I/ Qu'est ce qu'un four solaire ?
Quel est le principe du four solaire ? à quoi sert t-il ? Comment fonctionne t-il ?
a) Définition générale :
Le concept de four solaire (ou cuiseur solaire) est un procédé de chauffage reposant sur la saisie des rayonnements solaires émis et leur conversion en chaleur.
Cette concentration d'énergie permettra la réutilisation de la chaleur obtenue à maintes fins selon la capacité du four.
Le développement de ce principe permettrait ,par exemple, de freiner les déforestations et de réduire les consommations excessives des énergies fossiles.
b) Les fours solaires à concentration :
Ce type de four solaire fonctionne grâce à l’effet de convergence des rayons solaires sur une surface donnée. Ce procédé permet de stocker et de concentrer l’énergie, utilisée ensuite selon les besoins. Ces fours, semblables à des convecteurs solaires ou miroirs, sont aussi appelés héliostats. La forme de ces fours solaires peut être plate ou parabolique selon l'utilisation et l'utilité du four. Prenons comme exemple le four solaire d'Odeillo disposant d'une série d’héliostats plats orientable selon la position du soleil et pouvant atteindre des températures extrêmes ( jusqu'à 3000°C ! ) contrairement au four solaire de Mont louis qui possède un héliostat parabolique.
c) Les fours solaires à effet de serre :
Ce type de four solaire est comme son nom l'indique basé sur le principe d'effet de serre , c'est à dire , la concentration des rayons lumineux. L'énergie ainsi concentrée est ensuite utilisée directement ou transportée grâce à un fluide caloriporteur : fluide chargé de transporter la chaleur entre deux ou plusieurs sources de températures (eau ou air) afin de fournir du chauffage , de l'eau chaude sanitaire, de l'air chaud pour un séchoir, etc. .
Deux effet combinés réalisent l'effet de serre:
_ La transparence des matériaux : c'est à dire la capacité d'un matériau à réguler les rayonnements suivant leur longueur d'onde. Généralement, dans le four solaire on cherchera un matériau transparent aux rayonnements inférieurs à 3000 nm et opaque aux rayonnements supérieurs 3000 nm. Le plexiglas et le verre par exemple sont de tels matériaux.
_ La sélectivité des matériaux c'est à dire le phénomène qui va permettre aux matériaux du four solaire de transformer la longueur d'onde du rayonnement souhaité pour optimiser le rendement.
_ La sélectivité est le rapport entre le facteur d'absorption d'une longueur d'onde, et le facteur d'émission d'une autre longueur d'onde, d'un matériau.
Habituellement, dans les fours solaires, les longueurs d'onde concernées sont les rayonnements de courte longueur d'onde inférieurs à 3000 nm pour le facteur d'absorption et les rayonnements supérieurs à 3000 nm (infrarouge et au-dessus) pour le facteur d'émission.
L'effet de serre est efficace lorsque la sélectivité et la transparence de deux matériaux se complètent.
Dans un premier temps, le rayonnement source traverse le matériau à la longueur d'onde du rayonnement source. Celui ci voit ensuite sa longueur d'onde modifiée par la sélectivité d'un second matériau en une longueur d'onde à laquelle le premier matériau est opaque. De ce fait, le rayonnement est emprisonné entre deux matériaux et l'on obtient l'effet de serre.
Dans notre four solaire , nous mettrons en œuvre ce principe en utilisant des plaques de verres et de l'aluminium.
Voici un schéma représentant un four solaire à effet de serre qui utilise, ici, le verre comme matériau sélectif.
Dans ce cas, nous avons un double-vitrage qui laisse passer les rayons du soleil et qui viennent chauffer la marmite et l’intérieur du four. L’énergie est " coincée " à l’intérieur car la chaleur ne peut pas s’évacuer par conduction grâce à l’isolant (placé entre la cuve et le bâti) et au double-vitrage (qui isole mieux qu'une simple vitre grâce à la couche d’air entre les 2 vitres). De plus, le rayonnement de la marmite et des parois de la cuve est bloqué par le verre du double-vitrage : c'est ce qu'on appelle l'effet de serre. En effet, le verre est transparent pour les rayons du soleil (dont la température extérieure est de 6000°C ! ) mais il est opaque par rapport au rayonnement des corps plus froids (jusqu’à quelques centaines de °C). Finalement la température de la marmite augmente jusqu’à presque 100 °C.
