Comment faire entrer plus de lumière dans le four ?

Nos premières pistes de réflexions ont été autour d'un apport de plus d'énergie solaire. 

a) Taille des réflecteurs

Suite à notre modélisation des réflecteurs dans la partie A, nous nous sommes demandés quelle serait la hauteur maximale des panneaux, sans en modifier l’inclinaison puisqu’elle est plutôt favorable à peu de réflexion, qui renverrait tous les rayons vers la vitre dans le cas d’une incidence normale. En effet lorsqu’on la modifie, on modifie aussi la surface de Soleil que l’on reçoit.

Soit AB= b= 0,50 m la longueur de la vitre et a = L la hauteur des panneaux. 

Ainsi on peut noter que les panneaux pourraient être beaucoup plus imposants qu’ils ne sont, à savoir avoir une hauteur de 1,36 m et non seulement de 0,51 m comme actuellement.

En revanche, en lisant la courbe dans l’autre sens, on constate qu’on pourrait gagner en surface solaire en les inclinant plus car avec une hauteur de 0,51 m, les panneaux pourraient être inclinés de 60° par rapport  à la vitre. Cependant, l’angle d’incidence des rayons réfléchis serait alors de i = p-2a = 60° ce qui ne serait pas propice  à un pourcentage important de réfraction vers le four.

Conclusion : A la fin du calcul, on obtient une inclinaison optimale d’environ 72.5° qui s’avère le plus rentable pour la longueur de nos panneaux.

b) Forme des réflecteurs

Donc les panneaux pouvaient être beaucoup plus imposants qu’ils ne sont, à savoir avoir une hauteur de 1,36 m et non seulement de 0,51 m comme actuellement. Cependant le four deviendrait vite instable et encombrant.

Cependant, tous les rayons qui viennent frapper les réflecteurs usuels, ne sont pas renvoyés vers la vitre comme nous avons pu le constater avec un laser. Toutes les surfaces des coins, grisées sur le schéma ci-contre, renvoient vers un autre réflecteur pour finir sur la vitre avec un angle d’incidence non propice voir repartir dans l’atmosphère.

Nous avons pensé à les optimiser, en cassant ces coins, et réaliser des réflecteurs avec l’une des bases carrées pour poser sur la vitre et l’autre octogonale dirigée vers le Soleil. Ainsi les rayons qui frapperaient les coins cassés seraient aussi renvoyés directement vers la vitre.

Expérience et hypothèse n°15 : Des réflecteurs équipés de  « coins cassés » devraient permettre d’atteindre une température plus importante car ils permettraient de renvoyer plus de lumière vers le four.

Protocole : Pour tester cette hypothèse, nous avons décidé de poser tout simplement des coins dans les réflecteurs existants, avant de nous lancer dans la construction de réflecteurs plus sophistiqués. Nous avons mis côte  à côte deux fours avec les mêmes réflecteurs et dans les mêmes conditions dans un premier temps pour nous assurer qu’ils atteignent la même température moyenne, puis une fois cette température atteinte, nous avons ajouté les coins.

Résultats : Lorsque que nous avons installé les deux fours dans les mêmes conditions, nous avons pu constater que la température maximale atteinte était de 145° pour 21° en extérieur. Cependant lors de la mise en place des coins dans l’un des fours, nous avons observé que sa température maximale atteignait 151.5°. Ainsi, nous sommes passés d’un gradient de température de 124° à 130,5°, soit une augmentation de 5%.

Conclusion : Les coins disposés dans les réflecteurs nous ont permis de renvoyer une quantité de rayons plus importante dans le four et ainsi récupérer plus d’énergie.

c) Récupération de lumière par le dessous du four

Dans un premier temps, après avoir étudié le sujet sur plusieurs livres de Roger Bernard (un professionnel de la cuisson solaire), nous avons voulu créer un système permettant de capter plus de lumière solaire.

Le premier objectif a été de faire entrer de la lumière par le dessous du four. Pour ce faire, nous avons vitré la base du four, en retirant la paroi isolante. La chaleur montant naturellement, nous avons émis l'hypothèse que les pertes par la base étaient moins importantes, ce que nos images infrarouges avaient prouvé. Nous avons tout de même ajouté un double vitrage et posé la plaque noire par-dessus au moyen de petits tasseaux après l’avoir peinte en noire sur sa face inférieure.

Par la suite, le problème a été de renvoyer des rayons lumineux vers cette vitre. Nous avons souhaité utiliser une parabole télé recouverte de papier miroir, parce qu’elle permettrait de récupérer une surface lumineuse plus importante que des réflecteurs plans.

Avant de poursuivre nos travaux, nous avons recherché la position approximative du foyer F (soit 70 cm du sommet S) de cette parabole, point où convergent des rayons incidents parallèles entre eux et à l’axe optique du miroir concave ainsi constitué. En effet, cela était nécessaire, car il faut éviter de concentrer la lumière en un point de la vitre pour ne pas l'endommager. D'autre part, il est préférable de couvrir une surface plus importante du dessous de la plaque noire pour les mêmes raisons.

 Réflexion de la lumière au moyen d’une parabole – Rupture de la vitre suite à une concentration des rayons

Malheureusement lors de nos premiers essais, par manque de surveillance des rayons renvoyés sur la vitre, celle-ci a fini par casser suite à une concentration trop importante de la lumière en un point comme l’atteste la photographie ci-dessus. Après réflexion, nous sommes arrivés à la conclusion, ne trouvant pas de paraboles de focales différentes, qu’il fallait :

-      Soit surélever le four, pour éloigner la parabole et éviter que le foyer ne soit trop proche des vitres. La rapprocher n’est pas envisageable car ensuite nous aurions été gênés par l’ombre du four et aurions collecté moins de lumière.

-      Soit décaler légèrement la parabole vers l’avant pour augmenter la distance entre la vitre et le sommet S de la parabole. Cependant cette solution diminuera nettement  l’efficacité du dispositif, entraînant une inclinaison des rayons sur la vitre qui ne sera pas nécessairement propice mais aussi de la parabole, donc une perte de puissance solaire collectée  car la section solaire efficace diminuera.

 

 

Nous avons souhaité modéliser ces situations à l’aide de GéoGébra pour pouvoir les envisager et  prévoir la tache obtenue dans le fond du four. Nous avons créé trois curseurs pour modifier à la fois l’angle b d’inclinaison des rayons du Soleil  (par rapport à la perpendiculaire au sol), l’angle a de la parabole par rapport au sol et un curseur pour modifier la hauteur du four.

 

Avec un four surélevé d’un mètre, une parabole de focale f = -70 cm, inclinée de 10° ou de 20° par rapport au sol et des rayons du Soleil arrivant avec un angle de 45° par rapport à la verticale du lieu, on obtient donc les modélisations ci-dessous.  Les rayons du Soleil (en jaune) sont réfléchis (en rouge) par la parabole. On  peut s’attendre à avoir une tache qui couvre tout le fond du four car le segment vert représente le fond de notre four. On note qu’avec une parabole inclinée de 20°, celle-ci doit se situer sous le four. Cette situation semble plus favorable car permet de collecter une surface solaire plus importante, et d’envoyer les rayons lumineux avec un angle plus favorable pour traverser les deux vitres sans trop de réflexion.

 

Si les rayons arrivent avec un plus grand angle, il faudra sans aucun doute plus incliner la parabole. Par exemple pour des rayons qui arrivent avec un angle de 60°, un angle de 20° pour la parabole est le plus approprié. Donc la parabole doit être amovible.

Expérience et hypothèse 16 : La parabole va permettre d’augmenter considérablement la température intérieure du four ouvert vers le bas.

 

 

Protocole : Nous laissons monter le four en température jusqu’à stabilisation avec une incidence normale sur la vitre. Puis nous ajoutons la parabole dans les mêmes conditions d’ensoleillement tout en vérifiant que l’éclairement ne varie pas.

-       Dispositif sans apport vers le bas avec une incidence normale sur la vitre : 145°C ;  

-       Avec apport vers le bas : 175°C avec une température extérieure de 20°C, soit une augmentation de 30° sur un gradient de température de 125°C, donc un gain de 24%.

 

Résultats et interprétations :

La parabole était inclinée de a=7° par rapport au sol, alors les rayons arrivaient un angle de b=37° par rapport à la verticale, soit 53° avec l’horizontale. On en déduit donc d’après le schéma ci-dessus que les rayons lumineux arrivaient avec un angle de d=b-a=30° par rapport à l’axe optique de la parabole. Ainsi, au mieux, la parabole récupère une puissance lumineuse P_lum =E.S’=E.S.cosq=E.p.R².cosq = 850xpx(0,47)²xcos 30 = 510 W = 0.51 kW.

Cette puissance n’est pas entrée en totalité dans le four car l’incidence sur la vitre n’est pas toujours propice à une bonne transmission, ou encore parce qu’il y a absorption par le papier réfléchissant…