Compte-rendu

BARBECUE SOLAIREMULTIMODE

Atelier scientifiquedu collège Vallée Violette

2015-2016

Les membres*:

ANTOINE JérémyBEUN Marcus

COUTARD DorianCREPIN MathieuFORGET Andréa

FRANQUES JasonGERALDO Hugo

LEBLANC ClémentMERCIER Yannis

RAVARD LéoROUAULT Gabriel

WINANDY RomualdWINANDY Tatian

Les professeurs encadrant :

COUDER RenaudJACQUES Jean-François

* en gras souligné, les membres qui présenteront l'exposé le jour de la finale académique.

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INTRODUCTION :

Dans notre société actuelle, les ressources d'énergies comme le pétrole sont en train de

disparaître. Quand toutes ces énergies auront disparu, il faudra se débrouiller pour trouver

des nouvelles solutions. Actuellement les énergies renouvelables (l'éolien, l'hydraulique, le

solaire, ...) sont en pleine expansion. De plus en plus de personnes font poser des

panneaux solaires sur leur maisons ou entreprises pour s'alimenter. Il y a même un avion

solaire (Solar Impulse) qui est parti faire le tour du monde.

Dans le cadre de "2015 : année Internationale de la lumière

et des techniques utilisant la lumière", nous, élèves de

l’atelier de culture scientifique et technique du collège Vallée

Violette, avons donc décidé de construire et exploiter un

barbecue solaire multimode.

Nous avons contacté M. MERCIER, vice-président de la

Société Astronomique de Touraine (SAT) pour nous aider dans

l'obtention d'une parabole et faire quelques observations du

Soleil (qui n'ont pas encore eu lieu du fait du temps maussade).

Pour la réalisation de ce projet, nous allons utiliser

entre autre une parabole, du papier en matière

réfléchissante, un panneau solaire photovoltaïque

avec batterie et régulateur de courant, une résistance

métallique, un thermomètre numérique, une loupe et

surtout DU SOLEIL et des jeunes chercheurs !

La parabole sera orientée vers le Soleil pour réfléchir

les rayons vers un point précis. On utilisera une

batterie qui sera chargée auparavant avec un

panneau solaire pour augmenter la capacité de

chauffe à l'aide de la résistance.

Nos objectifs : Essayer d'abord de faire fondre des matières (chocolat, bougie, étain),

bouillir de l'eau, éventuellement faire du pop corn, un marshmallow chaud (entre grillé et

fondu)… et le tout sans polluer.

Il faudra enfin construire un appareil compact permettant de contenir tous les éléments.

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DEVELOPPEMENT :

Problématique

Peut-on faire chauffer, faire fondre ou cuire des matières alimentaires (chamallow grillé,

faire du caramel, …) rien qu’à la force de l’énergie solaire et ce en toute saison, et donc

sans polluer ?

On sait déjà faire fondre du chocolat facilement en laissant un carré en plein Soleil l’été.

Le faire en hiver est déjà plus difficile, de même placer de l’eau sucrée en plein Soleil l’été

ne permet pas d’obtenir du caramel.

Notre objectif est donc de concevoir un tel dispositif n’exploitant que l’énergie du Soleil.

Une fois conçu, ses conditions d'utilisation et ses capacités seront étudiées.

Nous allons d’abord exposer nos recherches concernant la partie MODE THERMIQUE

OPTIQUE de notre dispositif. Nous n’avons reçu le matériel pour la partie MODE

THERMIQUE ELECTRIQUE que récemment et n’avons donc pu travailler sur ce mode

que tardivement.

MODE SOLAIRE THERMIQUE OPTIQUE

Notre liste de matériel initiale

➢ des loupes

➢ des miroirs plats, un petit miroir parabolique

➢ un rétroprojecteur pour simuler le Soleil

➢ un thermomètre infra-rouge

➢ un générateur de fumée pour visualiser les faisceaux lumineux

➢ du papier noir

➢ des lunettes de Soleil

➢ une antenne parabolique

➢ du papier aluminium, du film miroir autocollant, de la mosaïque de miroirs

➢ des outils divers dans une boîte à outils

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Pour l'antenne parabolique, nous avons d'abord contacté M. MERCIER, vice-président de

la Société Astronomique de Touraine (SAT) pour nous aider dans l'obtention d'une telle

antenne et faire quelques observations du Soleil. Mais la SAT n'a pas pu nous aider.

Finalement, nous en avons trouvé une inutilisée sur le toit du collège. Merci à Mme

DELACOUT, Principale du collège d'avoir accepté son démontage, et à M. JEHANNIN,

l'agent technique, d'avoir apporté son aide technique pour son décrochage.

Tests initiaux avec loupe, miroir plat, miroir parabolique

Nous avons fait quelques tests en extérieur, tant que le Soleil était accessible : nos

premières tentatives se basaient sur des miroirs et loupes. C'est pourquoi nos premiers

schémas d'idées de montages ressemblaient un peu à ceci :

Nous avons utilisé un thermomètre numérique pour

voir quelle augmentation de température on pouvait

espérer. Les températures atteintes avec les miroirs

n'étaient pas vraiment à la hauteur de nos attentes,

même s'il est vrai que les tests ont été faits avec un

ciel un peu couvert.

C'était un peu mieux avec les loupes, qui concentrent

les rayons lumineux.

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De toute façon, si on avait choisi d'utiliser une loupe, le soucis aurait été de fabriquer ou

acheter une loupe assez grande pour chauffer davantage. Cela nous a semblé trop

compliqué (faire fondre du sable n'est pas simple !).

Par la suite, le Soleil s'est fait plus que discret les jours où nous nous rencontrions si bien

que nous avons dû le remplacer par une autre source de lumière, un rétropjecteur, en

attendant des jours meilleurs.

Enfin, d'autres tests ont donc été réalisés avec un miroir grossissant, type petit miroir de

maquillage. On a réussi à faire

brûler du papier, même avec

un miroir parabolique de petite

taille. Le thermomètre infra-

rouge affichait des

températures de plusieurs

dizaines de degrés celsius, et

on a visualisé le faisceau de

lumière issu du miroir

parabolique à l'aide d'une

machine à fumée.

Le miroir parabolique nous a

semblé un moyen plus simple pour concentrer de l'énergie solaire. Il fallait alors passer de

cet objet de petite taille à un dispositif plus grand pour atteindre des températures plus

élevées, d'où l'idée par la suite d'utiliser une antenne parabolique.

Choix du type de papier réfléchissant

Nous aurions pu choisir le papier aluminium car c'est ce qu'il y avait de moins cher à

disposition. Mais le pouvoir réfléchissant de l'aluminium est moins puissant que celui du

papier miroir. En l'aplatissant au mieux, on n'arrive pas à voir une image nette de nous-

même dedans. De plus le papier alu se froisse donc il reflète les rayons du Soleil dans

toutes les directions au lieu d'une direction précise.

Nous aurions pu choisir des tesselles de miroirs, sous forme de petits carrés autocollants

en verre de 1cm². C'est ce qu'il y aurait eu de mieux pour réfléchir la lumière. Mais vu la

surface de parabole à couvrir, nous avons abandonné l'idée quand nous avons calculé le

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montant de la dépense. Avec au mieux 3,5 € pour 200 cm², cela aurait épuisé notre

budget. En plus, cela aurait pris beaucoup de temps à poser et aurait alourdi de manière

importante la parabole.

On nous a donc conseillé (M. THIBAULT) d’utiliser du papier miroir disponible en magasin

de bricolage, d'un meilleur pouvoir réfléchissant que le papier aluminium, plus épais et

surtout autocollant, donc plus facile et rapide à appliquer.

Travail mathématique sur le tapissage de la parabole

Si on pouvait l'aplatir, notre antenne parabolique ne serait pas un disque mais à peu près

une ellipse, avec un grand côté d’environ 101 cm et un petit côté d’environ 92 cm.

Si on assimile la parabole aplatie à un disque de rayon r = 50 cm, on obtient la surface du

disque avec la formule S = π x r² = π x 50² = 7850 cm².

Le papier miroir que nous avons acheté est conditionné en rouleau qui, une fois déroulé,

forme un rectangle de 150 cm × 45 cm soit une surface d'environ 6750 cm². Donc, la

parabole ne sera pas entièrement recouverte avec le rouleau de papier miroir dont nous

disposons.

Un groupe a réfléchi sur les figures géométriques les mieux

adaptées que l'on découpera et que l'on collera sur la parabole.

Des triangles semblent les mieux adaptées car il faut une forme

qui évite les plis lors du collage sur la surface incurvée de la

parabole.

Puis, on a réfléchi

à combien de

triangles on devait

prévoir. Le papier miroir fait 150 cm de long

sur 45 cm de large. On a d'abord testé avec

8 triangles isocèles, en assimilant la parabole

à un octogone. Mais les triangles auraient été

peut-être plus difficiles à poser, vu leur

surface plus grande. On a eu peur en plus

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que ça ne crée des plis. On a donc décidé de partir sur 12 triangles isocèles de 30°

d’angle au sommet (car 360° ÷ 12 = 30°) et de hauteur 45 cm (la largeur du papier miroir).

Par construction, on a trouvé une base de 24 cm pour chaque triangle.

Le papier miroir faisant 150 cm de long, cela devait permettre de découper 11 triangles

entiers, 2 demi-triangles et il devait rester une bandelette de 6 cm de large.

Couverture de la parabole avec la matière réfléchissante

Nous avons dû rechercher le centre de la parabole. C’est

le point à partir duquel nous commencerons à placer les

triangles miroirs.

Les professeurs nous ont aidé, car travailler sur des

figures en 3 dimensions est plus compliqué que sur 2

dimensions. Pour trouver le centre de la parabole, nous

avons utilisé un laser de bricolage, en l'alignant sur les

rivets présents sur la parabole (qui semblaient sur un axe

de symétrie). Puis nous avons tracé un trait à la craie le

long du laser et avec une règle souple, nous avons

localisé le centre de la parabole.

Les professeurs nous ont montré une simulation de tapissage sur

une parabole modèle réduit, qui était un morceau de l’antenne

avant qu’on démonte les parties qui étaient inutiles. Nous avons

constaté

que si l’on

mettait les triangles côte à côte,

une zone vide se voyait entre

chaque triangle. Nous en avons

conclus que pour qu'il n'y ait pas

d'espace, nous devions superposer

les triangles de papier miroir. Nous

les avons superposés sur environ 1

cm pour éviter ce problème.

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Résultat de la réalisation : une erreur de découpage dans le patron de départ a conduit

au découpage de 12 triangles de 23 cm de base au lieu de 24 cm. Il restait alors 2 demi-

triangles et une bandelette de 2 cm de large et 45 cm de long au lieu de .

Nous aurions dû nous mettre à plusieurs sur la phase de réalisation et de vérification du

patron, ce qui nous aurait permis de corriger le tir. Toutefois, cela n’a pas trop gêné dans

le tapissage de la parabole.

Une fois le film protecteur enlevé, la parabole était bien réfléchissante.

Quelques petits défauts subsistent :

- Les zones où le papier miroir se chevauche sont inesthétiques et risquent probablement

de dévier les rayons lumineux dans des directions non désirées.

- De même, il y a les rivets qui dépassent et le relief de la marque de la parabole peuvent

faire défaut au niveau du point de chauffe et de l'esthétique.

- la totalité de la surface de l’antenne n'est pas couverte : ça n'est pas très beau et peut

limiter l'efficacité.

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Test de la parabole recouverte

Le Soleil n’étant pas au rendez-vous, nous avons testé la parabole à l’aide d’une source

primaire de lumière artificielle : celle d’un rétroprojecteur.

Protection des yeux : L’œil étant un organe précieux et fragile, il est vital de se protéger

pendant des expérience où il y a de grande quantité de lumière.

Les personnes dans l’axe source de lumière-parabole ont donc mis des lunettes de Soleil

pour se protéger les yeux. Personne ne devait placer son visage entre la source et la

parabole. En effet, recevoir la lumière convergente issue de la parabole pourrait

occasionner des lésions oculaires importantes au niveau de la rétine.

A l’aide d’une machine à fumée, nous avons tenté de voir si notre parabole fonctionnait

bien, c’est-à-dire, si elle permettait de faire converger un faisceau lumineux en un point

précis, le foyer.

Le résultat a été assez concluant : on visualise bien le faisceau convergent, en un point de

dimension pas trop grande qui sera le foyer de chauffage de notre barbecue.

On a remarqué que la position de ce point dépend de l’inclinaison de la parabole par

rapport à la direction du faisceau de lumière de la source.

Nous devrons en tenir compte pour localiser précisément la zone de chauffage de notre

dispositif et allons donc devoir trouver un support de la parabole permettant une

inclinaison (verticale) et une orientation (horizontale) facile.

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Nous n'avons toutefois pas réussi à faire brûler

un morceau de papier noir avec le

rétroprojecteur. Nous avons hâte de pouvoir

tester un jour de plein Soleil.

Nous avons eu de la chance. La veille de la date limite de remise du compte-rendu, le

Soleil était au rendez-vous ! Nous avons pu recharger en partie la batterie évoquée dans

la partie qui suit.

Les tests de la parabole avec le Soleil ont été impressionnants. Nous avons dû

rapidement adopter les règles de sécurité déjà évoquées notamment pour nous protéger

les yeux et la peau, car la puissance du dispositif avec le Soleil était sans précédent.

Nous avons mesuré furtivement une température de près de 650°C en mettant le foyer sur

une surface métallique. Du carton prenait feu instantanément, tout comme du bois. Enfin,

nous avons essayé de faire fondre un chamallow. Nous l'avons en fait carbonisé, en le

faisant chauffer un peu trop.

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MODE SOLAIRE THERMIQUE ELECTRIQUE

Notre liste de matériel initiale

un panneau photovoltaïque

une batterie lithium-ion

un régulateur de courant ou contrôleur de charge (Imax = 10 A maximum en sortie).

une vieille résistance de grille-pain ou du fil métallique en alliage nickel-chrome.

du fil métallique conducteur pour compléter le circuit

Nous avons cherché un kit solaire

comportant un panneau solaire

assez puissant : 20Wc, un

contrôleur de charge : 12V, une

batterie : 28 Ah, sur des sites qui

accepte le paiement par mandat

administratif.

Nous avons finalment pris le kit

chez la société WATTUNEED et

avons dépensé la totalité de la

subvention dans cet achat.

Schéma de circuit

Voici le circuit électrique que nous avions prévu :

La diode permet au panneau solaire de fournir du

courant à la batterie pour la charger et empêche le

passage du courant dans la branche du panneau

solaire, qui lui, n'a pas besoin d'être chargé.

Nous n'avons pas représenté le contrôleur de charge

car nous ne savons pas exactement ce qu'il contient.

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Choix de la résistance du circuit chauffant

Nous avons vu en 5eme que mettre des brins de paille de fer sur les bornes d’une pile

provoquait un court-circuit, faisant chauffer puis brûler la paille de fer. Puis, en

épaississant le brin de fil de fer, on constatait que la paille ne brûlait plus mais se mettait

seulement à chauffer.

On doit donc trouver la bonne taille et le bon diamètre pour le fil métallique qui va servir de

résistance.

Les seules contraintes sont : Imax = 10 A pour le régulateur de charge où sont branchés la

batterie et le panneau photovoltaïque.

La batterie était déjà un peu chargée à son arrivée.

Nous avons pu faire quelques tests sans avoir à la recharger.

On a d'abord testé avec un fil de 4 m en nickel-chrome que M. JACQUES avait en réserve

au laboratoire.

En mettant un ampèremètre en série dans un circuit comprenant la batterie et le fil de

longueur L = 4 m, on a obtenu I ≈ 2A. Le fil ne chauffait pas beaucoup.

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En diminuant la taille du fil, on devrait progressivement trouver la bonne longueur pour

atteindre une intensité I proche de 10 A mais sans la dépasser.

On suppose qu'avec un fil de 2 m on aura I ≈ 4A et qu'avec un fil de 1 m, I ≈ 8 A.

On a vérifié avec un fil d'une longueur proche de 1 m et on a trouvé I ≈ 7 A ce qui confirme

à peu près notre hypothèse.

On suppose donc que l'intensité I et la longueur L du fil

sont inversement proportionnelles :

I = A x 1/L et on trouve A ≈ 8 avec les quelques valeurs

mesurées.

Donc pour atteindre une intensité I proche de 10 A sans

la dépasser, il nous faudrait un fil de longueur

supérieure ou égale à 8/10 soit 80 cm maximum.

Test : avec 80 cm, on atteint I ≈ 9,5 A ce qui est bien. Le fil chauffe fort. On a mesuré une

température de fil supérieure à 110°C (la photo n'a pas été prise au bon moment) !. Cela

devrait suffire pour notre système de chauffage

annexe.

Nous avons fait aussi des tests avec uen vieille

résistance de grille pain que nous gardons en secours

au cas où notre première résistance lâche.

En dessous de 80 cm pour le fil, l'intensité I est trop

forte dans le circuit et le contrôleur de charge bloque

le courant à la sortie. Le fil ne chauffe pas.

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Branchement du kit solaire

Nous avons procéder ainsi :

Le bouton orange joue le rôle d'un interrupteur.

Il nous permet d'actionner ou non le passage du courant dans les fils connectés à la

résistance chauffante.

Test du circuit de chauffe électrique

Comme écrit précédemment, la veille de la date limite de remise du compte-rendu, le

Soleil était au rendez-vous ! Nous avons pu recharger en partie la batterie et avons fait un

test de chauffage d'un morceau de papier. Nous n'avions pplus de nourriture sous la main.

Le papier s'est mis à noircir sous l'effet de la chaleur, en quelques secondes.

Elaboration de la zone de chauffage

Cette partie n'est pas encore achevée à l'heure où nous terminons ce compte-rendu. Nous

espérons qu'elle le sera techniquement pour fin mars.

La zone sera chauffée de manière mixte, par le mode SOLAIRE THERMIQUE OPTIQUE

et par le mode SOLAIRE THERMIQUE ELECTRIQUE.

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Il faudra que l'on place précisément cette zone là où convergent les rayons lumineux.

Nous pourrons ainsi adapter notre dispositif et placer le grillage de chauffe au bon endroit.

Sur cette grille, nous pourrons placer les matières à chauffer et aussi placer un récipient

résistant à la chaleur, qui recevra à la fois le faisceau convergent de lumière, et la

résistance électrique de chauffe.

Si on prend un récipient de chauffe, genre une petite boîte de conserve, nous devrons la

peindre en noir pour qu'elle absorbe bien la chaleur.

L'un d'entre nous a même évoqué l'idée d'utiliser carrément la grille support comme

résistance chauffante... Nous étudierons cette idée.

Agencement final des différentes parties

On essaiera de fixer le panneau photovoltaïque à l’antenne parabolique.

Il y a un vieux trépied de photographie au laboratoire. Nous allons nous en servir pour

soutenir la parabole et bricoler un support pour maintenir la batterie et le régulateur de

charge. Enfin, nous essaierons d'améliorer l’esthétique en peignant éventuellement.

CONCLUSION :

À ce jour, nous avons réussi à :

✔ Fabriquer une parabole solaire

✔ Fabriquer une résistance chauffante alimentée électriquement

✔ À faire chauffer quelques matières avec l'un et l'autre des modes de chauffage

✔ À faire quelques relevés de températures

✔ À faire brûler du carton, du bois, un chamallow avec le mode optique.

Il nous reste à faire ceci :

✗ Concevoir et positionner la zone de chauffage.

✗ Supprimer les zones de superposition du papier miroir pour augmenter l’efficacité.

✗ Augmenter la couverture de la surface de la parabole.

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✗ Optimiser le support du dispositif et son aspect « démontable ».

✗ Trouver un système de visée du Soleil pour la bonne localisation du foyer.

✗ Prévoir la durée de chauffe possible avec la batterie (SOLAIRE ELECTRIQUE).

✗ Trouver les horaires d'efficacité en chauffe optique (SOLAIRE OPTIQUE).

✗ Multiplier les essais en plein air pour avoir une banque de données de mesures.

✗ Trouver l'angle optimal du panneau solaire par rapport à la direction des rayons

solaires pour une rechrage optimale de la batterie.

✗ Améliorer l'esthétique du dispositif.

Enfin, contrairement à ce que l'on a écrit dans notre introduction, notre dispositif est quand

même polluant, indirectement, comme beaucoup de choses. Fabriquer un panneau solaire

nécessite du silicium, qui doit être extrait du sable, ce qui demande une dépense

énergétique. Fabriquer la batterie nécessite du lithium, qu'il faut extraire. Qui dit extraction,

dit la plupart du temps pollution.

Nous espérons que vous apprécierez notre compte-rendu.

Cordialement,

L'équipe de l'atelier science du collège Vallée Violette

Merci à M. THIBAULT pour ses conseils fournis lors d'une visite à notre collège le vendredi

5 février.

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