Cuiseur solaire
Les cuiseurs solaires paraboliques concentrent la lumière du soleil en un seul point. Lorsque ce point est focalisé sur le fond d’une marmite, il peut chauffer rapidement la marmite à des températures très élevées qui peuvent souvent être comparables aux températures atteintes dans les grils à gaz et à charbon de bois. Ces types de cuiseurs solaires sont largement utilisés dans plusieurs régions du monde, notamment en Chine et en Inde où des centaines de milliers de familles utilisent actuellement des cuiseurs solaires paraboliques pour préparer les repas et chauffer l’eau. Certains projets de cuiseurs solaires paraboliques en Chine réduisent entre 1 et 4 tonnes de dioxyde de carbone par an et reçoivent des crédits carbone par le biais du mécanisme de développement propre (MDP) et du Gold Standard.
Certains cuiseurs solaires paraboliques intègrent des matériaux et des conceptions de pointe qui conduisent à des rendements d’énergie solaire >90%. D’autres sont suffisamment grands pour nourrir des milliers de personnes chaque jour, comme le bol solaire d’Auroville en Inde, qui prépare 2 repas par jour pour 1 000 personnes.
Si un réflecteur est axialement symétrique et formé de manière à ce que sa section transversale soit une parabole, il a la propriété d’amener des rayons de lumière parallèles (comme la lumière du soleil) vers un foyer ponctuel. Si l’axe de symétrie est orienté vers le soleil, tout objet situé au foyer reçoit une lumière solaire très concentrée, et devient donc très chaud. C’est la base de l’utilisation de ce type de réflecteur pour la cuisson solaire.
Les réflecteurs paraboliquesEdit
Les paraboloïdes sont des courbes composées, qui sont plus difficiles à réaliser avec un équipement simple que les courbes simples. Bien que les cuiseurs solaires paraboloïdes puissent cuire aussi bien, voire mieux, qu’un poêle conventionnel, ils sont difficiles à construire à la main. Fréquemment, ces réflecteurs sont fabriqués à l’aide de nombreux petits segments qui sont tous des courbes simples qui, ensemble, se rapprochent des courbes composées.
Bien que les paraboloïdes soient difficiles à fabriquer à partir de feuilles plates de matériau solide, ils peuvent être fabriqués assez simplement en faisant tourner des récipients à sommet ouvert qui contiennent des liquides. La surface supérieure d’un liquide que l’on fait tourner à vitesse constante autour d’un axe vertical prend naturellement la forme d’un paraboloïde. La force centrifuge entraîne la matière vers l’extérieur de l’axe de rotation jusqu’à ce qu’une dépression suffisamment profonde se forme à la surface pour que la force soit équilibrée par l’effet de nivellement de la gravité. Il s’avère que la dépression est un paraboloïde exact. (Voir télescope à miroir liquide.) Si le matériau se solidifie pendant la rotation, la forme paraboloïde est conservée après l’arrêt de la rotation et peut être utilisée pour fabriquer un réflecteur. Cette technique de rotation est parfois utilisée pour fabriquer des miroirs paraboloïdes pour les télescopes astronomiques, et a également été utilisée pour les fours solaires. Les dispositifs permettant de construire de tels paraboloïdes sont connus sous le nom de fours rotatifs.
Les réflecteurs paraboloïdes génèrent des températures élevées et cuisent rapidement, mais nécessitent un réglage et une surveillance fréquents pour un fonctionnement sûr. Il en existe plusieurs centaines de milliers, principalement en Chine. Ils sont particulièrement utiles pour la cuisine des ménages individuels et des institutions à grande échelle.
Un cuiseur Scheffler (du nom de son inventeur, Wolfgang Scheffler) utilise un grand réflecteur idéalement paraboloïdal qui tourne autour d’un axe parallèle à celui de la terre à l’aide d’un mécanisme mécanique, tournant à 15 degrés par heure pour compenser la rotation de la terre. L’axe passe par le centre de masse du réflecteur, ce qui permet de le faire tourner facilement. Le récipient de cuisson est situé au foyer qui se trouve sur l’axe de rotation, de sorte que le miroir concentre la lumière du soleil sur lui toute la journée. Le miroir doit être occasionnellement incliné autour d’un axe perpendiculaire pour compenser la variation saisonnière de la déclinaison du soleil. Cet axe perpendiculaire ne passe pas par le récipient de cuisson. Par conséquent, si le réflecteur était un paraboloïde rigide, son foyer ne resterait pas immobile au niveau de la cuve de cuisson lorsque le réflecteur s’incline. Pour que le foyer reste stationnaire, la forme du réflecteur doit varier. Il reste paraboloïde, mais sa distance focale et d’autres paramètres changent lorsqu’il s’incline. Le réflecteur de Scheffler est donc flexible, et peut être plié pour ajuster sa forme. Il est souvent constitué d’un grand nombre de petites sections planes, comme des miroirs en verre, reliées entre elles par du plastique souple. Un cadre qui supporte le réflecteur comprend un mécanisme qui permet de l’incliner et de le plier de manière appropriée. Le miroir n’est jamais exactement paraboloïdal, mais il est toujours suffisamment proche pour les besoins de la cuisine.
Parfois, le réflecteur rotatif est situé à l’extérieur et la lumière du soleil réfléchie passe par une ouverture dans un mur vers une cuisine intérieure, souvent une grande cuisine commune, où la cuisson est effectuée.
Les réflecteurs paraboliques dont le centre de masse coïncide avec le foyer sont utiles. Ils peuvent être facilement tournés pour suivre les mouvements du soleil dans le ciel, en tournant autour de n’importe quel axe qui passe par le foyer. Deux axes perpendiculaires peuvent être utilisés, se croisant au foyer, pour permettre au paraboloïde de suivre à la fois le mouvement quotidien du soleil et son mouvement saisonnier. La marmite reste immobile au foyer. Si le réflecteur paraboloïde est à symétrie axiale et est constitué d’un matériau d’épaisseur uniforme, son centre de masse coïncide avec son foyer si la profondeur du réflecteur, mesurée le long de son axe de symétrie depuis le sommet jusqu’au plan du rebord, est égale à 1,8478 fois sa distance focale. Le rayon du bord du réflecteur est égal à 2,7187 fois la distance focale. Le rayon angulaire de la jante, vu du point focal, est de 72,68 degrés.
Les auges paraboliquesModifié
Les auges paraboliques sont utilisées pour concentrer la lumière du soleil à des fins d’énergie solaire. Certains cuiseurs solaires ont été construits qui les utilisent de la même manière. En général, le creux est aligné avec sa ligne focale horizontale et est-ouest. Les aliments à cuire sont disposés le long de cette ligne. L’auge est orientée de façon à ce que son axe de symétrie vise le soleil à midi. Pour cela, l’auge doit être inclinée de haut en bas au fil des saisons. Aux équinoxes, aucun mouvement de l’auge n’est nécessaire pendant la journée pour suivre le soleil. À d’autres moments de l’année, il y a une période de plusieurs heures autour de midi chaque jour où aucun suivi n’est nécessaire. En général, le cuiseur n’est utilisé que pendant cette période, et aucun suivi automatique du soleil n’y est donc incorporé. Cette simplicité rend la conception attrayante, par rapport à l’utilisation d’un paraboloïde. De plus, comme il s’agit d’une seule courbe, le réflecteur en auge est plus simple à construire. Cependant, il souffre d’une efficacité moindre.
Il est possible d’utiliser deux auges paraboliques, courbées dans des directions perpendiculaires, pour amener la lumière du soleil vers un foyer ponctuel, comme le fait un réflecteur paraboloïde.La lumière entrante frappe l’une des auges, qui l’envoie vers un foyer linéaire. La deuxième auge intercepte la lumière convergente et la focalise en un point.
Par rapport à un paraboloïde unique, l’utilisation de deux auges partielles présente des avantages importants. Chaque auge est une courbe unique, qui peut être réalisée simplement en pliant une feuille de métal plate. De plus, la lumière qui atteint la marmite visée est dirigée approximativement vers le bas, ce qui réduit le risque d’endommager les yeux de toute personne se trouvant à proximité. D’un autre côté, il y a des inconvénients. Il faut plus de matériau de miroir, ce qui augmente le coût, et la lumière est réfléchie par deux surfaces au lieu d’une, ce qui augmente inévitablement la quantité perdue.
Les deux auges sont maintenues dans une orientation fixe l’une par rapport à l’autre en étant toutes deux fixées à un cadre. L’ensemble du cadre et des auges doit être déplacé pour suivre le soleil lorsqu’il se déplace dans le ciel. Des cuiseurs commerciaux qui utilisent cette méthode sont disponibles.Dans les applications pratiques (comme dans les phares de voiture), les miroirs concaves sont de forme parabolique
Les réflecteurs sphériquesEdit
Les réflecteurs sphériques fonctionnent à peu près comme les réflecteurs paraboloïdaux, c’est-à-dire que l’axe de symétrie est dirigé vers le soleil, de sorte que la lumière est concentrée en un foyer. Cependant, le foyer d’un réflecteur sphérique ne sera pas un foyer ponctuel car il souffre d’un phénomène appelé aberration sphérique. Certaines antennes de concentration (comme les antennes satellites) qui ne nécessitent pas un foyer précis optent pour une courbure sphérique plutôt que pour un paraboloïde. Si le rayon du bord du réflecteur sphérique est petit par rapport au rayon de courbure de sa surface (le rayon de la sphère dont le réflecteur fait partie), le réflecteur s’approche d’un paraboloïde dont la distance focale est égale à la moitié du rayon de courbure.
Technologie du tube sous videModification
Les cuiseurs solaires à tube sous vide sont essentiellement scellés sous vide entre deux couches de verre. Le vide permet au tube d’agir à la fois comme une « super » serre et comme un isolant. Le tube central de cuisson est en verre borosilicate, qui résiste aux chocs thermiques, et comporte un vide sous la surface pour isoler l’intérieur. L’intérieur du tube est revêtu de cuivre, d’acier inoxydable et de nitrile d’aluminium pour mieux absorber et conduire la chaleur des rayons du soleil.