Comment mesurer les caractéristiques d’un flux de rayonnement solaire concentré délivré par un réflecteur de Scheffler ?

Gabriel Guillet1,⋆^{1,\star}, Jonathan Gaspar1^{1}, Thomas Fasquelle1^{1}, Séverine Barbosa1^{1}, Benjamin Kadoch1^{1}
⋆^{\star} : gabriel.guillet@univ-amu.fr
1^{1} Aix Marseille Univ, CNRS, IUSTI, Marseille, France
Mots clés : Réflecteur de Scheffler, thermographie, estimation de flux
Résumé :

Parmi les concentrateurs solaires, le réflecteur de Scheffler a la particularité d’être une parabole flexible, ce qui lui permet de conserver son foyer optique à une position fixe tout au long de l’année. Pour cette raison, il est un élément prometteur pour la fabrication de systèmes solaires dédiés à l’artisanat ou aux industries dont les processus nécessitent un apport de chaleur à une température comprise entre 100 ∘^{\circ}C et 400 ∘^{\circ}C.

Cependant, ces systèmes doivent prouver leur efficacité et leur rentabilité face à la concurrence des machines traditionnelles, électriques ou à combustible, afin d’être adoptés. Or, peu d’études définissent les caractéristiques du flux de chaleur délivré par le réflecteur de Scheffler, ralentissant ainsi le processus d’optimisation du transfert thermique au niveau de l’absorbeur ou de l’optique secondaire.

L’objectif de cette étude est donc à la fois de proposer une méthode de mesure et de fournir des données sur l’intensité et la distribution spatiale du flux surfacique issu du réflecteur de Scheffler dans son plan focal.

À cette fin, une instrumentation spatialement résolue, sensible à une large gamme d’intensités et capable de résister à de hautes températures (env. 500 ∘^{\circ}C) est nécessaire. Un banc expérimental constitué d’un réflecteur de Scheffler de 8 m² et d’une caméra infrarouge séparés par une plaque en fonte verticale jouant le rôle d’interface a été développé. Ainsi, tandis qu’une face de la plaque est exposée au rayonnement du réflecteur de Scheffler, la température de sa seconde face peut être déterminée par la caméra infrarouge.

Une mesure a été réalisées à 11h14 (heure solaire) le 14 juin 2022 à Marseille (lon. 5,4374∘^{\circ} ; lat. 43,3449∘^{\circ} ; alt. 120 m). A partir de cette mesure et sans a priori de forme ou d’intensité, des techniques inverses ont ensuite été utilisées pour estimer le flux reçu par la plaque. Une carte détaillée de la densité de flux de chaleur sur la plaque a ainsi été obtenue. La densité de flux atteint un maximum de 90,8 kW/m² et le flux thermique total reçu est de 2,4 kW. L’efficacité du réflecteur de Scheffler pour concentrer et transmettre le rayonnement solaire à la plaque est finalement de 61%.

Ces résultats ont montré un excellent accord avec une mesure réalisée par Oehler et Scheffler dans des conditions similaires, confirmant ainsi la pertinence de la méthode. En plus des valeurs de flux, ces résultats indiquent aussi que la distribution du flux dans la zone focale est proche de la courbe produite par une fonction gaussienne en deux dimensions. L’ensemble de ces informations pourra avantageusement être pris en compte pour la conception d’un réflecteur secondaire ou d’un absorbeur.

Par ailleurs, en l’état actuel, la méthode décrite ici requière du matériel de mesure spécifique et implique un coût de calcul numérique relativement élevé pour le traitement des données. Néanmoins, elle semble disposer d’un potentiel d’amélioration important en termes de simplification et d’accessibilité.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-066

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