’axe polaire avec une vitesse constante et un couple faible.
d’assurer une hauteur ergonomique constante et un positionnement fixe du four au-dessus et au milieu de la parabole.
Des systèmes à friction sur les axes permettent le positionnement manuel du point focal et protège le mécanisme actionneur contre d’éventuels chocs.


A repeated repositioning of the parabol a becomes very fast a constraint for a daily use. So it’s useful to plan an autonomous system.
This system allows :
—to keep the focal point motionless under the oven.
—to keep the axis of the vertical light beam whatever the height of the sun is. (This is necessary to keep the best efficiency possible, as, when the incident angle of the sun ray comes close to 45°, its output decreases very fast.)
—to control the movement through the single polar axis.
—to command the polar axis with a constant speed and a low torque.
—to ensure a constant ergonomic height and a stable positioning of the oven above and in the middle of the parabola.
Friction systems on the
axes allow the manual positioning of the focal point and it protects the actuator mecanism against potential shocks.



L'actionneur - the actuator

    L’actionneur fournit l’énergie nécessaire au mouvement et contrôle la vitesse de ce mouvement. Il est positionné sur l’axe polaire pour une vitesse constante de 15 degrés par heure, la puissance requise est extrêmement faible.



The actuator provides the energy necessary to the movement and it controls the speed of this movement. It is positioned on the polar axis for a constant speed of 15 degrees per hour. The required power is of very little importance.

Principes envisagés mais non testés :
Mouvement continu électrique: le rapport de vitesse de rotation entre un moteur et la parabole est très élevé ce qui demande une mécanique de réduction de mouvement importante mais aussi une source d’énergie non proportionnée au besoin réel du fait d’un rendement mécanique nécessairement dégradé. La puissance utile sans rendement est égale au couple estimé en Nm multiplié par la vitesse de rotation en rad / sec, soit : 4*0,0000726 = 0.0003 W. ! Une installation électrique avec une puissance moyenne de 1 W  semble plus réaliste pour ce principe, ce qui nécessite malgré tout une source d'énergie trop importante par rapport au besoin.



Planned but non tested principle

A constinuous electric movement, the speed radio between an engine and the parabole is very high, which requires to set up many mechanical elements to reduce the movement, but as well a source of energy non related to the real need du to the fact that the mecanical output is forcibly degraded. The useful power without output equals the torque estimated in Nm multiplied by the speed of rotation in rads per second, so 4*0,0000726 = 0.0003 W. An electric system with an average power of 1 W seems more realistic for this principle, which requires in spite of all, an energy supply too important, compared to the need.



Principes testés :

Commande hydraulique similaire aux systèmes d’accompagnement de fermeture porte. Simple dans le principe mais difficile à maîtriser du fait de la variation de la viscosité de l’huile avec la température et de force du vent.
Commande solaire au point focal : cycle de déclenchement de mouvement mécanique par de dilatation de cartouche thermostatique type robinetterie: Le suivi n'est pas garanti à 100% car la variation de l’ensoleillement est trop importante: (passages nuageux, déficit d’ensoleillement.)
Commande par mouvement de balancier :cette solution simple et robuste convient. Réalisée en pièce inox, cette commande peut rester aux intempéries des années sans que son fonctionnement en soit affecté.
Commande électromécanique actionnant un cliquet par programmateur cyclique. Le couple moteur est donné par un ressort spirale inox. Cette solution convient avec un indice de protection adapté, la puissance nécessaire moyenne est trés faible.


Tested principle

_Hydraulic control similar to the accompanying door latch systems. A simple principle which is though hard to control due to the variation of the viscosity of the oil with the temperature and the strength of the wind.
_Solar control at the focal point : a triggering movement mecanical cycle through a thermostatic cartridge for taps. The aftercare is not 100% sure because the shifts in the sunshine is too important. (cloudy moments, lack of sun…)
_Control through a pendulum movement. This simple and solid solution may be enough. Made with stainless steel, this control can remain in the bad weather for years without its functioning being damaged.
_Electromecanical control, leading a ratchet through a cyclical programmer. The torque of the enfine is given by a stainless steel spiraled spring. This solution is suitable with an adapted protection factor, the average necessary power is very weak
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