Comment les réflecteurs permettent-ils d’optimiser l’énergie solaire récupérée ?

a) L’intérêt des réflecteurs

Expérience et hypothèse n°6 : Les réflecteurs permettent, lorsque les rayons arrivent perpendiculairement à la vitre, d’augmenter considérablement la quantité d’énergie lumineuse récupérée car captent une « surface solaire » ou un flux plus grand. Ainsi la température intérieure du four sera nettement plus grande que sans. 

Protocole: Nous avons placé deux fours côte à côte dans les mêmes conditions, c’est-à-dire même inclinaison, incidence normale et avec réflecteurs dans un premier temps pour qu’ils chauffent. Puis à l’instant t=0, nous avons retiré les réflecteurs du four n°1.

Photographies du dispositif avec et sans réflecteurs

Mesures : 

 Température en fonction du temps pour une même inclinaison mais avec et sans réflecteur

Conclusion : On observe que très rapidement les deux fours atteignent des températures très différentes. En effet le four ne disposant pas de réflecteurs, voit sa température chuter fortement. Au contraire celui disposant de réflecteurs voit sa température croître. On peut donc conclure que les réflecteurs fournissent au four un apport indispensable d’énergie.

b) Inclinaison des réflecteurs

Les rayons réfléchis par les réflecteurs doivent toucher la vitre avec un angle d’incidence inférieur à 45° pour qu’un pourcentage intéressant pénètre dans le four. Cela n’était probablement pas le cas dans une des situations de l’expérience 1, c'est-à-dire avec une incidence de 20° par rapport à la vitre pour avoir obtenu une telle différence.

Voici des modélisations, réalisées sur Géogébra des deux situations que nous avons testées, sachant que les panneaux ont une hauteur a = 0,51 m, et une inclinaison a = 72,5° :

-              En incidence normale sur la vitre :

Dans ce schéma l’angle α, est l’angle entre les réflecteurs et la direction de la vitre. On le retrouve entre un rayon qui vient frapper les réflecteurs et leur normale suite à une rotation de 90° des deux directions qui définissent α.

Par application de la loi de la réflexion, on le retrouve également entre le rayon réfléchi par les panneaux et la normale car i=r.

On peut donc constater sur ce schéma, qu’en incidence normale sur la vitre, la totalité des rayons réfléchis sur un plan médian des réflecteurs, viennent frapper la vitre puisque celui à l’extrémité l’est. D’autre part, l’angle d’incidence sur la vitre est de 35° donc bien inférieur à 45°. 

 

- Avec une incidence de 20° sur la vitre soit un angle d’incidence de a -20 = 52,5 ° sur les panneaux :

Ainsi sur ce schéma, on constate que tous les rayons ne sont pas réfléchis en direction de la vitre car réfléchis avec un angle trop faible (52,5°). D’autre part, l’angle d’incidence sur la vitre pour les rayons qui y parvienne est de i = 180-2a+20= 55°, donc non favorable car dépasse 45°, donc un pourcentage important sera réfléchi au niveau de la vitre.

Très rapidement, lorsque le Soleil décline, l’angle d’incidence de la lumière réfléchie par les réflecteurs est trop important et donc une faible quantité de lumière va entrer dans le four. Il faut donc chercher à avoir une incidence la plus proche de la normale par rapport  à la vitre pour permettre de récupérer un maximum d’énergie des rayons avec les réflecteurs.

Sachant que l’angle d’incidence sur la vitre augmente d’autant de degrés que le Soleil va décliner par rapport à la normale à la vitre, au delà d’une déclinaison de 10°, les réflecteur perdre rapidement de leur efficacité. L’angle a = 72,5° entre les panneaux et la vitre choisie par Bolivia Inti est donc un minimum qui permet de récupérer tous les rayons réfléchis par les panneaux et de les envoyer avec un angle d’incidence acceptable sur la vitre.

c) les matériaux des réflecteurs

Dans le cadre des matériaux, nous avons choisi de rester dans le choix de matériaux réfléchissants. Ainsi nous nous sommes demandé si la surface du matériel changeait la capacité des réflecteurs. Pour illustrer cela, nous avons pris plusieurs types d’aluminium, afin de prouver l’importance d’une surface lisse.

Expérience et hypothèse 6 : Nous nous sommes demandé si la surface des réflecteurs influence la réflexion du rayon solaire.

Protocole : Nous avons choisi différents échantillons d’aluminium plus ou moins poli. Nous disposons un laser dont l’intensité a été mesurée directement à sa sortie à l’aide d’un photomètre.

Pour conclure à la suite de cette expérience, nous avons pu observer que la diffraction, c'est-à dire le renvoi du rayon laser ici dans plusieurs directions mais pas dans une seule comme le stipule la loi de la réflexion i=r était plus ou moins importante en fonction de la surface. Plus la surface est lisse, moins le phénomène de diffraction par les imperfections des panneaux se manifeste. Ainsi lors du choix des matériaux réfléchissants, le polissage est très important. Mais son coût est également plus important.