Moteur solaire
Un moteur solaire est un moteur thermique qui transforme la chaleur du soleil en énergie mécanique, celle-ci servant en général à produire de l'électricité. Elle peut aussi être utilisée à d'autres fins.
Les moteurs solaires se divisent en deux catégories :
- La technologie à air chaud : les capteurs solaires thermiques chauffent l'air atmosphérique (ou un gaz) qui sera utilisé comme fluide de travail dans un moteur à air chaud[1]
- La technologie à vapeur : les capteurs solaires thermiques chauffent de l'eau et la transforment en vapeur qui sera utilisée comme fluide de travail dans une machine à vapeur, plus généralement une turbine à vapeur.
Les capteurs solaire thermiques, ou plus généralement les concentrateurs solaires, sont compatibles à la fois avec la technologie à air chaud ou celle à vapeur.
Les premiers moteurs solaires qui furent utilisés pour alimenter des machines ont été construits séparément par deux ingénieurs, l'un en France Augustin Mouchot en 1865, l'autre en Amérique John Ericsson en 1868. Leurs inventions ont ensuite été suivies par Frank Shuman, ingénieur américain, qui a construit en 1910 la première centrale solaire moderne. Mouchot et Ericsson utilisaient tous deux alternativement l'air chaud ou la vapeur, Shuman, uniquement la vapeur.
La découverte du moteur solaire s'est faite en deux étapes. La première, également la plus longue, commença au cours de l'Antiquité et se focalisa principalement sur les moyens de concentrer les rayons du soleil. La seconde, celle au cours de laquelle fut découvert le moteur solaire, date de la sortie du Moyen Âge quand la machine à vapeur fut inventée.
Moteur solaire à air chaud
[modifier | modifier le code]Dans le moteur solaire à air chaud, le fluide de travail est l'air atmosphérique préalablement comprimé ou non. Les capteurs thermiques lui transmettent directement la chaleur du soleil et, sa pression augmentant sous l'effet de la chaleur, l'air devient la force motrice du moteur.
La pompe solaire de Salomon de Caus et Belidor
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En 1615 Salomon de Caus construit la première pompe solaire qu'il appelle « fontaine continuelle » ; Bernard Foret de Belidor publie en 1764 ses recherches décrivant une version améliorée de cette pompe[2]. Elle est composée d'un réservoir sphérique en cuivre ayant deux tuyaux sortant par le dessous. Un premier tuyau vertical, NK, aspire l'eau qui doit être élevée ; il a un clapet anti-retour à son extrémité K. Un autre tuyau EG va vers la citerne H et a également un clapet anti-retour F. Le réservoir sphérique est rempli d'eau au deux tiers (BNC)[3].
La machine recevant le soleil toute la journée, l'air du réservoir contenu dans BAC chauffé par les rayons, monte en pression. Quand celle-ci dépasse celle de la colonne d'eau (NC) l'air se dilate et fait pression sur l'eau qui ouvre le clapet F, pousse l'eau qui se trouve dans le tuyau FG, et coule vers la citerne H. La nuit, alors que le soleil a disparu, la surface du réservoir sphérique refroidit et l'air qui y est contenu condense pour créer un vide, qui, de cette manière aspire l'eau du tuyau NG vers le réservoir[4].
Le réservoir de la pompe était fait de cuivre, un métal bon conducteur qui permettait de transmettre rapidement la chaleur collectée à l'air confiné. Cependant le cuivre était également en contact avec l'eau qui absorbait la majeure partie de la chaleur, et nuisait ainsi aux performances de l'appareil. À cette imperfection s'ajoutait une autre, plus grande : la durée excessive du cycle thermodynamique qui durait un jour et une nuit.
La pompe solaire de Deliancourt
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En 1860 Deliancourt inventa une autre pompe solaire[5], qui, à la différence de celles qui la précédaient, intégrait un système de refroidissement.
Sa pompe solaire consiste en un récipient rectangulaire ayant une grande surface au soleil et qui actionne une pompe sous l'effet des rayons du soleil sur l'air confiné[6],[7].
Le dispositif est hermétiquement fermé et ne communique avec l'extérieur que par les tubes C et D. Ces tubes sont équipés de vannes qui agissent en sens opposés. L'appareil contient de l'eau jusqu'à la ligne B ; le reste étant de l'air à pression atmosphérique. La surface A est en métal fin et noirci. La surface A étant chauffée par les rayons solaires, l'air se dilate et appuie sur l'eau qui sort par le tube C. La surface A est alors mise à l'abri du soleil par un moyen quelconque, et l'air qui s'est dilaté se condense. L'eau sort par le tube C forme un vide qui est immédiatement rempli d'eau du réservoir K.
La machine Deliancourt utilise du métal noirci, ce qui était un progrès, mais la véritable amélioration est la possibilité de refroidir l'air confiné après qu'il a atteint sa limite d'expansion.
La machine solaire de Ericsson
[modifier | modifier le code]Entre 1868 et 1883, l'inventeur suédois John Ericsson fut occupé par la puissance du soleil et ses applications[8] et construisit plusieurs moteurs solaires très avancés. Cet ingénieur, qui a passé la majeure partie de sa vie à construire des moteurs à air chaud et pour lesquels il a déposé de nombreux brevets, a cherché à combiner l'air chaud et le soleil.
Ericsson a été le premier à associer l'énergie solaire à un moteur à air chaud[9]; et avec Mouchot, ils ont été les premiers à associer l'énergie solaire à une machine à vapeur.
Ericsson a initialement utilisé la conception de Mouchot avec un récepteur solaire conique. Plus tard, il introduisit un nouveau récepteur solaire qui concentre la chaleur rayonnante au moyen d'un bac rectangulaire ayant un fond incurvé garni à l'intérieur de plaques polies, de manière qu'elles reflètent les rayons du soleil vers un radiateur cylindrique placé longitudinalement au-dessus du bac. Ce cylindre faisant office de radiateur, contenait le fluide de travail (l'air ou la vapeur), utilisé pour transférer l'énergie solaire au moteur. Le transfert était effectué au moyen de cylindres munis de pistons[7]. Ericsson est de ce fait l'inventeur de la parabole solaire.
Les dimensions de la parabole étaient de 3,58 m pour la longueur et 5,28 m pour la largeur, y compris une ouverture de 0,32 m, placées dans le fond parallèlement aux verres. Le radiateur mesurait 5,58 m de long et 0,168 m de diamètre, avec une surface totale exposée aux rayons réfléchis de 2,94 m2.
Un pivot central permettait à la parabole de changer d'inclinaison et une seule révolution de la machine développait plus de force qu'il n'en faut pour positionner la boîte et ajuster son inclinaison face au soleil pendant le fonctionnement de la journée.
La vitesse de la machine était de 120 tr/min et la pression sur le piston de 3,79 bars et pouvait atteindre une puissance de 1 ch par 10 m2 de parabole.
Ericsson entrevit plusieurs points à améliorer sur son moteur :
- L'intensité de la chaleur est affaiblie par son passage à travers les plaques réfléchissantes
- Les pertes de chaleur dues au rayonnement de la surface noircie du radiateur
- Les pertes de chaleur dans le radiateur, causées par la convection
Moteur solaire à air chaud et à parabole sphérique ou Stirling Dish
[modifier | modifier le code]Après Belidor, Deliancourt, Ericsson, et malgré ses avantages techniques, le moteur solaire à air chaud a été totalement laissé de côté et presque oublié.
Ce n'est qu'après la Seconde Guerre mondiale qu'il a suscité un regain d'intérêt, en raison de la redécouverte du moteur Stirling. Ce moteur à air chaud, inventé par Robert Stirling en 1816, a pour principales caractéristiques de fonctionner en cycle fermé et d'être chauffé de l'extérieur. En cela, il est techniquement très bien adapté pour fonctionner avec l'énergie solaire[10].
Bien qu'il ait fallu près de 60 ans avant de disposer d'une technologie éprouvée[11], plusieurs sociétés[10],[12],[13],[14] construisent aujourd'hui des centrales solaires entraînées par des moteurs à air chaud. Leur point commun est d'utiliser la même combinaison technique: un moteur à air chaud avec une parabole solaire sphérique ; et une telle combinaison est souvent appelée en anglais Stirling Dish.
Les moteurs à air chaud peuvent techniquement être combinés avec d'autres dispositifs de capture de rayons solaires comme la parabole solaire. Mais l'avantage de l'air est de pouvoir travailler à très haute température (> 1000 ° C) afin de maximiser l'efficacité thermodynamique du moteur, et seules les paraboles solaires sphériques peuvent concentrer la chaleur des rayons du soleil à des températures aussi élevées.
Maricopa Solar
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Près de 200 ans après leur invention, 60 moteurs solaires à air chaud produisent de l'électricité à l'extérieur de Phoenix, Arizona, USA[11]. Le projet a été développé par Tessera Solar et Stirling Energy Systems[15].
Chaque appareil[16] produit 25 kilowatts et utilise un miroir parabolique sphérique de près de 12 m qui, combiné à un système de suivi automatique, collecte et concentre l'énergie thermique solaire sur un moteur à air chaud pour la convertir en électricité de qualité réseau. Les 60 moteurs solaires de Maricopa Solar [17]produisent de l'électricité pour les clients de Salt River dans le Grand Phoenix, Arizona, États-Unis.
Maricopa Solar représente une capacité de 1,5 MW et cette technologie peut être assez facilement déployée à des échelles de 1 000 MW pour répondre aux besoins en électricité[18].
Plataforma Solar de Almería
[modifier | modifier le code]La Plataforma Solar de Almería (Espagne) se présente comme le plus grand centre de recherche-développement sur les techniques solaires à concentration de l'Europe[19]. Elle comprend entre autres un prototype produisant de l'électricité avec des moteurs à air chaud de type Stirling utilisant l'énergie solaire comme source de chaleur. Une première installation datant de 1992 et initialement composée de trois unités paraboliques de 7,5 m de diamètre, en mesure de recueillir jusqu'à 40 kWth d'énergie au moyen du moteur et qui pouvait générer jusqu'à 9 kW en zone focale. Le projet a été suivi par une unité parabolique de 8,5 m, le moteur pouvant générer 10 kWe[20],[21].
Moteur solaire à vapeur
[modifier | modifier le code]Dans le moteur solaire à vapeur, le fluide de travail est l'eau transformée en vapeur. Les capteurs thermiques lui transmettent directement ou indirectement la chaleur du soleil. L'eau transformée en vapeur devient la force motrice du moteur.
Le moteur solaire de Mouchot
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Augustin Mouchot, qui a consacré sa vie à l'étude de la chaleur solaire et à ses applications, réalise un grand nombre d'expérience et d'appareils solaires. Vers 1860 il concentre les rayons du soleil à l'aide de miroirs coniques sur une petite chaudière à vapeur. Dès 1865, deux machines opéraient publiquement à Tours[2].
Ses études ont abouti en 1869 à son invention : un miroir de forme conique. Dans la ligne focale est placé un récipient métallique noirci recouvert d'un mince bocal en verre transparent pour retenir la chaleur des rayons du soleil et pour les concentrer sur un réservoir métallique. Avec ce système, il a cuisiné un bœuf mode en quelques heures, des pommes de terre en une heure, du pain cuit au four en trois quarts d'heure, un rôti de bœuf grillé en 22 minutes en économisant son jus au fond de la marmite[5].
Plus tard il expose à Tours, puis à l'Exposition de Paris en 1878, un réflecteur de 34 m de large, 12 m à la base, ayant un moteur au foyer, qui pompe de l'eau très rapidement et fonctionne avec succès. Il obtient des brevets pour diverses inventions en France, mais aussi en Angleterre[2].
Le moteur solaire à basse pression de Shuman
[modifier | modifier le code]L'ingénieur américain Frank Shuman, a fait des expériences similaires près de Philadelphie, puis a installé d'importants appareils en Égypte. En 1910, il a mis au point un appareil sans réflecteur pour concentrer les rayons du soleil[22]. L'absorbeur consistait en un récipient noirci, recouvert de deux lames de verre laissant un espace d'un pouce (2,54 cm) entre elles. Le récipient était orienté de telle sorte qu'à midi, les rayons du soleil soient perpendiculaires au verre; il n'y avait aucun appareil pour suivre la course du soleil ; l'appareil était ajusté que toutes les trois semaines[23].
La quantité maximale de vapeur à la pression atmosphérique produite par heure dans ces conditions était de 7,5 livres pour une section transversale de 100 pieds carrés de soleil, ou 366 grammes par mètre carré par heure. Selon les tests, un moteur basse pression Shuman pourrait fournir 1 CV pour 28 m2 de surface en verre irradié[24],[25].
En 1911, avec un appareil analogue, mais équipé en plus de deux miroirs qui concentraient les rayons solaires sur le récipient, la quantité maximale de vapeur produite était de 440 grammes par m2 et par heure ; 1 CV pour 23 m2 de surface.
L'année suivante, la Sun Power Cie installée à Meadi, près du Caire, construit un appareil comportant plusieurs modifications apportées sur les indications d'un conseil scientifique et notamment de C. V. Boys[26].Les chaudières ont été placées le long de l'axe des miroirs cylindriques à section parabolique. Les axes des miroirs étaient orientés nord-sud, et les miroirs étaient inclinés, automatiquement pendant la journée afin de suivre les mouvements du soleil. L'installation se composait de 5 éléments d'une longueur de 205 pieds chacun et la superficie totale était de 13 269 pieds carrés, ou 1 234 m2. Les meilleurs résultats obtenus avec cette installation sont: 586 grammes de vapeur par m2 par heure soit 1 CV pour 17 m de surface[7].
Bien que Shuman n'ait pas réussi à atteindre les performances du moteur solaire Ericsson (1 CV par 10 m2), il a démontré que les moteurs solaires sont viables à grande échelle. De nos jours, à l'exception du Stirling Dish, la plus grande partie de la production d'énergie solaire se fait au moyen d'un concentrateur solaire et en combinaison avec une turbine à vapeur.
Parabole solaire
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Une parabole solaire[21],[27],[28] est un type de capteur solaire thermique qui est droit dans une dimension et incurvé comme une parabole dans les deux autres, doublé d'un miroir en métal poli[29]. La lumière du soleil qui pénètre dans le miroir parallèlement à son plan de symétrie est focalisée le long de la ligne focale, où sont positionnés les objets destinés à être chauffés. Dans un cuiseur solaire, par exemple, la nourriture est placée au niveau de la ligne focale d'un bac, qui est cuit lorsque le bac est dirigé de sorte que le Soleil se trouve dans son plan de symétrie.
Dans d'autres cas, un tube contenant un fluide parcourt la longueur de la parabole à sa ligne focale. La lumière du soleil est concentrée sur le tube et le fluide chauffé à une température élevée par l'énergie de la lumière du soleil. Le fluide chaud peut être acheminé vers un moteur thermique, qui utilise l'énergie thermique pour faire fonctionner des machines ou pour produire de l'électricité. Ce capteur d'énergie solaire est le type parabolique le plus courant et le plus connu[30].
Réflecteur Fresnel linéaire
[modifier | modifier le code]Un réflecteur Fresnel linéaire[27], également appelé réflecteur Fresnel linéaire à concentration, est un type spécifique de technologie de réflecteur Fresnel linéaire. Ils sont nommés pour leur similitude avec une lentille de Fresnel, dans laquelle de nombreux petits fragments de lentilles minces sont combinés pour simuler une lentille simple beaucoup plus épaisse. Ces miroirs sont capables de concentrer l'énergie du soleil à environ 30 fois son intensité normale.
Les réflecteurs linéaires de Fresnel[31] utilisent de longs segments minces de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un absorbeur fixe situé à un point focal commun des réflecteurs. Cette énergie concentrée est transférée à travers l'absorbeur dans un fluide thermique (il s'agit généralement d'une huile capable de maintenir l'état liquide à des températures très élevées). Le fluide passe ensuite à travers un échangeur de chaleur pour alimenter un générateur de vapeur.
Four solaire
[modifier | modifier le code]Le four solaire, également connu sous le nom de centrales électriques à «tour solaire» ou «héliostat» ou centrales électriques[32], est un type de four solaire utilisant une tour pour recevoir la lumière solaire focalisée. Il utilise un ensemble de miroirs plats et mobiles (appelés héliostats) pour concentrer les rayons du soleil sur une tour collectrice (la cible)[33].
Références
[modifier | modifier le code]- « Les moteurs à air chauds », sur hotairengines.org
- Charles Henry POPE, Solar heat and its applications, ColonialPress, , 27-35 p. (lire en ligne)
- CAZIN, Revue Scientifique p. 186 (lire en ligne)
- Augustin MOUCHOT, La chaleur solaire et ses applications industrielles (French), Gauthier-Villars, (lire en ligne)
- Augustin MOUCHOT, La chaleur solaire et ses applications industrielles, Gauthier-Villars, (lire en ligne)
- Louis ROYAUMONT, La conquête du soleil et ses applications,
- Frank T. KRYZA, The Power of Light, McGraw-Hill, (lire en ligne)
- « The Dynamic Measurement and Utilization of Solar Heat », sur scientificamerican.com
- « Le moteur solaire à air chaud de Ericsson », sur hotairengines.org
- « Swedish Stirling »
- « Are Engines the Future of Solar Power? », sur scientificamerican.com
- « Qnergy »
- « Stirling Energy »
- « EnviroDish project », sur promes.cnrs.fr
- « Stirling Energy Systems »
- « Maricopa Solar Power Dish Plant »
- « Maricopa Solar Power Plant »
- « Tessera Solar & Stirling Energy Systems Solar Power Plant »
- « Plataforma Solar de Almeria », sur www.psa.es
- « EuroDish Project », sur www.psa.es
- « Parabole solaire - p 151 project », sur promes.cnrs.fr
- « Frank Shuman’s Solar Arabian Dream »
- « Power from Sunshine »
- « Solar Energy’s Untold History and the Factors Driving its Growth Today »
- Ken Butti, Golden Thread Twenty Five Hundred Years of Solar Architecture and Technology, Cheshire Books, (ISBN 0917352076)
- « Solar Thermal Power and Energy Storage - Historical Perspective »
- « Parabole solaire », sur sciencedirect.com
- « Parabole solaire », sur nrel.gov
- « CNRS - Concentrateurs Solaires project », sur promes.cnrs.fr
- « Parabole solaire », sur industrial-solar.de
- « Réflecteurs Fresnel », sur industrial-solar.de
- « CNRS - Thémis », sur promes.cnrs.fr
- « Concentrateur solaire », sur lenergie-solaire.net
