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RÉSUMÉ
Les fours solaires sont des outils uniques de recherche dans le domaine des hautes températures. Une première partie est consacrée à l’explication du principe de fonctionnement de ces fours, et aux différentes technologies qu’ils emploient, notamment les éléments d’optique. Les systèmes à concentration et leurs facteurs, la concentration maximale théorique, ou les causes d’élargissement de la tache focale, sont autant d’aspects abordés. Sont ensuite passées en revue les applications dans le domaine des matériaux à haute température (élaboration des matériaux, test et qualification de ces matériaux). Les applications dans le domaine de la production de vecteurs énergétiques viennent clore cet article.
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Gilles FLAMANT : Ingénieur ENSCP, directeur de recherches au CNRS - Directeur du laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire Promes-CNRS/VPR 8521
INTRODUCTION
Les fours solaires sont des outils uniques de recherche dans le domaine des hautes températures (matériaux et procédés).
Ce dossier présente les éléments d'optique définissant les caractéristiques du flux solaire concentré au foyer d'un four solaire. Il définit aussi la problématique de la mesure des températures, en présence de perturbations liées au rayonnement réfléchi. Y seront ensuite détaillées les caractéristiques des fours solaires européens.
La dernière partie est consacrée à une revue de leurs applications dans les divers domaines scientifiques et technologiques, allant de l'élaboration des matériaux à la production d'hydrogène.
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1. Principe et technologies
De nombreux éléments de ce paragraphe sont empruntés à la référence .
1.1 Systèmes à concentration
La concentration du rayonnement solaire peut être réalisée par réfraction (lentille), ou par réflexion (miroir). Les fours solaires appartiennent à cette dernière catégorie.
Un système à concentration permet d'augmenter la densité de flux arrivant sur un dispositif chargé d'absorber le rayonnement et dénommé « récepteur ».
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On peut distinguer quatre grands types de systèmes à concentration par réflexion :
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deux mettent en œuvre des réflecteurs et des récepteurs mobiles ;
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deux autres utilisent des réflecteurs mobiles et des récepteurs fixes.
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Les concentrateurs cylindro-paraboliques et paraboloïdaux constituent la première famille. Ils se distinguent par le mode de suivi du soleil et le facteur de concentration :
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un axe pour le cylindro-parabolique (concentration inférieure à 100) ;
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deux axes pour le concentrateur paraboloïdal (concentration pouvant dépasser 10 000).
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Les centrales à tour et les fours solaires constituent la deuxième famille. Une centrale à tour est un système à simple réflexion constitué d'un champ d'héliostats et d'une tour en haut de laquelle est placé le récepteur solaire.
Les héliostats sont mobiles autour de deux axes de rotation de manière à renvoyer constamment le rayonnement solaire dans une direction fixe, celle du récepteur. Ils sont, généralement, légèrement focalisants afin d'assurer un meilleure concentration (assurée par le facteur de concentration individuel des héliostats et la superposition de leurs images, elle peut atteindre un facteur de 3 000 environ).
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Les fours solaires reposent sur le principe de la double réflexion (voir figure 1). Ils se composent d'un ou plusieurs héliostats plans qui renvoient le rayonnement dans une direction commune, celle de l'axe du système de concentration. Celui-ci est fixe et assure la focalisation en une zone appelée « foyer ». Le concentrateur est généralement constitué d'un ensemble de facettes réflectrices disposées...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WELFORD (W.), WINSTON (R.) - The optics of non-imaging concentrators - . Academic Press, New York (1978).
-
(2) - TROMBE (F.), LE PHAT VINH (A.) - Conclusion générale - , Cahier de l'AFEDES No 3, 66-70 (1971).
-
(3) - TROMBE (F.), LE PHAT VINH (A.) - Calcul de la concentration de l'énergie solaire dans le cadre de l'optique géométrique - , Cahier de l'AFEDES No 3, 19-26 (1971).
-
(4) - TEPLYAKOV (D.), APARASI (R.) - Solar concentrator for uniform irradiation of flat energy receivers and converters - . Gelioteknika, vol. 14, No 5, 32-40 (1978).
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(5) - DAVIES (J.), COTTON (E.) - Design of the quartermaster solar furnace - . Solar Energy, vol. 1, No 2-3, 16-22 (1957).
-
(6) - VITTITOE (C.), BIGGS (F.) - Six-gaussian representation of the angular brightness distribution for solar radiation - ....
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