Les fours solairs

^{Posté par GuidEnR le 08 juin 2015}

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L’énergie solaire

L’énergie la plus répandue dans le monde et la plus régulièrement répartie est celle apportée par le rayonnement solaire. Le soleil nous envoie chaque jour une quantité considérable d'énergie sous forme d’ondes électromagnétiques que l’on appelle le rayonnement. En une année, l'humanité toute entière consomme une énergie qui représente moins de 3% de ce que le soleil nous envoie chaque jour. La carte ci-dessous (Figure 1) représente la distribution dans le monde de cette source d’énergie (les zones en rouges étant les territoires recevant le plus de rayonnement solaire).





En utilisant l’énergie solaire concentrée, on peut avoir des moyens de recherche et de production très intéressants pour des applications hautes températures ; de plus, cette énergie est disponible gratuitement, et présente une durée de vie sans commune mesure avec les autres sources utilisées actuellement. L’utilisation de cette énergie implique, bien sûr, la présence de moyens d’expérimentation.

Principes de fonctionnement des fours solaires

Il existe deux types de fours solaires. On les distingue selon le nombre de réflexions des rayons lumineux avant concentration au foyer : il y a principalement des fours solaires à une ou à deux réflexions mais le point commun de ces deux techniques repose sur le fait que les rayons lumineux incidents doivent être parallèles à l’axe optique du concentrateur. Ils ne peuvent concentrer que le rayonnement direct.



Dans le cas d’un four solaire à une réflexion (Figure 2), c’est l’orientation du concentrateur qui est asservie à la position du soleil, ce qui implique un foyer mobile au cours du temps contrairement aux fours à double réflexion. A Odeillo, des fours solaires à double réflexion sont utilisés. Ils sont basés sur le principe de la Figure 3:



Comme le montre le schéma de la Figure 3, le système d’un four solaire à double réflexion nécessite un miroir réfléchissant mobile (l’héliostat) qui est asservi à la position du soleil et un miroir de concentration (la parabole), le premier ayant pour but d’orienter les rayons lumineux toujours parallèles à l’axe optique du second qui renverra les rayons lumineux interceptés en un point appelé le foyer.

Le four solaire de 1000 kW d'Odeillo

Un miroir de forme parabolique haut de 40 m et large de 54 m réalise cette concentration et une tour devant la parabole joue le rôle de chambre foyer.



La double réflexion est utilisée avec l’installation d’un champ de réflecteurs plans pour constituer un soleil fictif. Le champ est donc composé de 63 réflecteurs plans (héliostats) disposés sur 8 terrasses, chacun composés de 180 facettes, soit au total 11340 facettes. Les héliostats sont constitués de miroirs plans argentés en face arrière. Ils sont mobiles, de telle sorte que les rayons sont réfléchis parallèlement et horizontalement en direction de la parabole. Leur guidage est réalisé par une lunette électronique qui contrôle le rayonnement réfléchi.

La grande parabole est fixée et adossée à la façade Nord du bâtiment. Elle est constituée de 9000 facettes en verre trempé chimiquement, celles-ci étant argentées en face arrière. Le foyer se trouve dans la tour d’expériences, et cette dernière dispose de portes servant en quelque sorte de diaphragme et régulant ainsi le flux solaire au foyer (Figure 3).

Les fours solaires de 1 kW et 2 kW (Odeillo)

Le système de concentration solaire peut présenter différentes tailles. La géométrie du four solaire utilisé dans cette étude est verticale, l’héliostat (lui aussi asservi la position du soleil) se trouvant à trente mètres en dessous de la parabole. Le système est schématisé de la façon suivante.



Selon le diamètre des miroirs paraboliques la puissance peut varier (à Odeillo) entre 1 kW et 2 kW. La puissance du four utilisé est de 2 kW, avec une parabole de 2 m de diamètre, et l’utilisation est assez simplifiée en comparaison avec le four 1000 kW.

Le montage est équipé d’un système d’obturation du flux solaire permettant de limiter l’énergie solaire arrivant au foyer. Cela permet d’obtenir des conditions reproductibles lorsque le flux solaire incident varie. Des pales obturatrices sont positionnées en amont, entre l’héliostat et le foyer. Dans les conditions optimales d’utilisation d’un four solaire (en supposant que le flux direct a une valeur de 1000 W.m-2), la parabole devrait intercepter théoriquement une énergie totale de 3,14 kW. Cependant, par construction, des pertes réduisent ce flux à une puissance proche de 2 kW (les miroirs réfléchissants absorbent une partie de l’énergie). De plus, d’autres facteurs doivent être pris en compte pour avoir une idée bien précise des pertes réelles subies. Entre autres, on peut citer :

• La géométrie du foyer (sa focalisation) ;
• La zone d’ombre qui est produite sur le flux direct avant la réflexion sur la parabole ;
• La zone d’ombre cachant une partie du flux solaire qui s’est réfléchi sur la parabole ;