Orientation du concentrateur

[Ororo]

question très importante!
je rappelle le débat: comme nous souhaitons travailler à haute latitude (Europe, France), l'inclinaison du soleil rend l'utilisation d'un miroir horizontal peu efficace donc il est nécessaire d'évaluer précisément les différentes orientations/configurations possibles, en particulier leurs avantages, inconvénients pour déterminer la meilleure possible (éventuellement en fonction de la localisation)

Le sujet est en discussion en interne mais je pense que ça serait intéressant de la rendre plus interactive!

Pour contredire tout ce que je disais jusqu'à présent, je vous soumets le cas de Industrial Solar (entreprise allemande) qui fait des frensel concentrator horizontaux à toute latitude (même en Allemagne) (voir la doc ici)

_MG_7949_980x300.png (572.18 Kio) Consulté 14836 fois

Umkirch Germany
orientation de l'absorbeur N/S on dirait non?

[Ororo]

bonjour
je me parle à moi même!
un doc disponible sur le cloud qui parle d'une config étudiée: orientation NS inclinée vers le soleil (=conduite d'eau inclinée)
http://cloud.osefrance.org/public.php?service=files&t=c2c64a076ea51f9517baacd6cc63ec31
j'espère que le lien est consultable par tous. j'ai pas encore regardé mais si vous l'avez lu, je veux bien un retour!

[Altab]

ça fonctionne

et sur le forum, c'est pas plus de deux messages à la suite par la même personne ! après ça s'appelle du flood ^^

[HugoF]

hum hum très bons docs ! Les spécifs de Industrial Solar sont une bonne inspiration. La publi de Mills prends en effet une nouvelle valeur (absorbeur en caloduc incliné + reflecteur secondaire vertical) je l'avais vue il y a quelques mois et je l'avais écartée du fait du caloduc (pas dans notre champ d'action à l'époque).

Voici mes réflexions que j'avais essayé de formaliser suite à notre réunion "orientation" :

Exposé du problème :
- Sans suivi solaire bi-axe (qui permet une incidence frontale permanente mais qui est chère) : l'angle d'incidence solaire par rapport au capteur induit une forte diminution de la puissance captée par m² de miroir (pb toujours inhérent au solaire mais les choix techniques sont déterminants)
- On veut donc incliner le concentrateur vers le sud pour palier au moins en partie à l'angle d'incidence zénithal*, cela pose d'autres questions techniques qui peuvent dépendre fortement de l'orientation (N-S ou E-O)
- Dans la config Nord-Sud, incliner un CLFR revient à incliner le tube d'absorption : cela limite les types d'absorbeurs compatibles
- Un concentrateur incliné implique une prise d'altitude en fonction de la longueur : longueur potentiellement limitée par cette contrainte. Implications différente selon N-S ou E-O

Mobilité soleil *
Mobilité quotidienne selon les 2 angles (on dit azimuthal et zénithal, c'est ça ??). Illustration : si on prend un observateur épaules fixes tournées vers le sud, pour viser le soleil il doit :
lever la tête d'un angle theta (zénithal?)
tourner la tête d'un angle phi (azimuthal?) vers la gauche (E) ou vers la droite (O),
saisons -> modif de l'amplitude des variations

Mobilité miroirs selon l'orientation
La variation d'angle d'incidence du soleil perpendiculaire à l'axe d'un CLFR est rattrapée par la rotation des miroirs (facile : fonction principale du CLFR)
La variation d'angle d'incidence du soleil parallèle à l'axe du concentrateur solaire induit une translation entre l'image réfléchie et le tube absorbeur (problème)
amplitude variation theta : de 0° à zénith (N-S : facile / E-O: problème)
amplitude variation phi : un peu moins de 180° (N-S : probleme / E-O: facile)


A suivre : nous voulions faire un tableau qui compare pour chaque orientations : les surfaces de miroirs nécessaire par rapport aux puissances solaires captées

[Ororo]

à propos de la publi, j'avais pas lu, j'ai juste regardé les schémas.
effectivement c'est pas ce qu'on veut pour l'instant: les caloducs ne font toujours pas partis de nos choix mais peuvent plutôt être vus comme une variation d'utilisation, envisageable plus tard.
de plus pour une inclinaison N/S, il faut penser à la longueur du concentrateur final: plusieurs mètres = trop long pour être inclinable de manière simple.

[remyb]

J'ai initialisé des calculs pour estimer la variable de puissance selon l'orientation du soleil.

Code : Tout sélectionner

             (o) Absorbeur (circulaire)
               
               
\
  \          Concentrateur aec lesextrémités orientable
   \____________________

J'ai essayé de modéliser la configuration avec un mirroir vertical à l'arriere

Code : Tout sélectionner

|----absorbeur-----
|
| miroir arriere
|
|------concentrateur-------

Lorsque le soleil est bas (automne, hivers), ce mirroir azrriére "double" la surface du concentrateur et de l'absorbeur

[fveynandt]

Salut
Je réfléchissais aussi à mettre au point un concentrateur orienté Est-Ouest, mais qui ne nécessite pas de suivi dans la journée. Il y aurait éventuellement un ajustement saisonnier. En travaillant avec l'optique non-imageante, je pense qu'on peut regarder ce qu'on peut obtenir avec ces contraintes
++
F

[remyb]

Je réfléchissais aussi à mettre au point un concentrateur orienté Est-Ouest, mais qui ne nécessite pas de suivi dans la journée. Il y aurait éventuellement un ajustement saisonnier. En travaillant avec l'optique non-imageante, je pense qu'on peut regarder ce qu'on peut obtenir avec ces contraintes

Dans un fil sur la concentration secondaire, j'ai fais un tableau (.ods) qui donne une idée des dimension d'un CNI type para (sous réserve que les calculs soit juste !).

• alpha : demi angle d'ouverture
• a: rayon de l'absorbeur
• b : demi largueur
• c : profondeur

La colonne b/a indique le facteur de concentration (a condition de divisé par PI).
La dernière ligne est une développante de cercle (concentration de 1).
Avec un alpha de +/- 30° (ajustage pas forcement nécessaire), la concentration n'est que de 2 .
Avec un alpha de +/- 15°, ce qui doit permettre plusieurs heures de fonctionnement par jours moyennant un ajustage saisonier, on obtient une concentration de presque 4
Mais la profondeur est de 49 fois le rayon

Dimensionnement d'un Concentrateur non imageant de type para (angle d'ouverture de +/- alpha)

CNI_Dimension.png (80.86 Kio) Consulté 14515 fois

Je pense qu'en combinant lentille de fresnel linéaire + CNI (type hyper), on doit pouvoir faire des angles d'ouverture faible (=> concentration importante), tout en étant compact et clos . J'en ai parlé dans un fils futurs projets : "four solaire", mais je n'ai jamais tester en vrai...

[remyb]

Code : Tout sélectionner

|----absorbeur-----
|
| miroir arriere
|
|------concentrateur-------

Lorsque le soleil est bas (automne, hivers), ce miroir arrière "double" la surface du concentrateur et de l'absorbeur

Sous resserve que mes calculs soient corrects, j'ai comparé 4 configurations :

• 6H+3V fixe+8 : un champ de miroirs de 6 métrés au sol, un miroir arriére de 3 metres de haute, un absorbeur fixe de 8 metres
• 8H fixe -2+8 : un champ de miroir de 8 mètres, un absorbeur fixe de 10 mètres (en l’arrière de 2 mètres)
• 8H fixe -1+7 : un champ de miroir de 8 mètres, un absorbeur fixe de 8 mètres (en l’arrière de 1 mètre)
• 8H mobile 8 : un champ de miroir de 8 mètres, un absorbeur mobile de 8 mètres

Selon la configuration du concentrateur, estimation selon l'angle de projection dans le plan Nord Sud.

Config_NS.png (60.88 Kio) Consulté 14515 fois

Remarques :
Il faut travailler avec la projection sur le plan vertical Nord Sud, et pas avec la hauteur aparente du soleil car il n'y a pas de suivie azimutal. A midi, c'est pareil, mais pas aux autres heures (surtout le matin et le soir en été : angle > 90, autrement dit, une façade nord serait exposé au soleil).
Je n'ai pas tenu compte du end-loss. Ni du "side loss" du miroir arrière.

En première conclusion :
Entre 18° et 60°, le miroir arriéré fait mieux. Par rapport à un absorbeur mobile, il faut jusqu'à 40% de plus. Donc super l'hivers et en intersaison.
Par contre, 1/4 de moins l'été par rapport à un absorbeur mobile. Par rapport à un fixe de 8 mètres, la perte est encore de 10%. On ne peut pas gagner de partout.
Au niveau réalisation technique et coût, si on considérant que le concentrateur sera sans doute adossé à un bâtiment (distillerie, conserverie, etc.), la solution du miroir arrière me semble fort compétitive.

[remyb]

J'ai initialisé des calculs pour estimer la variable de puissance selon l'orientation du soleil.

Code : Tout sélectionner

             (o) Absorbeur (circulaire)
               
               
\
  \          Concentrateur aec lesextrémités orientable
   \____________________

Pour faire simple, j'ai tenu compte de l'ombre porté de l'absorbeur (cycindrique de 100 mm de rayon), et de la surface interceptée (cela tien compte des obstructions). Par contre, je n'ai pas tenu compte des interceptions des rayons réfléchis, ni des espaces entre les facettes...
Donc, c'est très approximatif.

Dans le graphique, la courbe bleue correspond à une disposition simple. L'ombre portée du concentrateur écrête la courbe, ce qui étale la plage de fonctionnement.

Les autres correspondent à une disposition ou une partie des facettes (un bloc de 6 facettes) pourrait d’incliné de 60° (en gardant une inclinaison parallèle à elle même). On obtient :
Un fonctionnement optimisé pour le matin et un autre pour le soir. Pour la position "midi" (concentrateur complètement à plat), j'ai simulé le mauvais alignement(*) par une réduction de la taille d'une facette de chaque coté.

Suface interceptable selon l'angle dans le plat Est Ouest.

Ajustage-EO.png (45.3 Kio) Consulté 14515 fois

A vue de nez, on gagne un peu plus d'un 1 heure de fonctionnement le matin et le soir. Disons jusqu'à 3 heures par jours selon la saison.

(*) Sur les 6 facettes (en allant vers l'extérieur) :
La N°1 ne bouge pas. Donc pas de problème d'alignement.
Il faut faire en sorte que la N°5 en position base ou haut reste dans le plan qui passe par l'absorbeur. Dans ce cas, par de désalignement.
Les N° 6 et N°3 sont les plus désalignées. Elles sont désalignées dans des sens opposés.
Les N°2 et N°4 sont que légèrement désalignées.

[remyb]

Toujours dans la simulation de disposition des facettes : j'ai essaye d’évaluer la portion qui passe par les inter vals entre les miroirs...

Suface en tenant compte des intervals (bleu) par rapport à sans (rouge) et par rapport à la surface brut de miroir (orange)

Interval.png (21.13 Kio) Consulté 14513 fois

Pertes dans les intervals entre la courbe rouge et la bleue.
Entre l'ombre portée et les intervals, on est, au mieux, à 75% par rapport à la surface de miroirs.
Je ne m'attendais pas a avoir une pertes seulement dans la partie centrale (vers midi).
En fait, c'est logique... Pour les incidents obliques, il n'y a pas d'intervalle entre les miroirs, au contraire, il y a chevauchement.
Cela conduit a un écrêtage encore plus important de la courbe. Le point positif, c'est que cela fait une duré plus longue de fonctionnement a puissance stable.
Paradoxalement, en ne mettant qu'un miroir sur deux, on pourrait presque dire que c'est mieux (rapporté à la surface de miroir). Ou si l'on mette des facettes plus étroites, en plus, la précision d'orientation des miroirs est moins problématique!
Bien sur pour l'emprise au sol et pour la puissance par mètre d'absorbeur (et les pertes thermique qui vont avec), c'est moins bien !

Surface si les intervals sont aussi large que les miroirs

Interval_50%.png (28.21 Kio) Consulté 14513 fois

En combinant avec l'inclinaison d'un bloc des facettes extrêmes évoqué dans un post précédant :
On obtient 30% de la puissance dés le levée du soleil.
Entre -70° et +70°, la puissance est stable entre 80% et 90% par rapport à la surface de miroir.

Surface si les interval represente 50% et que l'on releve un bloc de facettes

Interval_50%_Matin.png (25.01 Kio) Consulté 14513 fois

[remyb]

Paradoxalement, en ne mettant qu'un miroir sur deux, on pourrait presque dire que c'est mieux

Pour être plus précis dans cette remarque.
J'ai comparé des dispositions avec le même nombre de facettes mais reparties sur des espaces différentes :

• de intensif : facettes qui se touchent (comme des vaches dans un élevage intensif )
• à extensif 1/6 : l'espace de 5 facettes entre chaque

Pour conserver le même absorbeur (et concentrateur secondaire), je l'ai positionné plus ou moins haut. La puissance par mètre d'absorbeur est donc la même.
La principale différence porte sur les coûts de structure : emprise au sol, longueur des supports, précision de l'orientation des miroirs.
Il y a aussi des impacts sur les end-loss.

Influense de l'espacement des facettes

Intensif-vs-Extensif.png (52.43 Kio) Consulté 14497 fois

En extensif, le matin et le soir, il y a moins d'ombres portées des miroirs entre eux.
Et, à midi, l'ombre de l'absorbeur touche moins de miroir.
La puissance par mètre de miroirs est toujours supérieures. De plus, elle est plus stable.

A quelle taille, les surcoûts de structure et la gain en puissance s'équilibrent-ils ?

[remyb]

Jusqu'à présent, je n'ai pas tenu compte des interceptions (rayons réfléchis qui sont interceptés par un autre miroir au lieu d'atteindre l'absorbeur).
Et ce n'est pas facile à calculer...
Par contre, on peut, assez facilement calculer le cumul des interceptions maximum possibles. Pour cela, on se place dans un repère orienté dans le sens "facette-absorbeur", et on calcule la position du miroir adjacent, que l'on compare à la taille des facettes.
En pratique, comme les interceptions se font soit à droite, soit à gauche et qu'il faut tenir compte de l'ombre de l'absorbeur, la vrai interception sera toujours inférieure à la moitie de somme présentée sur le diagramme.

Somme des inteception maximum oour une disposition à +/- 28° en fonction de l'espacement des facettes pour 2000mm de miroir

Interception_30.png (14.78 Kio) Consulté 14494 fois

Quand on rapproche les miroirs, les interceptions augmentent très vites .
Par contre, pour +/-30°, une suffit d'un espacement un peu supérieur à 1 pour 10 pour annuler tous risques d'interception.

[remyb]

J'ai fait un tableau pour calculer la position du soleil en fonction de la latitude (en considérant que la terre décrit un cercle autour du soleil) :

DS.ods

Calcul de la position du soleil

(429.16 Kio) Téléchargé 422 fois

Bien sur cela donne le classique diagramme solaire qui représente la hauteur apparente du soleil en fonction de l’azimuthe, selon les dates et heures de la journée :

Diagramme solaire Hauteur/Azimuthe pour 44°N (Avignon)

Diagramme_Solaire.png (60.05 Kio) Consulté 14492 fois

Ce diagramme est très bien si l'on fait un suivie sur les deux axes.
Mais dans notre cas (un seul suivie), il vaut mieux utiliser un diagramme tel que celui-ci :

Diagramme solaire Nord-Sud / Est-Ouest pour 44°N (Avignon)

Diagramme_NS-EO.png (62.15 Kio) Consulté 14492 fois

L'angle en abscisse donne l'incidence apparente du soleil et, donc, en divisant par 2, la variation de l'inclinaison des facettes.
L'angle en ordonné est utilisé pour le calcul de la position de l'absorbeur (si l'on fait une correction saisonniére) et/ou des éventuels end-loss.

[remyb]

Petits calculs pour le démonstrateur.
Dimension :
- concentrateur fresnel : 2m sur 2m de large
- absorbeur mobile : 2m à 1.80m de haut
- hauteur apparente en hivers : entre 20 et 25° (avignon)
Sauf erreur de calcul :

Sans miroir arrière :
Avec une hauteur de 24.5°, l'absorbeur doit avoir 4m de retrait par rapport au concentrateur.
Si ce calage est OK pour la facette centrale, les facettes extrêmes concentreront 60cm plus loin. Et donc 30% de pertes pour ces facettes.
En comptant une répartition en x², la perte moyenne sur le champ est de 7 à 8%.
Une fluctuation de -1° de la hauteur du soleil, engendre un décalage de la zone de concentration de 20 cm environ. Ce qui engendre une perte d’efficacité de 10%.
=> Pour optimiser, il faut déplace l'absorbeur (dans la journée et/ou d'une semaine sur l'autre)...

Avec un miroir arrière
Inutile d'avoir un miroir de toute la hauteur, il suffit d'un triangle de 70 cm de haut, placer juste sous l'absorbeur.
Dans ce cas, en positionnant l'absorbeur à -4m, le fonctionnement se fait sans perte :
- quelque soit la facette
- et quelque soit l'angle entre 19° et 24.5°
=> 10% de plus, sans avoir besoin de déplacer l'absorbeur pendant les 3 mois d'hivers !