concentration multiplicative

Concentration multiplicative

La recherche d'une solution pour réaliser un four solaire sans danger pour les yeux (voir rubrique "four solaire") nous a conduit à découvrir ou à redécouvrir ce que nous désignons par l'expression « concentration multiplicative ». Il s'agit d'utiliser deux concentrateurs cylindro-paraboliques disposés perpendiculairement de sorte que leurs concentrations se multiplient. Il nous est apparu rapidement que cette solution peut être optimisée de façon à présenter de grands avantages :
1- il est possible de déployer une importante surface collectrice avec un petit nombre de miroirs plans (et non pas courbes) tout en autorisant de fortes concentrations,
2- il est possible de focaliser à proximité du sol et à un point fixe (et non pas, comme avec les paraboles, en hauteur et en déplacement) ce qui facilite l'exploitation de la source de chaleur.

Suite aux expériences réalisées avec un petit concentrateur, nous avons construit un prototype dont la surface collectrice est de 4,4 m2 pour le miroir primaire (composé de huit miroirs plans de 30 cm par 183 cm). Le miroir secondaire est composé de 40 miroirs plans de 5 cm par 90 cm. La concentration maximale au foyer est d'environ 240 soleils ce qui autorise des températures très supérieures à 400°C. Notre concentrateur peut fournir 2Kw thermiques par temps clair et alimenter un moteur à air chaud.

 

parabole

Fig 7

Le prototype ci-dessus ne représente que la moitié du concentrateur. Le primaire (composé de huit grands miroirs horizontaux) et le secondaire (composé de 40 miroirs verticaux) sont destinés à être doublés dans leur largeur. Ainsi, le foyer (tache blanche) que l'on observe en bas et à gauche des huit miroirs du primaire se trouve exactement au centre de rotation du concentrateur complet.
L'ensemble des miroirs primaires et secondaires sera solidaire d'une structure horizontale sur roues qui permettra de suivre le Soleil selon un premier axe.
L'orientation des huit miroirs du primaire permettra la poursuite du Soleil selon le second axe. Le foyer du concentrateur ne se déplace pas dans l'espace comme avec une parabole.

 

 parabole

Fig 8

 

Comparaison de la « concentration multiplicative » à la parabole.

 

 

Liste des avantages : 

 

1- Simplicité de réalisation.
Pas de miroirs courbes (pas de courbure à maîtriser). Peut être réalisée avec un petit nombre de miroirs plans. Elle est donc plus facile à construire.

2- Puissance constante et rendement thermodynamique supérieur.
La puissance délivrée au foyer est quasiment constante pendant huit heures en région tropicale ou équatoriale. La courbe de puissance étant quasiment plate pendant huit heures, le convertisseur thermodynamique n'aura pas à être dimensionné pour le pic de puissance que l'on a à midi avec une parabole. Il ne sera donc pas sur-dimensionné pour le reste du temps. Ainsi donc, à puissance délivrée égale nous avons un dimensionnement et un coût de l'installation thermodynamique qui sont inférieurs. L'installation peut être optimisée au-delà de ce qu'autorise une parabole parce que le convertisseur thermodynamique aura à fonctionner dans une fourchette de puissances plus étroite.

3- Possibilité de dimensionnement en plus grande taille.
La structure qui porte les miroirs du primaire peut se déplacer sur des roues (éventuellement sur des rails) de sorte que ses dimensions et sa masse peuvent être importantes. Elle peut donc être réalisée en plus grande taille qu'une parabole (de façon réaliste et économique, on ne peut envisager la construction de paraboles de plus de cent ou de deux cents mètres carrés). Le système de poursuite du Soleil sera relativement moins coûteux s'il se rapporte à une plus grande surface de miroir.

4- Facilité d'exploitation de la source chaude.
La concentration s'effectue au niveau du sol et à un point fixe (elle se situe au centre de rotation de l'installation) ce qui en facilite l'exploitation.

5- Résistance au vent et réactivité.
De par sa forme, son assise et sa masse, la structure porteuse peut aisément résister au vent.
De plus, les miroirs sont rapidement inclinables en cas de bourrasque (lorsqu'ils sont à l'horizontale, les miroirs laissent passer le vent). Le déplacement d'une grande parabole est comparativement beaucoup plus lent. Nous avons donc une meilleure réactivité pour mettre l'installation en mode sécurisé. 

6- Résistance aux vibrations.
Dans le cas de l'utilisation d'un moteur dit à « combustion externe », la parabole est sensible aux vibrations qui sont produites en bout de bras. Pour notre concentrateur, les vibrations sont atténuées et absorbées à proximité du sol.

7- Nettoyage.
Les miroirs du concentrateur sont plus faciles à nettoyer parce qu'il s'agit de surfaces planes et parce qu'on peut les incliner de façon à accéder à leurs surfaces.

8- Rendement cosinus.
Dans le cas d'un champ occupé par une multitude de dispositifs, l'ensemble est moins affecté par les ombres induites en début et fin de journée (à surface de sol occupée égale, la puissance rendue est supérieure à celle d'un champ de paraboles).

9- Fabrication en série.
Possibilité de fabrication en série et en grand nombre (et donc à plus faible coût) des structures rectangulaires qui portent les miroirs plan du primaire. De plus, la forme rectangulaire et la taille de ces éléments est adaptée au transport par la route.

10- Intégration à l'habitat.
Peut facilement s'intégrer à l'habitat et autre bâtiments (sur toit-terrasse). Est moins haut (à puissance égale) et donc moins visible et plus esthétique.

11- La forme du ou des foyers.
La lumière est concentrée sur une ou plusieurs surfaces de forme rectangulaire. Elle peut être très allongée (par exemple 4 cm par 100 cm) de sorte qu'il est possible de faire passer la lumière au travers de verres en quartz d'épaisseur raisonnable et capables de résister à de fortes pressions.    

Bien sûr, ce type de concentrateur ne peut rivaliser avec une parabole pour ce qui est du niveau maximum de concentration et de la qualité de la focalisation. Mais puisqu'il n'est pas requis de dépasser des concentrations de l'ordre de 200 Soleils (les concentrateurs cylindro-paraboliques atteignent une concentration maximale qui est inférieure à 100 soleils) pour atteindre des températures élevées  et puisque notre concentrateur est capable d'une focalisation très correcte, nous ne voyons aucune raison de préférer la parabole. Nous n'y voyons finalement que des désavantages. Nous estimons que la solution parabolique est en fait une impasse pour ce qui est du développement à grande échelle des installations thermodynamiques de petites puissances (jusqu'à 100 KWe). 
Il serait intéressant d'aller plus loin dans la connaissance des avantages et des désavantages de ce concept en le comparant à l'ensemble des autres solutions (outre la parabole : centrale à tour et cylindro-parabolique). Cette étude pourrait être proposée comme sujet de thèse à un étudiant.
Les variations possibles autour du concept de concentration multiplicative sont riches et variées. Des aurovilliens pourraient aussi s'approprier ce concept et le développer.

Rémy et Francis, Auroville, le 15 mars 2011