Concentrateur solaire

De Open Source Ecologie

Importé de l'ancien wiki : http://wiki.osefrance.org/doku.php?id=wiki:concentrateursolaire


Projet : Concentrateur solaire

 * Démonstrateur Solar-OSE (2015)
   * Cahier des charges du démonstrateur
   * Liste du matériel (approvisionnement) 
   * Liste des outils de production
   * Guide pas à pas de fabrication du premier prototype démonstrateur
 * Prototype AlphaSole (2016)
   * Cahier des charges du prototype

Présentation générale

Objectif

L'objectif du projet est de fabriquer un concentrateur solaire, c'est à dire, un dispositif permettant de collecter l'énergie thermique solaire, c'est à dire :

  1. capter et concentrer le flux solaire sur un absorbeur,
  2. assurer l'extraction de la chaleur pour son utilisation a posteriori.

CS NSh-45°-(357)x2-14c5 sur container.png

Les usages et grandeurs de référence sont définies par la suite.

Contexte

Le développement du produit aura lieu au sein de l'association Open Source Écologie en collaboration avec toute personne se sentant un lien pour le projet. Il sera réalisé de manière à s'inscrire dans le contexte de l'économie open source sans contrevenir aux dispositions de la propriété intellectuelle (brevets existants) et aux normes en vigueur (dispositif sous pression).

Le concentrateur solaire a été sélectionné parmi les 50 machines du Village Construction Set (GVCS). Il fait partie des dispositifs permettant la production primaire d'énergie.

Le changement climatique et la dépendance actuelle aux énergies fossiles nous montrent la nécessité d'une transition écologique où les énergies renouvelables, et en particulier le solaire thermique, doivent jouer un rôle prépondérant. De plus, le choix du solaire thermique est motivé par le constat que environ 40% de l'énergie consommée par l'industrie en Europe est utilisée pour générer de la chaleur à des températures inférieures à 400°C.

Démarche

Le développement se fait en plusieurs étapes pour apprendre et progresser au fur et à mesure. La conception fait appel au design 3D pour dimensionner les pièces. Une maquette de table permeet de tester la forme générale et l’automatisation. Un démonstrateur sera présenté pendant le forum [[1]], le 26 septembre 2015. Enfin, au cours des année 2016-2017, un prototype grandeur nature (de 20 à 25 m²) sera conçu sur la base des connaissances engrangées.

Démonstrateur

L'objectif est de présenter la technique de la concentration solaire dans un but de diffusion des savoirs et de sensibilisation. Il est nécessaire d'aboutir à un produit fonctionnel, d'encombrement réduit, fonctionnant en France. La température atteinte sera fonction des optiques de concentrations et de la surface de miroir mais n'est pas une exigence.

Prototype (phase actuelle)

Les prototypes seront conçus pour une finalité productive, adaptables sur une large plage de latitudes et dans des lieux isolés. Les usages visés sont variés : cuisson, procédés artisanaux ou industriels utilisant de la chaleur moyenne température (250°C max). La pression de vapeur (théoriquement 30 bars à 230°C) pourrait être utilisé de façon complémentaire, mais n'est pas le but premier du prototype. Ses dimensions sont adaptés a une installation sur un toit de container, avec la possibilité de pouvoir le monter et le démonter "relativement" facilement par système à trapéze déformable. Cela doit permettre de mettre en œuvre le concentrateur solaire dans des contextes variés sans forcement nécessite de travaux de génie civil.


Solution retenue

Description

Il existe différentes technologies de concentration du rayonnement solaire.

Schéma du concentrateur et définition des axes. (1) Champ du miroir de Fresnel, (2) facettes motorisée, (3) récepteur sur l'axe x.

La solution que nous avons retenue est un concentrateur solaire plan, à symétrie axiale, avec deux étages de concentration. Le concentrateur primaire est réalisée par un miroir de Fresnel, le concentrateur secondaire se base sur une variante de concentrateur parabolique composé (CPC) qui focalise sur l'absorbeur. Cette solution a été retenue pour sa simplicité de fabrication et d'utilisation.

Plus précisément, le miroir de Fresnel (1) concentre le rayonnement sur une ligne sur laquelle se trouve le récepteur (3). L'orientation globale du concentrateur solaire (CS) est fixée par l'axe du récepteur (axe x) qui est orienté dans la direction Nord-Sud. Le suivi solaire selon l'axe perpendiculaire (axe y) est réalisé aisément grâce à la rotation des facettes (2) du miroir de Fresnel. Les facettes tournant toutes à la même vitesse, une motorisation unique peut suffire.

La variation d'angle d'incidence parallèle à l'axe du CS (saisonnier ET quotidien) induit une translation entre l'image réfléchie par le collecteur le long de l'axe x. L'ajout d'un miroir coté Nord permet de "rabattre" le dépassement arrière sur le récepteur. Cela permet de réduite les pertes de cette extrémité du récepteur (end loss) sans avoir à agrandir le récepteur ou à le déplacer.

Suivie du soleil

Diagramme solaire projeté sur les plans du concentrateur pour 44°N (Avignon)

La position du soleil est un paramétre important pour la cocnentration des rayons qu'il nous envois. Le repérage de cette position se fait en plusieurs étapes :

  1. Trajectoire du Soleil en fonction de la date et de du lieu
  2. Définition des angles de la position du soleil dans le repère liée au concentrateur solaire en fonction de son orientation
  3. Tracer du diagramme solaire pour des jours ou/et des heures particulières

L'orientation retenue est Nord-Sud car c'est celle qui permet au miroir de Fresnel (partie motorisée) de suivre le soleil dans sont déplacement journalier. Un petit décalage vers l'Est peut également convenir, il aura l'avantage de favoriser le démarrage de l'installation.

Pour l'orientation retenue, l'angle projeté sur le plan vertical Est-Ouest est utilisé pour orienter les facettes. L'angle projeté dans le plan Nord-Sud permet, quand à lui :

  • d'évaluer les pertes aux extrémités (end loss)
  • et, dans le cas du démonstrateur, le décalage à faire entre le concentrateur primaire et le récepteur.

Il est à noter que le décalage de l'image réfléchies est fonction de la distance entre la facette et le récepteur. Il est donc différent selon les facettes Cela engendre un alongemant de l'image réfléchi sur la ligne focale qui devient plus longue que le champ de facettes du concentrateur primaire. Cette difficulté a clairement été mise en évidence lors des essais du démonstrateur effectue enn janvier 2016. Un miroir Nord provisoire (de forme triangulaire lié au récepteur) a été ajouté pour limiter cet inconvenant.

Pour le prototype, l'ajout du miroir Nord de grande dimension permet de rabattre l'image réfléchie sur elle-même, ce qui réduire la longueur du récepteur et autorise un récepteur fixe. Ce qui facilite l'installation du dispositif et permet un transport d'énergie plus efficient.

De plus, il permet d'augmenter la quantité de soleil collecté en inter-saison et en hivers. En effet, lorsque le soleil est dans l'axe du CS (c'est à dire en milieu de journée) mais relativement bas à l'horizon, des rayons qui frappent d'abord le miroir nord, sont réfléchis vers le miroir de Fresnel qui, à son tour, les redirigent vers le récepteur. Le miroir Nord et le miroir de Fresnel se comporte comme un concentrateur non-imageant car le nombre de chemin de réfléxion est variable :

  1. miroir de Fresnel puis récepteur
  2. miroir de Fresnel, miroir nord puis récepteur
  3. miroir nord, miroir de Fresnel puis récepteur

Ce design de Concentrateur solaire est donc adapté à une installation dans les latitudes éloignés de l'équateur. A condition, bienn sur, que le nombre de jours d'ensoleillement soir important car la concentration du soleil devient inopérante dés que le soleil est voilé par les nuages.

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