Concentrateur solaire non-parabolique

[remyb]

Ca fait quelque temps que je cherchais un intermédiaire entre :
- le capteur solaire plan, simple, sans réglage mais peu puissant
- le reflecteur parabolique, puissant mais avec l'obligation de faire un calage angulaire en permanance

Je pense avoir trouver une façon de tracer des réflecteurs en forme de ω qui permettent celà .
Aprés coup, j'ai trouvé quelques liens sur le net qui présentent les CPC (Concentrateur Parabolique Composé), mais je ne sais pas si ca correspond exactement parce que je n'utilise pas de parabole (c'est pas trés loin quand même...). Donc, si vous avez des info sur les CPC, ca m'interesse.

Sur l'image jointe, j'ai tracé un réflecteur pour une utilisation en tant que capteur pour chauffeau. Il faut imaginer un fluide caloriporteur circulant dans des tuyau horizontaux (en orange sur l'image). La partie en jaune sert d'isolant thermique et de support au réflecteur ω. Les deux traits matérialisent une vitre de protection.

Pour le tracer du réflecteur, j'ai pris en compte les contraintes suivantes :
- Inclinaison du capteur 45° (pente à 100%)
- Pour des hauteurs de soleil comprise entre 0° et +60°, les rayons sont concentrés sur le tuyau "cible" (facteur de concentration maxi pour 45° : 4,4x )
- Au dessus de 60°, les rayons ne sont plus concentrés
- Au dessus de 75°, le tuyau cible est carrément à l'ombre
- Vu d'en dessous (c'est à dire du sol si le capteur est sur un toit ), le capteur apparait noir (plus exactement de la couleur de la cible)

Sur l'image, la partie en bas à droite permet de déterminer la concentration théorique en fonction de l'azimut et de la hauteur du soleil. Combiner avec le diagramme solaire, on peut évaluer la puissance en fonction des saisons.

Si je ne me trompe pas, le résultat devrait être un capteur solaire
- protégé des surchauffes estivales (on risque, au contraire d'avoir un marque en été ! mais je peux corriger le tracer )
- performant en intersaison et en hivers (concentration entre 3 et 4)
- "relativement" performant lorsque le soleil est voilée (à mon avis, c'est mieux qu'une parabole car le reflecteur ω concentre tout de -40° à +60°)
- la complexité du réflecteur est partiellement compensé par la simplicité du capteur (un simple thuyau noir). Donc le coût de fabrication n'est, peut-être pas exhorbitant.

Maintenant, votre avis m'interesse .
En particulier :
- un facteur de concentration de 3 à 4 soleil est-il suffisant pour avoir un effet sur les pertes et un gain en température par rapport à un capteur plan. (Remarque : Si on voulait augmenter le facteur de concentration on serait oblige de diminuer l'ouverture. On ne peut pas gagner sur tout les points ! )
- le fait que le capteur semble noir vu du sol est-il obligatoire ? Un capteur "éblouissant" en été serait-il interdit ?
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[Larixd]

Bonjour,
L'idée est ingénieuse, mais j'avoue que son véritable intérêt m'échappe un peu. En effet, la quantité totale de rayonnement reçu ne changera pas. Seule la température du liquide augmentera, mais avec quel bénéfice ? Un fluide caloporteur plus chaud implique un delta T plus important avec le milieu ambiant donc des déperditions plus élevées. Au final, le rendement n'en pâtirait-il pas ?

[Larixd]

Un capteur "éblouissant" en été serait-il interdit ?

C'est bien possible, les pilotes d'aéronefs (avion, hélico, ULM), et donc l'armée, y verraient sans doute à redire.

[remyb]

En effet, la quantité totale de rayonnement reçu ne changera pas. Seule la température du liquide augmentera, mais avec quel bénéfice ? Un fluide caloporteur plus chaud implique un delta T plus important avec le milieu ambiant donc des déperditions plus élevées. Au final, le rendement n'en pâtirait-il pas ?

Je ne suis pas sur de ma réponse, corrigez moi si je me trompe :
Avec des capteurs parfaitement isolés (genre tube sous vide d'air), avec le même rayonnement reçu, on obtient la même quantité de chaleur et donc la même température de sortie (à débit égal, bien sur). Donc, avec une isolation parfaite, le fait de concentré n'a pas d'intérêt... (à un petit détail quand même : il est plus facile d'isoler une petite surface qu'une grande. Mais, c'est pas le plus important ici)

Si, au contraire, l'isolation est imparfaite, les pertes seront, grossomodo proportionnelle à la surface en contact avec l'air. Le fait de concentrer permet de limiter cette surface, donc de limiter les pertes . Par exemple, au point de focalisation d'une parabole, on ne cherche même pas à isolé !

A mon avis, ce qui augmente avec la concentration, c'est la température de stagnation (c'est à dire la température pour laquel les pertes thermiques dans le capteur sont égales au rayonnement recus). C'est à dire, dans le cas ou le fluide caloporteur ne circule pas. Or débit nul = puissance fournie nulle =aucun intérêt (temps que le capteur ne fond pas, bien sur !)
Au passage, je pense que cette température est fonction de la température de l'air ambiant. Est-ce exprimé en delta par rapport à la température de l'air Ca me semblerait logique...

Toujours est-il que, en hivers, le faible ensoleilement et les basses températures empéchent tout risque de surchauffe. A ce moment là, la concentration, en limitant les pertes, me semble une bonne chose.
Ce n'est pas le cas en été. En cas de non consommation d'ECS, le circuit risque de monter trop haut en température (jusqu'à la température de stagnation ou la destruction des joints, conduites, etc...)

En été, l'absence de concentration du reflecteur ω va entrainé une baisse importante de la température de stagnation => pas de risque de surchauffe
C'est cette modulation des caractéristiques du capteur (en particulier la température de stagnation) en fonction de la hauteur du soleil qui me semble intéressante .
Attention, je dis intéressant, pas magique. En effet, cette diminution se fait par une diminution artificielle de la surface de captation, donc une baisse de la puissance de chauffe.
C'est un peu comme si, pendant l'été, on couvrait la moitié de son capteur solaire par une bache... Mais sans avoir à monter sur le toit !
Ou plus précisément, c'est comme si on avait 8m2 de capteur sous vides pendant l'hivers, mais seulement 4m2 de capteur plan l'été.

[A voir en vidéo sur Futura]

[remyb]

C'est bien possible, les pilotes d'aéronefs (avion, hélico, ULM), et donc l'armée, y verraient sans doute à redire.

Je pensais plutôt à des problèmes vu du sol.
En effet, le reflecteur a pour objectif premier de concentré les rayons sur la cible. S'il loupe la cible, la concentration se transforme en une divergence . A quelques métres (ou quelques dizaines de métres), ca peut être génant.
Mais, à mon avis, dés qu'on s'éloigne vraiment, la divergence fait que ca ne pose plus de problème.
Donc, si l'aéronef ne fait pas du rase motte, c'est sans doute moins génant pour lui que la réflection d'un plan d'eau (sans vague, la réflection n'est pas divergeante ).

[invite29a9c993]

Ca fait quelque temps que je cherchais un intermédiaire entre :
- le capteur solaire plan, simple, sans réglage mais peu puissant
- le reflecteur parabolique, puissant mais avec l'obligation de faire un calage angulaire en permanance

Je pense avoir trouver une façon de tracer des réflecteurs en forme de ω qui permettent celà .
Aprés coup, j'ai trouvé quelques liens sur le net qui présentent les CPC (Concentrateur Parabolique Composé), mais je ne sais pas si ca correspond exactement parce que je n'utilise pas de parabole (c'est pas trés loin quand même...). Donc, si vous avez des info sur les CPC, ca m'interesse.

La société Open Energy Corporation a développé un concentrateur original, le Suncon CSP, qui pourraît t'intéresser :
http://www.openenergycorp.com/suncone/suncone.php

[albert123456]

Je pensais plutôt à des problèmes vu du sol.
En effet, le reflecteur a pour objectif premier de concentré les rayons sur la cible. S'il loupe la cible, la concentration se transforme en une divergence . A quelques métres (ou quelques dizaines de métres), ca peut être génant.
Mais, à mon avis, dés qu'on s'éloigne vraiment, la divergence fait que ca ne pose plus de problème.
Donc, si l'aéronef ne fait pas du rase motte, c'est sans doute moins génant pour lui que la réflection d'un plan d'eau (sans vague, la réflection n'est pas divergeante ).

Slt Suis tout neuf ! me suis inscrit pour pouvoir te repondre. Je suis à la recherche d'idées pour de nouveau type de capteurs car je ne peux pas imaginer que cette technologie rustique connaisse si peu d'évolution.
L'idée d'un capteur parabolique sans dispositif suiveur est très séduisante.
Le probleme d'un échauffement trop important est à mon avis un faux probleme, le moment venu on trouvera toujours une solution (s'il le faut on fera circuler du sodium liquide! ce qui entre nous serait signe d'un succès éclatant).
En revanche, tout ce qui va contribuer à capter et transferer un maximum de chaleur sous un minimum de poids (en gros le prix d'un engin est proportionnel à son poids) est le bienvenu. Si j'ai bien compris, ton capteur est cylindro-patatoïdique. On peut donc le fermer sur le dessus par une vitre, eventuellement isolante elle même (double) pour eviter les deperditions?
As tu donné des dimensions à ta patatoide de reflexion?
Envisages tu un capteur long très large et unique avec un gros collecteur ou une serie de capteur étroit peu epais et multiples (un peu comme les batteries de tubes sous vide), avec les collecteurs reliés en parallele?

[remyb]

L'idée d'un capteur parabolique sans dispositif suiveur est très séduisante.
Le probleme d'un échauffement trop important est à mon avis un faux probleme, le moment venu on trouvera toujours une solution (s'il le faut on fera circuler du sodium liquide! ce qui entre nous serait signe d'un succès éclatant).
En revanche, tout ce qui va contribuer à capter et transferer un maximum de chaleur sous un minimum de poids (en gros le prix d'un engin est proportionnel à son poids) est le bienvenu.

Pour une utilisation chauffeau, la sur-chauffe est un problème. Pour d'autre utilisation (exemple couplage avec un moteur stirling), la surchauffe est effectivement bon signe .
Avant de trop rêver : il faut bien comprendre que le facteur de concentration est fonction de l'ouverture (je ne connais pas la formule, mais c'est sans doute du 1/x).
Autrement dit, pour avoir une concentration trés importante, il faut pointé précisément le soleil (dans ce cas, c'est comme une parabole...)
Si par contre si on peut se contenter d'une concentration plus faible, on a "droit" à une erreur de pointage plus grande.
Autre chose, il n'y a pas une, mais de 1 à n réflexions avant de toucher la cible. Ce qui veut dire des pertes un peu plus importantes que dans une parabole classique...
Enfin, au plus on veut concentré, ou plus la réflecteur se creuse ... et les difficultés de fablication augmente.
A priori, on peut miser sur 4x sans aucun positionnement
10x avec un positionnement par mois pour 4h de fonctionnement à plein régime par jour.

Si j'ai bien compris, ton capteur est cylindro-patatoïdique. On peut donc le fermer sur le dessus par une vitre,

Dans l'optique chauffeau, ca me semble le plus simple à réaliser (donc moins cher)
De plus, l'axe du cylindre étant Est-Ouest, l'azimut du soleil n'a pas trop d'importance.
A priori, le sphéro-patatoïde doit fonctionner aussi. La cible est alors une petite sphére, mais il faut un positionnement dans les deux directions (positionnement plus ou moins précis suivant l'ouverture)...

As tu donné des dimensions à ta patatoide de reflexion?
Envisages tu un capteur long très large et unique avec un gros collecteur ou une serie de capteur étroit peu epais et multiples (un peu comme les batteries de tubes sous vide), avec les collecteurs reliés en parallele?

Toujours dans l'optique chauffeau, j'obtiens les dimensions suivantes :
- diamétres du tuyau : 16mm (un classique en plomberie !)
- largeur de la vitre (ouverture) : 70mm / tuyau
- profondeur (de la vitre jusqu'au fond du reflecteur): 70mm
- auquel il faut ajouter un isolant (70mm ?) pour obtenir l'épaisseur totale environ : 150mm
- longueur : comme on veut ! (1 à 2m me semble un bon ordre de grandeur)
- nombre de tuyau : comme on veut !
Bien sur, on peut obtenir d'autres dimentionnements par homothétie

J'ai pensé à une autre application : un four de cuisine.
Il faut imaginer une cuisine avec une porte fenêtre plein sud.
Sauf qu'au lieu de mettre une porte fenêtre, on met :
- une vitre fixe (éventuellement double vitrage )
- une reflecteur sphéro-patatoide
- un four à l'emplacement de la cible avec ouverture par l'arriere du réflecteur
Avec un bon dimensionnement, on doit pouvoir avoir un four qui fontionne "gratuitement" de 10h à 14h tous les jours ensoleillée de l'année. Les jours ou le soleil est voilé, on obtient qu'une pré-chauffe, mais c'est déjà ça !
Il faut prévoir un store pour l'arrêter en été quand on cuisine pas.
En hivers, on fait tourner le four même si on cuisine pas, ca chauffe la maison "gratuitement" ! (c'est le meme principe qu'un mur trombe, mais avec moins d'inertie quand même).

[albert123456]

Estce que tu as un dessin détaillé de cette patatoide ...Je pense aussi qu'il existe un compromis entre le capteur plan simple et le capteur sous vide efficace mais cher et fragile et la parabole avec suiveur. Le compromis c'est uniquement un probleme de geomètrie. Le reste c'est de la mécanique agricole, un peu d'hyraulique et du génie..nous ne manquons de rien.

[albert123456]

Tiens lis ça RemyB!
...j'ai voulu commander le texte entier mais le lien est cassé. J'ai trouvé ça sur un site du CNRS:

Résumé / Abstract
A new two-dimensional concentrator for solar energy collection has been developed. The concentrator has the following advantages, when compared with the classic Compound Parabolic Concentrators invented by Roland Winston, W. T Welford, A. Rabl, Baranov, and other researchers: 1) It allows the use of parabolic mirrors, which have a reflecting area much smaller for a given concentration ratio and acceptance angle. 2) Between the mirror and the absorber, there is a large gap so that conduction losses are reduced. Convection losses can be reduced, too, if the absorber is enclosed within a glass tube. 3) It can be easily manufactured. Instead of seeking the shape of the mirrors for a given shape of the absorber, we have made the inverse statement of the problem, and we have obtained the optimal shapes of the absorbers with a prescribed acceptance angle, for parabolic mirrors, assuming that the intercept factor is unity, the mirrors are perfect, and the absorber surfaces are convex. The concentrator should be east-west oriented, and could be seasonal or monthly tilt adjusted. This concentrator could have many practical applications, such as fluid heating, steam generation, etc.

On gagnerait du temps je crois à lire cet article

[albert123456]

le lien du cnrs c'est:

http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=13542571

[remyb]

On gagnerait du temps je crois à lire cet article

Si j'ai bien compris, il font plutot l'inverse :
Ils modifient la forme de la cible pour optimiser la réflection de deux miroirs parabolique (CPC)

[Larixd]

Non, décidément, j'ai beau réfléchir, l'intérêt de ce système m'échappe.
À conditions égales (orientation, pente, surface, débit), le fluide des capteurs plan et CNP montera à la même température. Le premier aura même un rendement légèrement supérieur l'hiver en montagne puisqu'il peut y profiter du rayonnement renvoyé par les pentes enneigées. Même la perte (intéressante) de rendement du CNP en été ne me parait pas acquise.
Enfin, les couts de fabrication du CNP risquent de le rendre fort peu compétitif.
Un concentrateur est utile lorsque qu'on a besoin de températures relativement élevées (au détriment du débit dans le cas d'utilisation d'un fluide caloporteur) comme pour la cuisson ou le fonctionnement d'un moteur Stirling, mais il est superflu pour chauffer de l'eau sanitaire.

[remyb]

@ Larixd
Tout d'abord, merci pour ces remarques intéressants.

La captation des capteurs plan est, effectivement, trés importante. Mais je pensais que les pertes thermiques étaient non négligeables (en tous cas, en hivers). Sinon pourquoi faire des capteurs à tubes sous vide ???

Pour les pentes enneigées, je n'y avais pas pensé .
Mais, j'ai de la chance : le CNP capte de -40° à 60°, donc, il faudrait que la montagne soit au dessus de la maison pour que sa réflexion soit perdue.
Par rapport au capteurs plan, le CNP perds les rayons entre 60° et 135°. C'est à dire les rayons qui arrivent de la verticale.
Je ne peux pas dire si la diminussion espérée des pertes thermiques du CNP compensent la baisse de captation d'un jour blanc d'hivers...

Pour la perte en été, je suis quasiment sur de moi. Il suffit de tracer un rayon vertical : soit il se réflechit sur la partie basse et resort directement, soit il fait se réflechit 3 fois (ou plus) et resort sans jamais toucher la cible.

Quand je mets ces deux phrases cote à cote :

À conditions égales (orientation, pente, surface, débit), le fluide des capteurs plan et CNP montera à la même température.
...
Un concentrateur est utile lorsque qu'on a besoin de températures relativement élevées

A premiére vue, j'y vois une contradiction... Et pourtant, ça me semble pas stupide
Ca vient peut-être de la surface d'échange entre le capteur "noir" et le fluide caloporteur. En concentrant fortement, on réduit les pertes, mais on réduite aussi les surfaces d'échange, je suis complétement d'accord.
Mais en concentrant faiblement, ce n'est pas tout à fait pareil...

En effet, sur un capteur plan la face arriére n'est pas directement chauffée. C'est presque une face inutile...
Alors d'un CNP concentre sur l'ensemble du cercle (y compris la face arriére), et les échanges de chaleur se font sur l'ensemble de ce cercle.
Comme il y a un rapport de pi entre le diamétre et la surface, et avec un facteur de concentration de 4x, si on "déroule" le cercle, on couvre plus ou moins l'ensemble du capteur.
On peut donc comparer le CNP avec un capteur plan qui n'aurait pas de face arriere

[polo974]

Pour les germanisants
on y trouve ça:

miroir concentrateur parabolique composé (cpc pour les intimes)(ça me rappelle un dessin...)

et ailleurs toujours à propos du cpc:

Résumé. Le développement du concentrateur parabolique composé (CPC) est à l'origine de l'optique non-imageante. Ce dispositif est composé de deux réflecteurs paraboliques disposés en vis-à-vis. Il permet de réaliser la concentration de facteur maximum en deux dimensions pour une ouverture angulaire uniforme donnée, de manière idéale - c'est à dire telle que le faisceau délimité par ce secteur soit transmis intégralement. De plus, les incidences extrêmes de ce faisceau variant de manière monotone de l'entrée à la sortie, le dispositif est dit compact. En vertu du principe de conservation de l'étendue géométrique, en effet, cette propriété conditionne l'encombrement latérale du dispositif.

[remyb]

Ce que j'ai trouvé de plus approchant, c'est ça :
http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/JI...&%20al_Web.pdf
La combinaison développante de cercle + arc de parabole est proche de mon tracé.
Mais, ils alignent des kilométres de formule sans donner un sens physique au réflecteur.
Par exemple, pour moi, la transition entre les deux courbe doit se faire en fonction de la hauteur maxi du soleil.
Garder une partie d'isolant à l'arriére, c'est réduire la surface de captation.

[albert123456]

j'obtiens les dimensions suivantes :
- diamétres du tuyau : 16mm (un classique en plomberie !)
- largeur de la vitre (ouverture) : 70mm / tuyau
- profondeur (de la vitre jusqu'au fond du reflecteur): 70mm
- auquel il faut ajouter un isolant (70mm ?) pour obtenir l'épaisseur totale environ : 150mm
- longueur : comme on veut ! (1 à 2m me semble un bon ordre de grandeur)
- nombre de tuyau : comme on veut !
Bien sur, on peut obtenir d'autres dimentionnements par homothétie


Quels raisons de choisir ces dimensions? Pourquoi cehrcehr à imiter le capteur sous vide et ne pas en profiter qpour se permetrece que lui ne peux pas se permettre pour des raison mécaniques et economiques: des grands diam de tube?
Pourquoi ne pas penser à un capteur (je dis au pif sans avoir rien tracé) de 500 mm d'ouverture avec un tuyau de 100 ou 150mm longeur 2000 mm. Voire encore plus grand....et au lieu de monter 20 tubes sur le toit, monter 5 tubes sur un support planté dans le jardin...L'inertie serait bien plus grande...la quantité d'energie captée par kg de capteur serait bien plus grande donc le prix de revient bien inférieur...

[albert123456]

que j'ai trouvé de plus approchant, c'est ça :
http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/JI...&%20al_Web.pdf
La combinaison développante de cercle + arc de parabole est proche de mon tracé.

C'est bien ce que je pensais, cette affaire est uniquement un question de géomètrie..Mais quelle géomètrie !!!

Garder une partie d'isolant à l'arriére, c'est réduire la surface de captation

Visiblement tu suis ton idée! mais pour moi qui prend le train en marche, je ne vois pas bien pourquoi...

J'aimerais beaucoup tracer une section et faire varier ce dessin en fonction de divers paramètres. L'as tu fais ? par exemple avec excel pour commencer et ensuite on pourrait essayer avec un logiciel de dessin paramètrable..

[remyb]

Pourquoi ne pas penser à un capteur (je dis au pif sans avoir rien tracé) de 500 mm d'ouverture avec un tuyau de 100 ou 150mm longeur 2000 mm. Voire encore plus grand....et au lieu de monter 20 tubes sur le toit, monter 5 tubes sur un support planté dans le jardin...L'inertie serait bien plus grande...la quantité d'energie captée par kg de capteur serait bien plus grande donc le prix de revient bien inférieur...

Dans le lien du poste précédent, ils concentrent le soleil directement sur le ballon !
C'est une bonne solution pour les pays chauds. Mais, si les nuits sont fraiches, il vaut mieux mettre la réserve d'eau à l'interieur de la maison (en hivers, les pertes du ballons chauffe la maison, c'est toujours ça de pas complétement perdu )

Pour le capteur, l'inertie ne semble une mauvaise chose. S'il y a une courte éclaircie :
- un capteur à forte inertie n'aura pas le temps d'atteindre la température du ballon => pas de chauf.
- un capteur à faible inertie sera plus vite utile.

La seule limite, c'est qu'il ne faut pas trop de pertes de charge dans le capteur sinon le gain est perdu dans la pompe ou le themosiphon ne démarre pas.

Pour le jardin, le poids n'a pas d'importance, et on a l'avantage de pouvoir ajuster l'angle en fonction des saisons. Mais on a moins de place pour faire poussée des carottes .
Pour une disposition sur un toit, il faut faire léger, pas trop épais (si on veut aménager les combles ) et, de préférence, sans réglage (difficile d'accés).

[albert123456]

Dans le lien du poste précédent, ils concentrent le soleil directement sur le ballon !

Certes oui mais je ne pensais pas à faire le reservoir dans le capteur simplement faire un gros capteur avec une large ouverture et donc un tube collecteur en rapport. Bien entendu le stockage de liquid ecaloporteur reste en bas. L'idée étant que dans un gros systeme on a moins de pertes.

C'est une bonne solution pour les pays chauds. Mais, si les nuits sont fraiches, il vaut mieux mettre la réserve d'eau à l'interieur de la maison (en hivers, les pertes du ballons chauffe la maison, c'est toujours ça de pas complétement perdu )

Pour le capteur, l'inertie ne semble une mauvaise chose. S'il y a une courte éclaircie :
- un capteur à forte inertie n'aura pas le temps d'atteindre la température du ballon => pas de chauf.
- un capteur à faible inertie sera plus vite utile.

La quantité de calories transférées reste la même...et c'est ce qui est important . Mais le rendement est meilleur car il y a moins de pertes en chauffant à basse temperature qu'à haute temperature...

La seule limite, c'est qu'il ne faut pas trop de pertes de charge dans le capteur sinon le gain est perdu dans la pompe ou le themosiphon ne démarre pas.

et donc plus les tuyaux sont gros moins il ya de pertes d e charge...!!

Pour le jardin, le poids n'a pas d'importance, et on a l'avantage de pouvoir ajuster l'angle en fonction des saisons. Mais on a moins de place pour faire poussée des carottes .
Pour une disposition sur un toit, il faut faire léger, pas trop épais (si on veut aménager les combles ) et, de préférence, sans réglage (difficile d'accés).

Ici encore...quelles limites?

Pour résumer ma pensée (parfois un peu confuse je le reconnais): Ton idée est bonne et même excellente. Il faut lui donner maintenant une réalité dimensionnelle. Le fonctionel est adopté mais on ne pourra avancer qu'en donnant des grandeurs qui le définissent parfaitement. Ces grandeurs il ne faut pas les déduires ou les inventer de toute piece mais les justifier par des choix pratiques réalistes economique physique et non pas par "c'est pas lourd, .ça marche bien..ça coule pas bien..c'est cher etc.." Ce capteur que nous imaginons ne met pas en oeuvre des connaissances hors de notre portée.
Donc le bon début pour avancer et valider serait de tracer LA ou les 2 ou 3 courbes qui nous conviennent (bonne concentration, réalignement minimum etc) et ensuite on calcule et par essais successifs on aboutira à un certain nombre de solutions acceptables ou non.
Peux tu faire une liste des paramètres de la courbe ?....

[Larixd]

tracer un rayon vertical

Sous nos latitudes, le soleil n'est jamais à la verticale.

A premiére vue, j'y vois une contradiction...

Non, il n'y a pas contradiction, la température peut monter avec un concentrateur plus qu'avec un plan à condition de diminuer le débit.
Pour mieux me faire comprendre, je vais imaginer une expérience avec 4 récepteurs : 1 plan, 1 avec tubes à vide, 1 parabolique et ton cnp. Tous les quatre ont une surface de capteur de 1m² (soit 10 000 cm²et sont orientés convenablement, le fluide caloporteur ne circule pas. Tous les quatre vont recevoir exactement la même quantité d'énergie solaire.
Dans le capteur plan, la température va monter jusqu'à un certain maximum (mettons 100 à 150°C). Cette température ne pourra pas être dépassée car alors les pertes par rayonnement et convection sont égales à l'apport solaire.
Dans le capteur avec tubes à vide il n'y plus de pertes par convection, la température va donc monter plus haut (peut-être 200°C).
Dans un capteur parabolique, la "chaudière" va faire, disons 100 cm², comme elle reçoit la même quantité d'énergie mais concentrée 100 fois, on pourrait penser qu'elle va monter vers 10 000°C. Il n'en est évidemment rien car les pertes sont alors considérables (*) d'autant plus que, comme tu l'as fait remarquer, il n'y a aucune isolation. En effet, si tu mets une casserole d'un litre d'eau bouillante dans une pièce à 20°C, il ne lui faudra que quelques secondes pour perdre 5°C (soit 5 000 calories) alors qu'il lui faudra plusieurs minutes pour perdre la même quantité de chaleur si elle est à 25°C (la courbe est hyperbolique). Je ne sais pas à quel niveau se situe le point d'équilibre gains/pertes, mais il est très bas (guère plus de 2 ou 300°C, j'imagine). L'intérêt de ce système réside essentiellement dans la vitesse de montée en température, il ne faut pas attendre des heures pour faire boullir de l'eau.
Ton capteur CNP pourrait monter à 300°C, mais à condition d'isoler parfaitement les tubes.
Maintenant, si le fluide caloporteur circule, tout change car les capteurs seront refroidis par l'apport de fluide neuf qui ne pourra se réchauffer qu'en proportion de l'énergie reçue. Donc, pour un débit optimum (il ne sert à rien pour un chauffe-eau de monter à plus de 70°C), la différence de rendement des quatre systèmes sera uniquement liée à la réduction des pertes, c'est-à-dire à l'isolation.

(*) Pour info, le four solaire d'Odeillo-Via (Pyrénnées Orientales) monte à une température de 3800°C pour une surface captée de 2000m², soit un rendement de moins de 2°C par m² !

Ce qui prouve que concentration ne rime pas avec rendement. Pour un bon rendement il faut travailler avec une température la plus voisine possible de celle ambiante.

Je ne pense pas pour autant que ton système ne vaille rien. Je crois seulement qu'il n'est pas adapté à la production d'eau chaude. Mais il y a une autre piste à explorer.

[albert123456]

Sous nos latitudes le soleil n'est jamais à la verticale....
C'est vrai le soleil n'est jamais à la verticale... du sol. Mais il est à la verticale (relative!) du capteur. Il faudrait plutot parler de rayons perpendiculaires ou normaux..

Pour ce qui concerne les calculs avec les degres C°... Cette unité n'a aucune réalité physique. C'est une simple convention. Zero watt on comprend pysiquement ce que c'est, c'est 0 puissance . 0°C...c'est pas temperature zero ...
Ceci pour dire que diviser des degres par des m² et en déduire un rendement ou un efficacité ne donne pas le même resultat si on utilise un autre systeme de mesure de temperature (°F ou °K ou °X )..Ne pas confondre energie travail puissance force etc...La temperature n'est qu'anecdotique dans notre affaire. Pour etre clair: on peut dispenser plus de quantité de chaleur par m² d'un capteur quelquonque à 30°C qu'à 150°C..et c'est là notre probleme: comment capter la plus grande quantité de chaleur avec la plus petite surface de capteur (ou mieux: le m² de capteur le moins cher)....Ensuite on se débrouillera si on a dépassé le seuil qui nou sinteresse soit 60 ou 70°C pour l'eau chaude sanitaire...

[remyb]

Sous nos latitudes, le soleil n'est jamais à la verticale.

Je sais que le soleil n'est jamais à la verticale (même si, en présence de nuages, une partie de les rayons diffus sont verticaux).
En traçant, un rayon à 80°, on obtient la même chose, sauf que le nombre de réflexion est souvant plus important (donc plus difficile à suivre). Mais on finit toujours par resortir.
Entre 80° et 60°, soit on touche en direct la cible, soit aprés un certain nombre les réflexions, on resort sans avoir touché la cible.
A 60°, soit on touche la cible en direct, soit les rayons touchent la cible de façon tangente à la surface de la cible.
En dessous de 60°, ils traversent TOUS la cible .

Dans le capteur plan, la température va monter jusqu'à un certain maximum (mettons 100 à 150°C). Cette température ne pourra pas être dépassée car alors les pertes par rayonnement et convection sont égales à l'apport solaire.
Dans le capteur avec tubes à vide il n'y plus de pertes par convection, la température va donc monter plus haut (peut-être 200°C).
...
Ton capteur CNP pourrait monter à 300°C, mais à condition d'isoler parfaitement les tubes.

Avec un facteur de concentration de 4x, ca ne montera à 300°C que si l'on utilise un tube sous vide pour la cible. C'est sans doute une bonne option pour faire tourner une turbine ou un moteur stirling.
Pour chauffer de l'eau sanitaire, je suis d'accord avec toi : ca ne sert à rien. Et la combinaison tube sous vide + CNP couterait cher.

Mais, pour la cible, je ne pensais pas à des tubes sous vide, seulement à un banal tuyau (un noir, quand même !).
Suivant le soin à porter à l'isolation autour (vitre et arriére, comme dans un capteur plan), la température devrait être un peu au dessus de la fourchette des capteurs plan, en hivers et en intersaison.
En été, il sera difficile de dépasser les 100°C (le soleil est trop haut, > 60°).

Enfin, les couts de fabrication du CNP risquent de le rendre fort peu compétitif.

Autoconstruction !

Il faut :
- une vitre (standard)
- un tuyau de cuivre (standard "plomberie")
- deux raccordements (standard "plomberie")
- de la peinture noir mat
- un caisson en bois (avec de l'isolant )
- du papier d'aluminum réfléchissant (standard "alimentaire")
Jusque là, rien de compliquer.

Reste la forme CNP pour supporter le papier d'aluminium. Il faut lister les contraintes qui s'appliquent sur ce support :
- géométrique ? Trés importante.
- mécanique ? Supporter son propre poids et le poids du papier d'alu. Autant dire rien !
- thermique ? Le papier d'alu protége du soleil, il n'y a pas de contact avec le caloduc, reste les pertes thermiques transmise au papier d'alu par convection d'air.
- pression ? Le fluide est dans le tuyau, pression atmosphérique ailleurs.
- chimique et autres ? La vitre et le caisson créait une enceinte close, si le tuyau ne fuit pas, il reste que l'éventuelle condensation (sachant que le papier d'alu doit faire un barrage partiel).

Conclusion => Il n'y a quasiment que des contraintes géométrique . Il faut donc a matériaux facile travailler, c'est tout.
J'ai pensé à du carton ondulé (si possible récupérer ).
On coupe des bandes que l'on colle cote à cote de façon à suivre la courbe en formant des escaliers. Ensuite, avec du papier maché (ou quelque chose du genre), on mastique de façon à boucher les trous du carton et à lisser la courbe. Une fois sec, on peut finioller avec du papier de verre.
Pour les parties trop fines (donc fragile). On peut utiliser du balza que l'on peut mettre en forme facilement avec du papier de verre.

Bien sur, on sera loin du gain théorique maxi !
Pour que ca marche, il faut ajouter une petite correction d'incidence sur la cible qui autorise de petites erreurs géométrique (et baisse un peu le gain ).
Le papier d'alu n'est pas une réfléchissant parfait : La majorité du rayon incident est réfléchie, mais une petite partie est diffusé et une petite partie est absorbée.
Idem pour la cible : La majorité du rayon est absordé, mais une partie est diffusée (si la peinture n'est pas suffisement mat ).

Les pertes seront :
La moitié du rayonnement diffusé par le papier d'alu (multiplié par le nombre de réflexions), ainsi que les rayons réfléchis par la cible.
Les pertes thermiques au travers de la vitre et du caisson en bois (fonction de l'isolation).

On pourrait croire que c'est comme un capteur plan, sauf que l'intérieur du capteur CNP est moins chaud ! C'est le principe inverse d'un radiateurs basses températures :
A température de caloduc égale (= environ température du fluide caloporteur), un petit radiateur (la cible du CNP) chauffera moins l'air qu'un grand (le capteur plan).

Avec un coût de (auto-)construction proche d'un capteur plan, on obtient :
- un capteur performant en hivers et inter saison
- sans risque de surchauffe l'été
Est-ce que j'ai réussit à te convaincre ?

[remyb]

EUREKA

Ce qui m'embétait le plus dans le lien de polo974

ailleurs toujours à propos du cpc:

C'est ça :

Une condition suffisante d'unicité de la solution du problème de la concentration maximum par réflexion en deux dimensions
...
Il est démontré ici que, moyennant une restriction sur l'ouverture angulaire, le CPC est l'unique solution compacte d'étendue directe maximum au problème de la concentration maximum par réflexion en deux dimensions.

Intuitivement, mes tracés me semblaient une meilleure solution que les CPC, mais jusqu'à aujourd'hui, je ne comprenais pas pourquoi. En plus, ça remettait en cause l'unicté de solution du lien .

J'avais déjà remarqué que la parabole était un cas particulier du tracé : cible ponctielle, angle d'ouverture nulle (x2), distance infinie (x2), longueur focale non nulle, symétrique, sans distortion.

J'ai enfin compris à quoi correspondent les CPC de R.WINSTON : cible rectiligne (épaisseur nulle), angle d'ouverture non nulle (x2), distance infinie (x2), longueur focale nulle, symétrique, sans distortion.

Si on veut concentré sur un seul coté d'une cellule photovoltaique (surface plane), le CPC est le idéal. C'est vrai
Si on veut concentré sur autre chose (en particulier quelque chose qui a une épaisseur), NON. C'est un CNP qu'il faut

Maintenant, je suis certain que mes tracés sont exacts

@ albert123456, voici plus ou moins la répond à une de tes questions :
Mes tracés reposent sur :
- une forme de cible quelconque (concave)
- eventuellement, une correction d'incidence sur la cible (concave)
- un angle d'ouverture réél
- un angle d'ouverture virtuel
- un angle de distortion entre l'ouverture réel et virtuelle
- deux distances (éventuellement infinies)
- une longueur focale moyenne
- une différence de longueur focale (disymétrie)

Remarque : Sur toutes les courbes que j'ai tracées, j'ai remarqué que le gain maximum dépendait surtout des angles d'ouverture.

[Larixd]

n'a aucune réalité physique

Si bien sûr.

c'est une simple convention

Comme toutes les unités de mesure (sauf c) mais on est hors sujet.

Ensuite, j'aurais efectivement pu parler de Joules plutôt que de degrés mais ça n'aurait évidemment rien changé.

Enfin mon rapport °C/m² était effectivement maladroit mais c'était juste une illustration.

De toutes façons ça ne change rien au principe :
Plus la température du caloporteur augmente, plus les déperditions sont élevées et plus le rendement baisse.

[Larixd]

À remyb :
OK, je vois qu'on arrive à se comprendre
Mais en ce qui concerne le carton ondulé, ça ne me parait pas terrible. Mais quoi d'autre ? La mousse polyuréthane serait bien mais ce n'est vraiement pas écolo. Le béton cellulaire, peut-être ?
Autre chose, en France la «hauteur» du soleil ne dépasse jamais 60°, même au solstice d'été (45° de latitude + 15° d'inclinaison de l'axe de rotation).

[remyb]

Mais en ce qui concerne le carton ondulé, ça ne me parait pas terrible. Mais quoi d'autre ? La mousse polyuréthane serait bien mais ce n'est vraiement pas écolo. Le béton cellulaire, peut-être ?

Le carton ondulé, c'est la premiére chose que j'ai eu sous les yeux. C'était surtout pour faire comprendre que presque n'importe quoi peut convenir.
Le béton cellulaire, ca me semble une excellente idée. Peux-être un peu cassant pour des petits réflecteurs. Mais pour des grandes tailles, c'est super !

Autre chose, en France la «hauteur» du soleil ne dépasse jamais 60°, même au solstice d'été (45° de latitude + 15° d'inclinaison de l'axe de rotation).

On m'aurait menti ? C'est pas 22° d'inclinaison ?
A la limite, peu importe.
Le tracé de la photo est fait avec 60°. On peut en faire avec 50° sans problème. Le seul "problème", ça sera un facteur de concentration plus important .

Au sujet du facteur de concentration, aprés une nuit de réflexion (et quelques enguelades car j'ai réveillé plusieurs fois mon épouse ), je pense avoir trouvé la formule qui lie le facteur de concentration maximum (Fx) et l'ouverture (φ).

Fx = (C/D) / [ (1-cos(φ))sin(φ/2)]

Ou
- C est la circonférence de cible (concave)
- D est la largueur de la cible
Cette formule est valable pour des CNP symétriques, distance infinie, sans distortion, etc... Le cas "optimum".

Ce qui veut dire que quand φ tent vers zéro, ca se comporte comme 1/φ^3
L'inconvéniant, c'est que la profondueur P (distance entre la vitre et la cible) vari comme 1/φ^4

P = (Fx * D) / tan(φ/2)

Autant dire que la pronfondeur grandit trés vite si on veut rester au facteur de concentration maxi pour des faibles ouvertures.

Pour donner quelque ordre de grandeur :
Pour un φ de 180° => Fx=3.14 et P=0
Pour un φ de 90° => Fx=4.4 et P=4.4
Pour un φ de 75° => Fx=7 et P=9
Pour un φ de 60° => Fx=12.5 et P=22
Pour un φ de 45° => Fx=28 et P=68
Pour un φ de 30° => Fx=90 et P=338
Pour un φ de 20° => Fx=300 et P=1700

Remarques :
- La photo de départ est un CNP non symétrique. C'est une "moyenne" entre un demi 30° et un demi 180°.
- Un φ de 75° permet d'être bon sur l'ensemble des positions du soleil (il y a même de la marge) Et le facteur de concentration est déjà de 7
- Je ne suis pas sur des formules, mais les résultats semblent correspondre, plus ou moins, avec mes autres tracés
- Il ne faut pas perdre de vue que les facteurs élévées sont obtenues avec une nombre croissant de réflection, donc de pertes...

[remyb]

Pourquoi ne pas penser à un capteur (je dis au pif sans avoir rien tracé) de 500 mm d'ouverture avec un tuyau de 100 ou 150mm longeur 2000 mm. Voire encore plus grand....et au lieu de monter 20 tubes sur le toit, monter 5 tubes sur un support planté dans le jardin...L'inertie serait bien plus grande...la quantité d'energie captée par kg de capteur serait bien plus grande donc le prix de revient bien inférieur...

Je confirme ce que j'ai dis sur l'inertie du capteur.
Par contre, on peut tout à fait faire un seul grand reflecteur qui pointe sur une seule cible : grande mais avec peu d'inertie.

Grande avec peu d'inertie, à premiére vue, les deux peuvent semblait incompatibles

Mais il suffit de comparer un tube plein et un tube vide. Les deux fond la même taille, mais un des deux est beaucoup plus lourd .

Pour la cible, on peut faire pareil :
- Soit deux tubes concentriques avec le fluide qui passe entre les deux.
- Soit plusieurs tubes cote à cote (comme dans un bobinage de moteur electrique, voir photo ci-dessous)


Dans les deux cas, la cible sera grande, mais aura quand même une faible inertie thermique.
Certe, la face interne n'est pas exposée au rayonnement (même problème que les capteurs plans). Sauf qu'il suffit de boucher les extrêmités pour la rendre close. Il suffit d'un isolant capable de supporter les hauts températures (mais, cette fois-ci, il n'y a pas de contrainte géométrique ).
Du coup, la chaleur contenue dans la cible ne peut sortie que par le fluide coloporteur !

Pas de pertes
Surface d'échange coladuc / fluide coloporteur maximum
Inertie minimum
Un seul réflecteur (c'est bien plus facile à faire que 10 petits !)

@ albert123456 Merci d'avoirt insister pour faire une seul grand réflecteur

[Larixd]

On m'aurait menti ? C'est pas 22° d'inclinaison ?

La honte !!! Où suis-je donc allé chercher ces 15° ?

[remyb]

La honte !!! Où suis-je donc allé chercher ces 15° ?

C'est pas grave, se qui compte, c'est qu'au moment de dimensionne son CNP, on utilise la bonne hauteur maxi de soleil.
Le CNP doit être fait quasiment fait sur-mesure en fonction de la position géographique et des besoins. Si non on risque d'avoir le gain maxi quand on en a pas besoin et d'avoir un masquage interne quand la chaleur est la plus utile.
Si on n'optimise pas le tracé du CNP, autant prendre un capteur plan !

Voici un exemple de contraintes qui peuvent être résolues en traçant un CNP :
- La cible est de forme quelconque, sa position est connue
- Les rayons qui touchent la cible doivent avoir des incidences comprise entre -85° et +85° (pour éviter les problèmes de réflexion sur la cible et/ou petite erreurs de réalisation)
- Présence d'un obstacle devant le capteur (murs) à une position connue
- Les rayons ayant des angles compris entre 0°et 60° (par rapport au sol) doivent être captés au maximum. Aucun en dehors de cette plage.
- Le gain maximum doit être atteint lorsque les rayons sont à 45° (=vitre à 45°)
(Voir schéma en piéce jointe)

La mise en équition de ces contraintes pourrait semblert insurmontable...

Et bien, je ne pense pas. Avec un CNP, ca me semble assez "simple" de trouver la géométrie qui réponds au mieux à ces contriantes !
Bon, il faudrait sans doute quelques itérations pour obtenir la derniére condition. Mais, ça reste raisonnable .

Je joins aussi un gif animé du premier CNP que j'ai fais (il est un peu approximatif, c'est surtout pour faire de premiers tests).
C'est un CNP symétrie, avec une ouverture de 90° environ. J'ai pris plusieurs photo en fesant varier l'angle des rayons. Si l'animation fonctionne, on voit les rayons se concentrer entre le réflecteur et la cibe quand on est dans l'ouverture des 90°.
En dehors de l'ouverture, les rayons "contourent" la cible
Remarque dans l'autre direction, les rayons avait une incidence. C'est pour cela qu'ils touchent le fond, est pas les cotés de la cible