Vous avez dit four solaire ?

II/ Optimisation du rendement :

Comment améliorer le rendement du four solaire ? Peut-on le rendre autonome ?

a) L'énergie solaire :

Le solaire est l'énergie propre au fonctionnement du cuiseur solaire. Qu'en est-il de son origine ?

L'énergie solaire vient en fait de la fusion nucléaire qui se produit au centre du Soleil. Elle se propage dans le système solaire et dans l'Univers sous la forme d'un rayonnement électromagnétique, de photons.

L'énergie solaire reçue en un point du globe dépend de :
  _ L'énergie solaire envoyée par le Soleil (fluctuations décennales, saisonnières, et ponctuelles).
  _ La nébulosité (nuages, brouillards, etc.), qui est importante à l'équateur et plus faible en milieu intertropical.
  _ La latitude, la saison et l'heure, qui influent sur la hauteur du soleil et donc sur l'énergie reçue au sol par unité de surface ainsi que sur la nébulosité en fonction du climat local.

Ces facteurs influencent évidemment sur l'énergie reçue par le four. Pour une meilleure optimisation, il conviendrait donc de tenir compte de ces caractéristiques de l'énergie solaire.

De même, l'utilisation de l'énergie solaire pour la cuisson des aliments, au delà d'être gratuite et abondante sur certaines zones géographiques, permet également de réduire la déforestation dans certains pays où la cuisine au bois et au charbon est la norme. Elle permet du même coup la diminution des émissions de CO2 dans l'atmosphère, par exemple d'environ 4 tonnes de CO2 par an pour une famille africaine cuisinant au bois.

Composition des rayons solaires :

_ La majeure partie de la lumière visible (400 à 800 nm) traverse l'atmosphère et, si sa trajectoire n'est pas arrêtée par des poussières ou des fumées, elle représente 40 % du rayonnement solaire au niveau du sol.

_ 50 % du rayonnement solaire atteignant la terre sont des infrarouges (IR) (800 à 3200 nm).

_ Enfin, les 10% restant sont les rayonnements qui composent le domaine de l'ultraviolet (100 à 400 nm).

Il est nécessaire de connaitre la longueur d'onde des rayons solaires si l'on veut optimiser le rendement de notre four. En effet, la sélection des matériaux sera plus facile et efficace ( matériau opaque ou transparent selon la longueur d'onde ) .

b) Loi de Snell Descartes :

La loi de Snell Descartes permet d'en apprendre plus sur le comportement des rayons lumineux lorsqu'ils traversent un milieu . Il est donc évident qu'une étude de ces rayons permettra un meilleur rendement au four solaire en concentrant un maximum de rayons dans le foyer.

Plus précisément, la loi de Snell-Descartes dis que :

Si un rayon passe d’un milieu 1 avec un angle d’incidence i1 à un milieu 2 avec un angle de réfraction i2 alors on a :
n1 x sin( i1 ) = n2 x  sin( i2 )
Avec n1 et n2 indices de réfraction de ces 2 milieux.

Un indice de réfraction n est égal au quotient de la vitesse de la lumière dans le vide notée c sur la vitesse dans le milieu de la lumière.

On a :
n=c/Vitesse(lumière) dans le milieu.

n1 et n2 étant des grandeurs sans dimension qui dépendent du milieu et de la longueur d’onde de la lumière.
n=a+b/ (λ2)
Par définition pour le vide n=1 et pour 20°C λ=589*10-9m

Autres exemples d’indices de réfraction :

n(eau)=1.33 (à environ 20°C)
n(air)=1.00027
n(alcool)=1.329
n(ambre)=1.54
n(cristal)=2.00
n(diamant)=2.417
n(glace)=3.309
n(emeraude)=1.57
n(solution de sucre)=1.38 à 30% et 1.49 à 80%
n(verre)=1.5

Propriétés fondamentales :
L’indice de réfraction est proportionnel à la densité de l’air.
Il est donc inversement proportionnel à la température.
Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite.

A partir de la loi de snell-descartes, nous pouvons déterminer grâce aux données disponibles sur l'indice de réfraction du verre et de l'air comment les rayons de lumière vont se comporter après avoir traversé la plaque de verre. Après avoir choisi des matériaux sélectifs et adaptés qui empêcheront les rayons solaires de ressortir du four en modifiant leur longueur d'onde une fois réfracté, on pourra connaître leur angle de réfraction et ensuite nous pourrons en déduire où ils convergeront pour trouver l'endroit le plus chaud du four et ainsi placer la nourriture en ce point.

c) Les héliostats :

Les héliostats sont de très bons dispositifs permettant d'optimiser grandement le rendement d'un four solaire malgré un investissement couteux. Mais quel est le principe d'un héliostat et comment pourrait-il améliorer le rendement ?

Un héliostat est un appareil, qui à l'aide de miroirs, permet de suivre la course du soleil et de réfléchir un maximum de rayons solaires sur la parabole qui elle-même les réfléchira sur le foyer. Il automatise donc le four solaire.

Un héliostat est orienté de façon à ce que le faisceau réfléchi reste parallèle à l'axe horizontal du parabole. Le suivi de la course du soleil se fait par une rotation altazimutale, c'est à dire qu'ils ont deux axes de rotation :
   _ Un axe vertical (perpendiculaire au sol : haut;bas) pour le mouvement en azimut (c'est à dire une rotation d'ouest en est).
  _ Un axe horizontal (parallèle au sol : gauche;droite) mouvement en site (c'est à dire l'inclinaison de l'héliostat).
Ils sont d'ailleurs équipés de moteurs et de système de contrôle afin qu'ils puissent se déplacer automatiquement grâce à des diodes. Les mouvements sont donnés par deux vérins mécaniques à vis sans fin et moteurs pas à pas. L'automatisation du suivi du soleil est assuré par un système informatique, rendant difficile l'utilisation des héliostats pour un four solaire personnel.

La position et les dimensions des héliostats sont déterminées en fonction :
 _ De leur rôle qui est de renvoyer un faisceau de rayons parallèles entre eux.
 _ De la surface apparente du miroir concave à illuminer en tenant compte des angles de réflexion maximale qui limitent la surface utile,
 _ De l'ombre portée par la parabole de manière à ce que cette ombre n'atteigne pas les héliostats quand le soleil apparaît au plus bas en hiver.

Malgré le fait que les héliostats peuvent hautement augmenter le rendement d'un four, un important investissement est nécessaire de même qu'une installation complexe est requise.