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Cahier des charges

Concentrateur solaire

Démonstrateur

Objet de l'étude

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. 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 (voir Glossaire) 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 Global Village Construction Set (GVCS, voir Glossaire). En effet, 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.

Utilisation: usages et finalité

Les utilisations sont à distinguer entre le démonstrateur et le produit final. Démonstrateur: finalité éducative Le but 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 concentration et de la surface de miroir mais n'est pas une exigence. Concentrateur solaire: finalité productive Usage: cuisson, procédés artisanaux ou industriels utilisant de la chaleur moyenne température (250°C max), adaptable sur une large plage de latitudes, dans des lieux isolés.

Fonctionnement

Comment fonctionne un concentrateur solaire ? Toute la lumière qui arrive sur une large zone (par exemple plusieurs mètres carrés) est concentrée par un jeu de miroirs sur un petit absorbeur où circule un fluide (de l’eau par exemple). La température de l’absorbeur, et celle du fluide qui y circule, augmentent ainsi de manière importante. On obtient donc une source de chaleur renouvelable que l’on peut utiliser de différentes manières. Certaines applications concrètes reposent simplement sur l’utilisation immédiate de la chaleur dans des fours, pour des procédés chimiques, le séchage de matériaux, la stérilisation, etc. L’autre application, la plus connue, est de produire de l’électricité avec de la vapeur sous pression. Il est alors nécessaire d’ajouter au concentrateur solaire un moteur ainsi qu’un générateur électrique pour transformer la chaleur en mouvement puis en électricité.

Solution retenue

Géométrie

Figure 1 Les différents technologies sont présentées Figure 1. La solution que nous avons retenue est la première de la figure 1. Il s'agit d'un concentrateur solaire plan, à symétrie axiale, avec deux étages de concentration. La concentration primaire est réalisée par un miroir de Fresnel, la concentration secondaire par un CPC (compond parabolic concentrator - concentrateur parabolique composé) sur l'absorbeur situé au foyer. Cette solution a été retenue pour sa simplicité de fabrication et d'utilisation. Plus précisément, le miroir de Fresnel ou collecteur (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, Figure 2). Le suivi solaire selon un axe perpendiculaire (axe y) peut être réalisé aisément grâce à la rotation des facettes (3) du miroir de Fresnel. Par contre, 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 et le récepteur, c'est à dire des pertes supplémentaires aux extrémités du récepteur (end loss).

Figure 2: schéma du concentrateur et définition des axes. (1) Miroir de Fresnel ou collecteur; (2) facettes du miroir; (3) récepteur.

Le miroir est horizontal et l'axe du CS (axe x) est orienté Nord-Sud. Cependant, le démonstrateur a vocation à être utiliser pour l'expérimentation donc une certaine flexibilité dans le positionnement entre le miroir et la structure supportant le récepteur est demandée.

Contraintes particulières

Surface de miroirs (utile) (m2) 4
Fluide thermique d'échange 1 Eau sous pression
“Scalabilité” 2 Pas nécessaire
Alimentation électrique 3 Indifférent
Dimensions totales (m)Au sol = 6*6 maximum
h = 2 ± 10% Poids
Coût (€) < 1000 4
Compatibilité design open source 5Au maximum 4
ImplantationParis latitude = 48°N
Livraison 1/09/2015

1 Ce choix s'avère le plus judicieux pour différentes raisons (disponibilité, coût et sécurité) non expliquées ici. 2 Fabrication par modules qui peuvent être combinés pour augmenter la taille et la puissance du dispositif final. 3 Nécessité d'une alimentation électrique d'appoint pour faire fonctionner le concentrateur (exemple: électronique d'automatisation, etc) 4 coût du démonstrateur: financé par les fonds de l'association, pourra être minimisé par de la récupération de matériaux 5 voir Open source

De plus, on essayera d'utiliser au maximum des logiciels Open source. Le design étant réalisé en France, les plans utiliseront le système métrique et les normes de dessin françaises.

Schéma de liaison

Figure 3

Exigences de conception

Dans le cadre de la conception collaborative, on travaillera uniquement sur les éléments identifiés sur le schéma de liaison de la figure 3. Les exigences de chaque élément sont développées ci-dessous dans les sections Structure, Optique de concentration et Moteurs, Programme, Capteurs.

Structure
Support
Exigences Démonstrateur
Structures indépendantes (miroir, récepteur, structure)Optionnelle
Structure capable de résister à son environnementOui
Structure sufficently rigid to sustain vibrations and impacts 70%
Implantation au sol Pieds réglables
Facilité d'assemblage et transportable70%
Conception compatible OSE http://opensourceecology Optionnelle
SoudageLe moins possible
Limitation du risque d'accidentOui
Structure des miroirs
ExigencesDémonstrateur
Limitation de la déformation des miroirsFlèche inférieure à 5 mm
Les miroirs doivent pouvoir suivre la course du soleil>60°
Protection contre les intempériesOui
Alignement optique possible par un réglage ne nécessitant pas d'outillage particulierOui
Optique de concentration

lien forum Miroir de Fresnel: surface 2×2 m2 avec facettes de 10 cm de large

ExigencesDémonstrateur
Miroir avec une réflexivité d'au moins 90% du spectre solaire100%
Miroir robuste et à longue durée de vie 100%
Miroir facile à nettoyer70%
Concentration secondaire sur l'absorbeur>1.5
Facteur total de concentrationEntre 15 et 30
Miroir interchangeable facilité70%
Réduire les risques dans toutes les phases d'utilisations60%
Coût minimisé (matériau, fabrication, transformation, assemblage)60%
Absorbeur

lien forum

ExigencesDémonstrateur
Conçu spécifiquement pour le fluide utilisé, circulation passive ou forcée 100%
Matériau choisi pour ses hautes qualités d'absorption dans tout le spectre solaire100%
Échange thermique élevé entre l'absorbeur et le fluide60%
L'ensemble doit être isolé thermiquement (vis-à-vis de l'air extérieur, pas de point de condensation , radiation infra rouge)60%
Bonne résistance au variation de température (dilatation du matériau, étanchéité …)60%
Conception particulière pour le concentrateur secondaire60%
Réduire les risques dans toutes les phases d'utilisations60%
Coût minimisé (matériau, fabrication, transformation, assemblage)60%
Moteurs, Programme, Capteurs

lien forum

ExigencesDémonstrateur
Suivre en temps réel le déplacement du soleil 60%
Détection des conditions météorologiquesoui
Suivi du soleil pour renvoyer l'angle correct d'inclinaison60%
Mesurer la température et la pression du fluide60%
Programmation possible pour arrêter le système automatiquement60%
Interface de contrôle simpleOui

Glossaire

Open source

Le terme “open source” regroupe un grand nombre de critères à la fois d'ordre juridique et technique: juridique: absence de brevets, licence permettant la libre fabrication, distribution et utilisation de l'objet. (à préciser?) technique: la fabrication doit être accessible à tous (do-it-yourself), modulaire (pièces interchangeables ou remplaçables simplement), standardisée (éviter le bidouillage) et avec un nombre réduit de pièces distinctes. De plus, cela implique une transparence dans la conception, ainsi que la rédaction et la mise à disposition complète de la documentation, des plans et études.

Concentrateur Solaire

Concentrateur Parabolique Concentré (CPC)

Open Source Écologie
...
Global Village Construction Set

Études à réaliser

1. Ensoleillement en fonction du lieu d'implantation

Lister les lieux possibles et déterminer l'ensoleillement au cours de l'année. De manière générale, mettre à disposition les données d'ensoleillement pour une adaptation en tout lieu.

2. Position du soleil en fonction de la date et de la latitude du lieu

Définir le phénomène du “cosθ” et chiffrer la baisse d'efficacité aux hautes latitudes. Étudier l'influence de l'angle d'inclinaison sur l'efficacité de collection.

3. Orientation et facteur de concentration

Décrire les orientations possibles du concentrateur. Évaluer le plus précisément possibles les avantages et inconvénients de chaque solution. Calculer pour chaque cas, le facteur de concentration atteignable.

4. Étude des propriétés thermiques de l'absorbeur, conception

à détailler

5. Recensement et étude des brevets existants

ne pas contrevenir aux dispositions des brevets existants (quel est le risque?) et étudier les solutions techniques des brevets expirés pour s'en inspirer.

6. Étude de marché (technico-économique)

segments d'utilisateurs en fonction des performances

7. Modélisation complète du concentrateur solaire

service en soi, modèle physique, optique et thermique, à relier aux usages et conditions météo pour pilotage du CS.

8. Prédiction de la production d'énergie en fonction des données météo
9. Estimations économiques du coût matière et par système
10. Identifier les modifications techniques pour des utilisations annexes
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