Un soleil qui chauffe qui chauffe !

27 octobre 2006
Envoyer la page à un ami (cliquez sur le triangle)

Cette semaine nous nous intéresserons à la possibilité de chauffer très fort divers objets grâce au Soleil. Transformer la lumière en chaleur est l’une des différentes façon d’utiliser ce que l’astre du jour nous offre. Tout comme les cellules solaires classiques transforment la lumière en électricité, les cellules thermovoltaïques transforment la différence de chaleur en électricité. Donc ça veut dire que si l’on chauffe un côté de ces cellules on peut créer de l’électricité.

Oui, mais avec quel rendement ? C’est ce que nous allons tenter de découvrir pendant ce séjour.

 Mâtinée du premier jour

Photo du montage d’étude du soleil

Pour commencer notre séjour nous avons débuté, ça tombe bien, par une mâtinée ensoleillée à 100% ! Pas un nuage à l’horizon et un ciel bleu profond, digne des 1200 mètres d’altitude où se trouve le Centre de Séjour Scientifique.

Après avoir rapidemment mis la main sur les cellules solaires, petite ou énorme, du Centre, nous avons décidé de mesurer l’effet thermique du Soleil grâce à une petite installation de laboratoire.

Cette boîte que vous voyez en photo, parfaitement alignée sur le soleil, nous a permis de mesurer les différentes températures jusqu’auquelles nous pouvions monter avec le même métal de différentes couleurs et ensuite avec la boîte recouverte par différents couvercles.

Toutes les mesures ont été prises après le même temps d’explosition du métal au soleil, et afin de vérifier qu’entre toutes ces mesures l’ensoleillement n’a pas changé nous l’avons vérifié de deux manière différentes : un luxmètre et un voltmètre branché sur une cellule solaire.

Voici les résultats de la première série de mesures :

	10:40	10:50	11:00
Métal nu	30,1 °C
Métal peint en blanc		31,6 °C
Métal peint en noir			37,4 °C
Luxmètre	max*	max*	max*
Voltmètre sur petite cellule solaire	0,55 V	0,55 V	0,55 V
Voltmètre sur grosse cellule solaire	20,00 V	20,00 V	20,00 V

* l’aiguille est en dehors de la graduation tellement il fait soleil, et est collée contre le cadran tellement elle « pousse » fort vers la droite

Nous venons de rajouter la vitre transparente

Nous voyons donc que le métal nu, qui renvoie la lumière comme le ferait par exemple une feuille d’aluminium, chauffe moins que le même métal peint en blanc. Cependant celui peint en blanc renvoie lui aussi une grande partie de la lumière car il chauffe à peine plus que celui qui est nu (brillant) et beaucoup moins que celui qui est peint en noir. Pour transformer le maximum de lumière en chaleur il faut donc un corps le plus noir possible. Le métal peint en noir que nous avons utilisé était légérement brillant. Nous pourrons donc obtenir de meilleurs résultats en trouvant le moyen de le peindre en noir très mat et le plus noir possible (car tous les noirs ne sont pas identiques). Il faut aussi noter que la peinture est un isolant thermique. Il faudrait donc trouver un moyen pour que ce soit le métal qui soit directement noir, et le plus noir possible, ou alors que la couche de noir soit la plus fine possible. C’est possible par exemple en déposant du chrome noir sur le métal, mais cette technique est réservée à l’industrie. Nous essayerons de nous en procurer pour un prochain camp.

Nous avons ensuite conservé le métal peint en noir devant lequel nous avons déposé une vitre en plexiglas (devant la boîte très exactement). Le premier couvercle est bleu translucide, le deuxième blanc translucide et le second est transparent.

Voici donc les résultats de cette deuxième série de mesures :

	11:10	11:20	11:30
vitre bleue	37,1 °C
vitre blanche		37,5 °C
vitre transparente			43,5 °C
Luxmètre	max*	max*	max*
Voltmètre sur petite cellule solaire	0,55 V	0,55 V	0,55 V
Voltmètre sur grosse cellule solaire	20,00 V	20,00 V	20,00 V

Assis dans l’herbe en train de faire le schéma du montage expérimental

Nous remarquons que la vitre bleue empêche trop la lumière de passer puisque le métal est plus froid que s’il était sans vitre. Par contre avec une vitre blanche translucide il est déjà plus chaud. Enfin avec une vitre transparente la température monte là aussi d’un coup à beaucoup plus !

En fait, une fois la lumière transformée en chaleur, c’est la chaleur qui s’échappe du capteur. Cette vitre, quelle soit bleue, blanche ou transparente, empêche la chaleur de partir. Et comme la vitre transparente laisse passer le maximum de lumière, c’est bien évidemment elle qui marche le mieux (en même temps qu’elle isole la chaleur elle n’empêche pas pour autant le capteur de faire son travail).

Nous avons donc vu comment optimiser à deux reprise de manière radicalement plus efficace la capture de la lumière du soleil. D’abord en utilisant un capteur noir, ensuite en isolant celui-ci du « froid » extérieur en gardant la chaleur devant lui.

Nous pourrions faire encore mieux ça c’est certain ! Nous connaissons des fours solaires réalisés par des individuels qui montent la température de l’air à plus de 300°C !

 Après-midi du premier jour et deuxième jour

Nous nous sommes maintenant lancé dans la construction d’une souris robotisée qui avance toute seule avec un moteur électrique et une pile.

Fabrication du moteur

J’ai d’abord monté le moteur électrique car il était en kit, constitué de plusieurs pignons blancs et rouge. Je les ai assemblé avec des axes de rotation en métal tenus sur un châssis en plastrique jaune avec des trous. Les pignons blancs tournenent librement autour de l’axe alors que les rouges bloquent l’axe, et l’entraînent.

Le moteur électrique seul tourne très vite tandis que l’axe final tourne très lentement. C’est grâce aux engrenages que ça diminue de vitesse, et ça s’appelle une démultiplication. L’ensemble des engrenages s’appelle un démultiplicateur.

Fabrication du corps et des oreilles

Cela marche avec une pile de 4,5 Volts que l’on branche avec des fils électriques coincés sur le moteur avec des trombones. Ce qui permet de les enlever et de les remettre.

J’ai assemblé du polystyrène avec du scotch (les oreilles) et avec le pistolet à coller (pour assembler le corps avec le châssis et la pile). J’ai peint les oreilles en bleu et le corps en vert.

La souris terminée

Nous avons soudé les fils électriques sur les deux petites sorties du moteur et puis nous avons accroché les trombones sur les pates de la pile. Le premier trombone a été accroché sur la petite lamelle de la pile, et rien ne s’est pas passé, puis nous avons accroché le deuxième trombone sur l’autre lamelle et à ce instant la souris a avancé !!!

Si nous avions mis le premier trombone sur la grande lamelle et le deuxième trombone sur la petite lamelle, la souris aurait reculé.

 Troisième jour

Lundi je suis parti sur les volcans avec le camp « Le monde des cristaux ».

 Quatrième et cinquième jour

Deux modules thermovoltaïques (celui de droite est éclaté pour voir ce qu’il y a dedans)

Nous nous sommes maintenant lancé dans une toute nouvelle expérience. C’est même la première fois qu’elle aura été menée sur le Centre de Séjour Scientifique de St-Anthème.

Nous nous intéressons aux petites cellules thermovoltaïques qui fournissent de l’électricité grâce à la différence de chaleur entre ses deux faces. Si l’on chauffe un côté grâce au Soleil (face teinte en noir mat) et si l’on garde l’autre à la température ambiante (face blanche à l’ombre), alors quelle tension électrique (Volts) obtiendrons-nous ?

Il s’agit de rapidemment vérifier, en travaillant en « ordre de grandeur », s’il est possible

1) de booster la production d’électricité en intégrant la face noir au sein d’un four solaire (voir nos expériences précédents plus haut dans la page)

2) de fournir autant d’électricité avec un tel qu’avec une cellule photovoltaïque (classique, au sillicium cristallin - plus efficaces qu’au silicium amorphe).

Coupe du balsa

Nous avons donc pris deux modules thermovoltaïques identiques, avons teint en noir mat les faces à chauffer, puis avons intégré l’une d’elle au sein d’un four solaire construit en balsa et fermé par du celophane de cuisine.

Il est important de noter pour la lecture des résultats qui vont suivre que ce four solaire est un four solaire de fortune, dont certains trous laissent passer un peu d’air (mauvaise isolation), dont la seule et unique couche de celophane n’isole pas totalement du froitd non plus (pas de « double vitrage ») et enfin qu’il y a probablement mieux que le celophane pour laisser passer TOUTE la lumière.

La base du four solaire qui va accueillir le module thermovoltaïque

Toujours est-il, comme vous pouvez le voir, qu’on a pu réaliser diverses expériences au soleil naturel, sous un soleil artificiel constitué d’un puissant phare halogène, puis à nouveau sous un soleil naturel.

Et bien nous avons réussi à obtenir d’ores et déjà plus du double de volts avec la cellule dans le four solaire qu’avec la cellule seule. De plus, les 0,25 V fournis par la celulle mise dans le four solaire sont prometteurs puisqu’elle fait à peine plus de la moitié de surface que la cellule au silicium cristalin prise en référence et qui fournit le double (0,55 V).

Le module dans le four solaire et le module sans four solaire

Il sera très intéressant, pour un prochain séjour de vacances, de construire un super four solaire efficace, et de vor jusqu’à combien de volts on peut monter.

Ensuite, un autre séjours encore, plus tard, pourra s’intéresser à la réalisation d’un four solaire aussi efficace mais également léger et solide. Alors à ce moment là nous pourrons comparer les volts mais aussi le poids, et voir dans quelle mesure les cellules thermovoltaïques pourront, ou non, être utiles pour construire les ailes électriques du PARADISAEA !

Les modules thermovoltaïque peints en noir mat

Photo du montage expérimental

A peine l’expérience a-t-elle démarré.

Photo prise lors de la retransmission de l’expérience aux enfants des autres séjours

Faites connaître cette page à vos amis :

Poster un message ou une question