Engineering
Four solaire
Neuf miroirs suivent le soleil dans le ciel et renvoient sa lumière sur le récepteur au sommet de la tour. Regardez le récepteur chauffer jusqu’à rougeoyer, répartissez les points de visée ou réduisez le récepteur pour voir quelle part de la lumière passe à côté, faites passer un nuage sur le champ et comparez les saisons.
Ce qui se passe
Neuf héliostats de 2 × 2 m se dressent au nord d’une tour située à 37° N. Chacun tourne son miroir à 1°/s de sorte que la normale au miroir soit la bissectrice de l’angle entre les directions du soleil et du récepteur, encastré dans la face de la tour à 15 m de hauteur. Les miroirs sont légèrement concaves, des sphères de rayon égal au double de leur distance au récepteur, si bien que chacun concentre l’image du soleil près du récepteur. Le soleil suit la course propre à la saison, et le rayonnement direct qui atteint le sol suit la loi de ciel clair de Meinel. Pour chaque miroir, on trace des rayons issus de 36 points dans sept directions réparties sur le disque solaire : un rayon peut se trouver dans l’ombre de la tour ou d’un autre miroir, il est réfléchi à 90 %, il peut être bloqué par un miroir situé devant, et il atteint le récepteur ou passe à côté.
À midi à l’équinoxe, le soleil est à 52,9° de hauteur et les miroirs captent 31,6 kW de son rayonnement direct ; l’ombrage et le blocage en prennent 1,8 kW, 26,8 kW atteignent le récepteur de 0,8 m, qui en absorbe 90 %, soit 24,1 kW. Il chauffe jusqu’à ce que le rayonnement (ε = 0,85) et la convection évacuent cette puissance : à 903 K. Montez le récepteur de 0,5 m au-dessus du point de visée et la moitié de la lumière passe à côté. À 9 h en hiver, le soleil n’est qu’à 16° de hauteur et 17,2 kW atteignent le récepteur. La protection détourne un miroir toutes les 5 s tant que le récepteur dépasse sa limite.
Modèle : optique géométrique avec un soleil et des miroirs échantillonnés ; loi de masse d’air de Meinel ; le récepteur, une seule plaque d’une capacité thermique de 39 kJ/(m²·K) qui perd εσA·(T⁴ − T_a⁴) et hA·(T − T_a) ; l’ombre d’un nuage qui traverse le champ. Ni réfraction dans l’air, ni poussière sur les miroirs.
À essayer
Démarrez à 9 h et regardez le récepteur chauffer à mesure que le soleil monte. Répartissez les points de visée ou réduisez le récepteur et lisez le facteur d’interception ; faites passer un nuage et regardez la température baisser.
Équations du module
Équations n = (s + t)/|s + t| r = 2·(s·n)·n − s I_b = 1353·0.7^(AM^0.678), AM = 1/sin h C·dT/dt = α·P − εσA·(T⁴ − T_a⁴) − hA·(T − T_a)
