Concentrateur solaire non-parabolique

[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

[invitedbb5457c]

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.

[invitedbb5457c]

@ 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

[A voir en vidéo sur Futura]

[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.

[invitedbb5457c]

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]

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..

[invite765432345678]

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..

Abandonner toutes ces cogitations inutiles. Les allemands ont l'idée depuis plus de 70 ans de construire des capteurs sommaires dans le désert du sahara pour produire de l'énergie.

Cà ne se fera jamais. Des technologies hautement plus performantes vont arriver. Patience !

Cordialement,

[albert123456]

Oui c'est vrai !pourquoi chercher à évoluer et même à comprendre puisque d'autres que nous le font si bien et au mieux de nos intérets auxquels nous -mêmes ne comprenons rien. Payons et subissons docilement. Yes !je retourne voir mon feuilleton sur M6 après une petite canette de bière et avant d'aller au pôle emploi.
Euh ? c'est quoi les technologies performantes qui vont arriver? la fusion froide? l'electro génération spontanée? un médicament (américain !) thermo régulateur de notre corps?

[invite765432345678]

Oui c'est vrai !pourquoi chercher à évoluer et même à comprendre puisque d'autres que nous le font si bien et au mieux de nos intérets auxquels nous -mêmes ne comprenons rien. Payons et subissons docilement. Yes !je retourne voir mon feuilleton sur M6 après une petite canette de bière et avant d'aller au pôle emploi.
Euh ? c'est quoi les technologies performantes qui vont arriver? la fusion froide? l'electro génération spontanée? un médicament (américain !) thermo régulateur de notre corps?

Bonsoir,

L'énergie, c'est vraiment ma tasse de thé, et même mon métier. Maintenant, je ne voudrais pas laisser penser que ceux qui cherchent des solutions pratiques se trompent de direction. L'énergie solaire, c'est très diffus et pas simple à récupérer.

Tant que les nouvelles technologies dont je parlais ne seront pas industrielles, le solaire restera bien entendu une valeur sûre.

Cordialement,

[albert123456]

Red Machin... l'homme qui sait mais qui ne dira rien ! Bref, deux interventions pour ne rien dire.

[invitedbb5457c]

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).

[invitedbb5457c]

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...

[Larixd]

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

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

[invitedbb5457c]

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

[albert123456]

Salut les gars

Je crois qu'on avance pas à pas. J'ai bien noté la cible faite de plusiuers petis tubes assemblés pas forcement en cercle et constituant un serpentin. C'est une solution interssa,te puisqu 'on peut offrir une grande surface d'échange à un même volume d'eau. Bien sur il se pose les me^me problemes d'echange que partout ailleurs. Alors, pourquoi n epas remplacer ce tube par un tube en verre dans lequel circule un fluide caloporteur de couleur noire. Dans ce cas on chauffe directement l efluide et non pas par échange et on chauffe "en profondeur"....plutot que chauffer la surface du liquide echangeant ensuite par convection avec la masse ? le rendement devrait là encore gagner quelques points à condition d'eviter la reflexion sur le verre par un bon choix de sa qualité.

[invitedbb5457c]

Depuis 2007, je n'étais pris par d'autre sujet que l'optique non imageante ...

Par hasard, je suis tombé sur le site Open Source Ecologie France (OSE France)
A mon avis, ce type de concentrateur non imageant est tout à fait adapté pour le second étage de leur concentrateur solaire plan-fresnel .

Je vais donc travailler sur le sujet avec eux via le Sur le sorum d'Open Source Ecologie France.
J'invite ceux qui sont intéresse par le sujet de l'optique non imageante à suivre le projet OSE ...

[invitedbb5457c]

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 ?