Concentrateur Solaire Thermique Haute Température : Low-Tech, Accessible et Reproductible

Introduction

Dans un monde confronté au changement climatique et à la gestion des déchets, l'accès à des technologies durables et décentralisées est essentiel.

Le projet Sunfactory, porté par la Fondation Antenna propose les instructions pour constuire un concentrateur solaire low-tech atteignant plus de 200°C pour des applications diverses.

Cette conception low-tech réduit les coûts et facilite la réplicabilité, alignée sur les principes de SunFactory Project (https://hub.antenna.ch/sunfactoryproject)

Le prototype de ce concentrateur solaire low-tech a été réalisé avec les plans de Marco Bernardo, avec les contributions significatives d’Everton Ramires pour les tests et la collecte de données.

Contexte et Problématique

Les technologies low-tech sont essentielles pour offrir un accès décentralisé à l’énergie, en particulier dans les communautés dépourvues d’infrastructures coûteuses.

Dans le domaine du recyclage, la fusion de plastiques pour créer des objets réutilisables nécessite des températures élevées, souvent inaccessibles sans équipements industriels.

Sunfactory répond à ce défi en proposant un concentrateur solaire open source, accessible et reproductible, aligné sur les valeurs de la Fondation Antenna : des technologies appropriées pour un accès équitable.

Méthodologie de construction du concentrateur

Le concentrateur solaire low-tech Sunfactory a été conçu pour être simple, économique, et reproductible. Les matériaux utilisés sont standards et largement disponibles, rendant le dispositif accessible à un large public, des artisans aux makers. La structure est composée de trois planches en bois : une planche centrale fixée au sol et deux planches latérales mobiles, servant de support pour des miroirs qui concentrent les rayons solaires sur un tube sous vide.

Matériaux

• Tube sous vide pour panneau solaire thermique : Sert de récepteur pour capter la chaleur, un composant courant dans les systèmes solaires à eau chaude.

• Planches en bois : Utilisées pour la structure de support, offrant robustesse et facilité de découpe.

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• Charnières : Fabriquées à partir de plastique HDPE recyclé (provenant de bidons) et fixées avec des vis ou des clous, démontrant l’engagement du projet dans le recyclage local.

• Miroirs autocollants : Appliqués sur les planches pour concentrer les rayons solaires. Des miroirs simples fixés avec du scotch double-face peuvent être utilisés en cas d’imperfections de la surface pour éviter les défauts de réflexion.
  Miroirs autocollants.

Étapes de construction :

• Fabrication de la structure : Les planches en bois sont découpées et assemblées pour former une structure avec deux volets mobiles. Les charnières en plastique HDPE recyclé sont fixées pour permettre des ajustements d’angle.

Installation du tube sous vide : Positionné au centre de la structure, le tube capte la chaleur concentrée pour atteindre des températures élevées.

• Application des miroirs : Les miroirs autocollants sont fixés sur les planches latérales, garantissant une réflexion maximale. En cas de surface irrégulière, du scotch double-face est recommandé.
  Application des miroirs

• Ajustements et tests : La structure est orientée pour maximiser l’exposition solaire, avec des ajustements manuels pour optimiser l’angle des miroirs.

Méthodologie des tests

L’objectif était de valider la capacité du concentrateur à atteindre des températures supérieures à 200°C, suffisantes pour fondre des plastiques recyclés ou chauffer des objets. Les mesures ont été effectuées dans deux configurations :

• Concentrateur vide : Mesure de la température interne du tube sous vide sans charge, fermé avec un bouchon en liège pour isoler la chambre de chauffe.

• Concentrateur avec masse métallique : Mesure de la température du tube et d’une masse d’acier galvanisé (1,25 kg, 1,2 m de long) placée à l’intérieur pour simuler une application réelle.

Pour évaluer l’impact des miroirs, les premiers essais ont utilisé uniquement les miroirs latéraux. Les performances thermiques ont été mesurées à l’aide d’un système open source développé spécifiquement pour ce projet (ideavox.org/node/447).

Les tests ont été effectués dans des conditions ensoleillées entre 405 W/m² et 680 W/m², le 27 mars 2025, avec des ajustements manuels pour optimiser l’angle du concentrateur.

Mesures

Concentrateur vide

Le 27 mars 2025, à partir de 9h07, avec un ensoleillement moyen de 405 W/m², les températures du tube sous vide (sans charge) et de l’air extérieur ont été mesurées minute par minute.
 

• Le concentrateur a atteint plus de 250°C en moins de 25 minutes, prouvant sa capacité à générer des températures élevées même avec un ensoleillement modeste.

Concentrateur avec masse métallique

Une masse d’acier galvanisé (1,25 kg, 1,2 m de long, capacité thermique de 0,133 Wh/kg·K) a été placée dans le tube pour évaluer la transmission d’énergie. Les tests ont été effectués avec un ensoleillement moyen de 680 W/m².

En moins de 30 minutes, le concentrateur a atteint plus de 300°C, et l’acier 163°C. Une cassure dans la courbe de température à 21 minutes reflète un réajustement des miroirs pour optimiser la concentration solaire. Les sondes, exploitables jusqu’à 300°C, ont nécessité l’arrêt du test pour éviter les contraintes thermiques.

Analyse de résultats

Pour l'analyse des résultats nous allons nous concentrer sur l'objectif de ce concentrateur qui à pour but de chauffes des corps entre 200 et 300 °C. autrement dit une analyse des température et de l'énergie solaire enmaganisée.

Concentrateur vide

Températures

Nous constatons qu’avec un ensoleillement relativement faible (405 W/m²), le concentrateur vide a atteint plus de 250°C en moins de 25 minutes. D’un point de vue thermique, ce résultat est très satisfaisant, bien que peu significatif sur le plan énergétique.

Le dispositif a maintenu des températures supérieures à 200°C à l’intérieur du tube sans diminution pendant l’exposition au soleil, ce qui indique que le système accumule de l’énergie, prenant en compte sa propre capacité thermique pour chauffer indépendamment du contenu.

Energie accumulée

Il est important de différencier la variation de température et l’énergie accumulée. Dans ce premier test, le concentrateur était rempli d’air.

L’air, nécessitant peu d’énergie pour varier en température (Cp_air ≈ 1006 J/kg·K), se distingue de l’eau, qui exige plus d’énergie (Cp_eau ≈ 4186 J/kg·K), ou de l’acier, qui nécessite ≈ 480 Joules pour varier un kilogramme d’un degré Celsius.

L’énergie emmagasinée par l’air semble insignifiante par rapport à l’énergie solaire fournie, compte tenu du volume d’air et de la température atteinte.

Le test avec une masse d’acier à l’intérieur est plus adapté pour évaluer la capacité de chauffe et les performances énergétiques de cet appareil.

Concentrateur avec masse métallique

Températures
 

Le graphique montre que la température de l’acier augmente en fonction de la montée en température du concentrateur, ce qui indique une transmission d’énergie entre le concentrateur et la masse d’acier. Une cassure dans la courbe est observable à partir de 21 minutes, due au réajustement des miroirs pour optimiser la concentration solaire.

En moins de 30 minutes, avec un ensoleillement moyen de 680 W/m², le concentrateur a atteint plus de 300°C, et la masse d’acier 163°C. Les sondes de température, exploitables jusqu’à 300°C, ont garanti des mesures fiables. Pour éviter les contraintes thermiques entre l’extérieur et le tube sous vide, le test a été arrêté avec suffisamment de données pour analyser les performances du concentrateur.

Energie accumulée

La géométrie de notre concentrateur permet d’accumuler un flux maximal d’énergie solaire, limité par la surface des miroirs. En tenant compte des dimensions des miroirs et de l’ensoleillement moyen durant l’essai (680 W/m²), nous pouvons déduire l’énergie maximale théorique captée par la surface des miroirs et du tube exposé au soleil. À partir de la température mesurée de l’acier (163°C), nous pouvons calculer l’énergie accumulée par les 1,25 kg d’acier, comme affiché en rouge dans le graphique ci-dessus.

Perspectives

Pour maximiser l'exploitation thermique solaire avec ce concentrateur low-tech, plusieurs pistes d’amélioration et d’adoption peuvent être explorées :

• Optimisation de la conception : Intégrer un système de suivi solaire manuel ou automatique pour augmenter l’efficacité.

  Diversification des applications : Tester le concentrateur pour des usages en situation réelle de fonte de plastique, torréfaction ou encore de stérilisation.

• Ateliers éducatifs : Organiser des formations dans des écoles ou des fablabs pour enseigner la construction du concentrateur.

Conclusion

Les tests confirment que le concentrateur solaire low-tech Sunfactory atteint des températures élevées, permettant de chauffer dans des temps raisonnables divers matériaux comme les plastiques ou autres substances ayant un coefficient de chaleur spécifique inférieur à l'acier.

Les calculs d’énergie démontrent son efficacité pour des applications telles que le recyclage plastique, l’artisanat ou la stérilisation.

Grâce à sa conception simple et économique, ce dispositif offre un potentiel polyvalent et accessible à tous pour des usages durables.

Partage sous licence CC BY-SA

Ce rapport, ainsi que les instructions détaillées pour construire ce concentrateur solaire low-tech Sunfactory, sont partagés sous licence CC BY-SA 4.0.

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