Concentrateur solaire parabolique : Conception et réalisation

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Dimensionnement, conception et réalisation d'un concentrateur solaire
parabolique
Conference Paper · December 2011
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Kamel Aoues
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Moummi Noureddine
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Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01) Biskra, 7 et 8 Décembre 2011
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Dimensionnement, conception et réalisation d’un
concentrateur solaire parabolique
Kamel Aoues1, Noureddine Moummi2, Miloud Zellouf1, Adel Benchabane1
1Département de Génie Mécanique, Université Mohamed Khider Biskra, B.P. 145 R.P. 07000, Biskra, Algeria
2 Laboratoire de Génie Mécanique, Université Mohamed Khider Biskra, B.P. 145 R.P. 07000, Biskra, Algeria
[email protected]
Résumé : Cet article présente les résultats d’une étude expérimentale des performances d’un Concentrateur Solaire Parabolique
(CSP) conçu, réalisé et testé à l’Université de Biskra (latitude 34°48’N and longitude 5°44’E). Le CSP est d’une surface
totale de réflexion égale à 2.57 m2, d’une distance focale égale à 0.78 m et d’une surface du foyer égale à 0.18 m2. La surface
réflectrice recouverte d’une centaine de petit morceau de miroir ordinaire qui réfléchissent le rayonnement solaire direct.
L’absorbeur est construit d’un serpentin en cuivre de 6 m de longueur et de 6 mm de diamètre, peint en noir mat placé au point
focal du CSP. Ce prototype poursuit le soleil dans son mouvement à l’aide d’un mécanisme de poursuite à deux axes. Les essais
ont été effectués sous des conditions environnementales de la région de Biskra au mois de mai 2011. Ce modèle de concentration a
conduit à des niveaux de températures compris entre 500°C et 640°C.
Mots clés : Rayonnement solaire, Concentrateur parabolique, Récepteur, Réflecteur, point focal.
1. Introduction
Pour transformer le rayonnement solaire en chaleur, il suffit en principe de le réceptionner sur une plaque
noire. Mais un tel capteur, même parfaitement absorbant, doit supporter les pertes que son propre
échauffement provoque au bénéfice de l'air ambiant. Ces pertes sont, en première approximation,
proportionnelles à cet échauffement et à la surface développée.
Pour travailler à température élevée, ce qui est nécessaire ici pour alimenter un cycle thermodynamique
performant, il faut diminuer la surface de réception pour maintenir ces pertes à un niveau raisonnable. C'est
ce que l'on fait en disposant devant le récepteur une optique qui concentre sur celui-ci le rayonnement capté
sur une surface bien supérieure. On caractérise la performance du système par sa "concentration" qui est le
rapport de la surface de collecte sur la surface du capteur [1-3].
Dans la pratique cette optique est systématiquement constituée de miroirs. C'est la nature géométrique des
surfaces réfléchissantes mises en œuvre qui va définir la "filière" utilisée. Cette filière est un peu la référence
en ce sens qu'elle met en œuvre la meilleure surface réfléchissante possible : une parabole de révolution. Avec
ce miroir, tout rayon incident parallèle à l’axe optique passe, après réflexion, par un même point. On appelle
ce point le "foyer". Pour un bon fonctionnement, un tel miroir doit viser en permanence le soleil (dont
l’image se forme alors au foyer). On y parvient en animant son axe d'une double rotation. Mais ceci implique,
s'en doute, une limitation de la taille, de la surface de collecte ne pouvant guère dépasser ici quelques
centaines de mètres carrés dans des conditions économiques raisonnables. C'est là que réside la spécificité de
la filière qui n'a d’intérêt que si l'on parvient à utiliser le faible débit de chaleur récolté dans une installation
compacte, mobile avec le miroir (et si possible sans liaison avec l'extérieur autre qu'électrique) et installée dans
une position voisine du foyer.
L'optique peut ici, théoriquement, délivrer des concentrations supérieures à 10000, ce qui est énorme. Dans la
pratique, on réalise éventuellement des miroirs moins performants (en s'autorisant des marges d'erreur sur la
qualité géométrique des surfaces mises en œuvre). Ils peuvent alors être économiques tout en délivrant des
concentrations d'un excellent niveau. Plusieurs réalisations récentes de qualité délivrent ainsi des
concentrations de l’ordre de 4000 dans le domaine de l'utilisation des miroirs paraboliques (de 50 à 400 m2)

Biskra, 7 et 8 Décembre 2011 Premier Séminaire National de Génie Mécanique (SNGM01)
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utilisés individuellement (ou quasi individuellement) pour la génération d'électricité par des unités de faible
puissance.
Dans ce présent travail, nous procédons à la conception, dimensionnement et à la réalisation d’un
concentrateur parabolique de 2.5 m2 dont la surface réfléchissante est couverte par une centaine de petit
miroir. Cette réalisation est basée sur des matériaux locaux et ordinaires où nous testerons la température
pouvant atteindre au foyer de concentration.
2. Description des différentes parties du prototype
2.1. Le réflecteur
Il est constitué d’une parabole d’un récepteur satellitaire couverte par une centaine de petite surface de miroir
qui couvre la surface intérieure du réflecteur. Les miroirs devrait avoir leur côté brillant face au soleil (fig. 1).
La parabole est reposée sur un support mobile qui facilite son déplacement en plus du mécanisme de
poursuite à deux axes. Le tableau 1 décrit les caractéristiques géométriques du concentrateur parabolique
schématisé sur la figure 2.
Fig. 1. Vue générale du concentrateur parabolique réalisé à l’Université de Biskra.
Tableau 1. Caractéristiques géométriques du réflecteur.
Diamètre d = 1.81m
Taille H = 0.26 m
L’angle d’ouverture p= 59.7°
Distance focale = 0 .78 m
Surface d’ouverture Aa =2.57 m2
Fig. 2. Dimensions du réflecteur [4].

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2.2. L’absorbeur
Le métal du récepteur doit avoir une bonne conductivité, nous avons choisi le cuivre comme matériaux du
dispositif absorbant (d’une conductivité thermique de l’ordre de 360 W/°K.m2). Il s’agit d’un tube de 6mm de
diamètre et 6m de longueur. L’absorbeur recouvert d’une mince couche de peinture noire pour diminuer la
réflexion des rayons solaires, placé dans la zone focale de la parabole face au réflecteur (tableau 1 & fig. 3).
Le serpentin en cuivre est mis dans un boitier isolé par sa face exposée au soleil où nous avons utilisé la laine
de verre comme isolant.
3. Conditions de mesures
Les essais expérimentales ont été menées au niveau du hall technologique du département de Génie
Mécanique de l’Université de Biskra (Latitude : 34° 51’ 0 ‘’ N, Longitude : 5° 43’ 59’’ E).
Le concentrateur est orienté vers le sud et il suit le mouvement grâce à un système de poursuite à deux axes à
l’aide de capteur optique qui fournit les informations nécessaire de la position du soleil à la commande des
moteurs qui se charge de faire mobiliser le concentrateur dans les deux directions Est-Ouest et Nord-Sud.
Les mesures effectuées par les instruments suivants :
‐ Un solarimétre : permet de mesurer le flux solaire incident instantané sur le capteur.
‐ Un intégrateur de type Kipp et zonen: qui permet de totaliser l'énergie solaire incidente reçue sur le
capteur pendant une période choisie.
‐ Un anémomètre à hélice : permet de mesurer la vitesse moyenne à la sortie du capteur et permet aussi de
mesurer la vitesse du vent.
‐ Un anémomètre à fil chaud : permet aussi de mesurer les vitesses. Il est utilisé pour mesurer les
températures au niveau de l’anémomètre.
‐ Des thermocouples en fer constantan qui sont reliés à un enregistreur à 12 voies : permettent de mesurer
les températures d’entrée et de sortie du capteur ainsi que la température ambiante.
Tableau 2. Caractéristiques de l’absorbeur.
Caractéristiques de l’absorbeur Valeur
Diamètre d2 = 0.06 m
Longueur L2 = 1m
Surface totale Sr = 2.57
Surface de captation Ar = 0.18
Coefficient d’absorption de l’absorbeur 0.94
Masse du récepteur vide 1.75 kg
Fig. 3. Le foyer de l’absorbeur.

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4. Résultats et discussions
4.1. La concentration
Ce paramètre indique la quantité de concentration légère d’énergie réalisée par un capteur donné. Les deux
définitions usuelles de la concentration solaire sont la concentration géométrique (surface) et la concentration
du système optique (flux).
‐ Concentration géométrique : Calculer en utilisant l’équation (1) donnée par [5] :
(1)
‐ Concentration optique : Calculer en utilisant l’équation (2) donnée par [5, 6] :
(2)
est l’angle apparent du soleil.
4.2. Evolution de l’éclairement solaire direct et de la vitesse du vent
Les figures (4-6) représentent la variation du rayonnement solaire et la température ambiante le long des
journées du 16, 17 et 19 mai 2011. Nous avons enregistré les valeurs maximales du flux solaires vers midi qui
sont respectivement, 880, 907, 969 W/m2 et des températures ambiantes de l’ordre de 28, 27, 25°C.
Les variations brusques du flux solaire sur les figures sont dues aux nuages. Ainsi, la figure 7 représente la
variation de la vitesse du vent le long des journées des testes.
Fig. 4. Evolution du rayonnement solaire et de la température ambiante le long de la journée du 16/05/2011.
Fig. 5. Evolution du rayonnement solaire et de la température ambiante le long de la journée du 17/05/2011.