SolarOSE : concentrateur solaire thermique linéaire de fresnel

Guide de construction pas à pas du CONCENTRATEUR SOLAIRE THERMIQUE LINÉAIRE DE FRESNEL. Cette version est le démonstrateur conçu et construit par Open Source Ecologie. La réalisation finale a été propulsée par le fameux camp d'innovation POC2. Il s’agit d’un Concentrateur Solaire Thermique qui utilise le principe du Réflecteur Linéaire de Fresnel, adapté pour des besoins de chaleur entre 100°C et 250°C.

Difficulté

Difficile ⧼wf-propertyvalue-difficulty-Difficile⧽

Durée

150 heure(s) ⧼wf-propertyvalue-durationtype-heure(s)⧽

Catégories

⧼wf-propertyvalue-area-Énergie⧽, ⧼wf-propertyvalue-area-Machines & Outils⧽

Coût

2000 EUR (€)

Solarose-nicepic.jpg Création

Matériaux

Steel:

• Tube 40×30 thickness:2 L1430 minimum length 1430 quantity:4 (Order : 1,5 x 6m)
• Tube 25×25 thickness:2 L2130 minimum length: 2130 quantity:4 (Order : 2x6m)
• Tube 30×30 thickness: 2 L2500 minimum length: 2500 quantity: 5 (Order: 2 x 6m)
• Tube 20×20 thickness: 2 L2200 quantity: 4 + L1000 quantity 2. minimum length: 2200 (Order: 2.5 x 6m)
• Tube_50x50 ép.3 L3m minimum length: 3m quantity: 2 (Order : 1x6m)
• Jonc acier Ø8 quantity: 6M minimum length: 150mm (Order : 1x6m)
• Flat (15 to 20) x (2 to 2,5) L2,5m minimum length: 2,5m quantity: 2 (Order: 20,58×2,5 L6m)
• Flat (7 to 10) x (1 to 2) L2,5m minimum length: 2,5m quantity: 1
• Flat 20×3, L100mm quantity 2
• Flat 30×5, L2150mm quantity 1
• Profile. interior dimension : (20 à 35) x (30 à 50) L 2,2m quantity: 2; L 100, quantity 2. minimum length: 2,2m (Order: dim int 27 x 55,5 thickness: 3. dim ext 30 x 58,5)
• Stainless steel bar 8000 mm long, 8mm diameter

Aluminium:

• Square tube 2000m long, 20×40.
• 2000x 3000 (2000×2000 + 3 times 340 x 680 mm + 2 times 230 x 125mm + 2 times 50 x 50 mm) Mirror plate, anodized aluminum
• 0.2 mm thick Plate (printing offset plate) 700mm x 2100mm + 300x250mm

Screws:

• Screw M10 L80. Quantity: 2
• Screw M8 L100. Quantity: 12
• Screw M6 L70. Quantity: 32
• Screw M6 L60. Quantity: 40
• Screw M6 L70 quantity: 40
• Screw M6 L25. Quantity: 20
• Screws M5. Quantity :12
• Screw CHC (pan hex head) M4 L20 quantity: 50
• Screw M4 countersunk hex head. Minimum length: 10 quantity: 20
• Screw M3x16. Quantity : 80
• nut M8. Quantity : 42
• nut M6. Quantity :200
• nut M5. Quantity :12
• nut M4 quantity : 150. (60 in screws H M4 (thickness 3) + 50 in countersunk head screws M4 (thickness 3)
• Washers M3 quantity : 300. Ø9-Ø3,2-thickness:0.7
• Washers M4 quantity: 120. Ø12-Ø4,4-thickness:1
• Washers M6 quantity : 250. Øext 13.8 et 18
• threaded rod M8 quantity: 1000mm. minimum length: 400mm

Wood:

• Wood plate (for example laminated structural wood), minimum dimension: 810×500 (thickness:.10) compatible with laser cut. Quantity: 2

Pipes:

• 1 brass tube with an exterior diameter of 55 mm and a length of 1900 mm
• 4.5 m copper pipes, minimum length 3m.

Other:

• Anti-rost painting
• sealant PVC alu special for glazing
• Height adjustable feet M8. Threading M8 L25 – total height 35mm quantity: 8
• Glass cover 1000x250x4 quantity:2
• 2000 mm length of a 2 mm diameter steel cable
• “element to adjust length of the cable” 1
• Glue
• Rockwool (or other fire resistant insulation material, 300°C) insulation 10 cm thick (600×1000) quantity 2.
• Cotton Insulation (for steam pipe) 10 cm thick, 600×1000, quantity 1.
• Aluminum adhesive tape (quote in text)
• Adhesive tape
• Auto-lubrifying bushing. Quantity: 40

Outils

Outils classiques d'un atelier métal et bois, dont:

• Scie
• Meuleuse
• Perceuse et jeu de forets pour le métal: 3mm, 4mm, 5mm, 6m, 8mm, 10mm, 20mm.
• Forets bois: 4mm, 10mm.
• Papier bristol
• Cutter
• Instruments de mesure : mètre ruban supérieur à 3 m, réglet de 1 m, équerre et rapporteur
• 3 serre-joints
• scie plongeante

Plus:

• découpeuse/graveuse laser

Étape 1 - Sorties

Sorties: Le concentrateur de démonstration :

* champ de miroirs
* récepteur
* système électronique
* usage de démonstration

+ déchets et ressources restantes : restes de miroir, restes de métal (chutes d’acier, visserie, plomberie), restes de bois, restes d’isolant, restes de colle, restes de mastic.

Étape 2 - Etapes

Étapes:

   1- Champ de miroirs
       1.1 Structure support (1 jour)
       1.2 Facette miroir (1 jour)
   2- Récepteur
       2.1 Structure support (1 jour)
       2.2 Squelette du Récepteur (4 h)
       2.3 Réflecteur CPC (3 h)
       2.4 Tube absorbeur / chaudière (3h)
       2.5 Assemblage du Récepteur (3 h)
   3- Système de suivi (2 jours)
       3.1 Système électronique
       3.2 Assemblage du système de suivi
       3.3 Programmation
   4- Usage de démonstration
       4.1 Stérilisateur à vapeur
       4.2 Récipient de cuisson (1 jour)
       4.3 Machine à glace
       4.4 Autres

Étape 3 - 1 -Champs de miroirs (2 jours)

1.1 Structure support:

Temps: 1 jour La structure support est composée de deux cadres : répéter ou doubler les étapes 1 à 6, puis terminer l’assemblage par l’étape 7.

ETAPE 1 : Découper les tubes carrés Materiel : 2 tubes carrés principaux de 25×25 mm 2 tubes carrés support de 30×40 mm

Outils: Découpeuse/Scie à métaux, Lime/Meuleuse

Comment : Utiliser la meuleuse pour découper les 2 tubes carrés principaux sur 2130 mm et les 2 tubes carrés support sur 1430 mm.

Étape 4 - 1.1 Structure support:

Etape 2 : Pointer et percer les trous sur les tubes carrés support (30x40)

Materiel : 2 tubes carrés support de 30×40 mm sur 1430 mm

Outils : Perceuse papier bristol imprimante / découpeuse laser ruban adhésif

Objectif: Les deux tubes carrés de support des facettes de miroirs doivent être percées précisément de deux trous tous les 143 mm. La position de ces trous garantit le parallélisme des facettes entre elles. C’est important de travailler au millimètre pour que toutes les facettes réfléchissent la lumière sur une même ligne.

Comment: Imprimer le gabarit de poinçonnage sur du papier bristol en utilisant par exemple une découpeuse laser en mode découpeuse et traceur. Utiliser le plan disponible sur le fichier . Le gabarit est proposé en 2 parties, qu’il suffit d’assembler en joignant précisément les deux morceaux par simple contact. Positionner le gabarit sur le tube carré en veillant bien à ce que le papier soit d’aplomb sur les bords du tube et aux extrémités. Fixer le gabarit avec du ruban adhésif. Attention : si le tube carré est soudé par l’intérieur sur une face, il faut percer sur cette face. En effet, en perçant depuis la face opposée, le foret serait dévié à l’approche de la soudure. Poinçonner précisément l’emplacement des trous marqués sur le gabarit avec un pointeau et un marteau. Percer au foret de 6 mm, avec une perceuse à colonne. Utiliser un foret suffisamment long pour percer le tube carré de part en part. Attention, si le tube a une soudure sur une face intérieure, veiller à ne pas tomber sur la soudure à l’entame du deuxième trou.

Étape 5 - 1.1 Structure support:

Étape 3 : Pointer et percer les trous aux extrémités des tubes carres principaux:

Objectif: Il s’agit de percer à chaque extrémité des 4 tubes, les deux trous de liaison qui assurent (dans une certaine mesure) le maintien de la forme carrée du cadre. Marquer en rayant les tubes, l’emplacement des trous comme l’indique le schéma : les 2 trous sont placés à 10 mm et 30 mm sur la largeur du tube de 40 mm et centrés à 12.5 mm sur la largeur du tube de 25 mm. De cette manière, les tubes sont fixés d’aplomb, à leur extrémité. Percer au foret de 6 mm, avec une perceuse à colonne. Utiliser un foret suffisamment long pour percer le tube carré de part en part (au moins 60mm pour percer les 2 tubes à la fois, en cas de rattrapage).

Étape 6 - 1.1 Structure support:

Étape 4 : Assembler les 4 tubes carrés:

Positionner les tubes carrés sur une table : les tubes de 25x25mm d’abord, puis par-dessus les tubes 30x40mm en appui sur la face de 40mm aux extrémités des tubes de 25x25mm. Les fixer à chaque angle avec une vis M6 de 60mm de long. Ajuster le positionnement des tubes en contrôlant l’angle droit avec une équerre. Si la deuxième vis ne rentre pas dans les deux tubes, ajuster l’alignement des trous en passant un coup de perceuse à main de part en part. Répéter l’opération aux quatre angles pour compléter la fixation.

Étape 7 - 1.1 Structure support:

Étape 5 : Découper les supports des moteurs et des facettes:

Materiel:Planche de bois, découpeuse laser.

Découper les pièces support des moteurs et des axes des facettes, en utilisant le fichier , à la découpeuse laser. Il faut 20 pièces supports de moteurs et 40 pièces support d’axe des facettes (un support à chaque extrémité de facette).

Étape 8 - 1.1 Structure support:

Étape 6 : Fixer les supports sur le cadre

Fixer avec 2 vis les supports des moteurs sur le tube, côté extérieur et les supports d’axe des facettes côté intérieur comme le montre le plan. Le moteur et l’axe viennent se fixer au-dessus du tube, donc leurs supports doivent dépasser vers le haut.

Étape 9 - 1.1 Structure support:

Étape 7 : Assembler les deux cadres

Après avoir construit les deux cadres comme indiqué aux étapes 1 à 6, il reste à assembler les deux cadres sur les tubes carrés de 50x50mm, découpés et percés aux emplacements adéquats., selon le plan technique.

Étape 10 - 1.2 Facette miroir (2 jours)

1.2 Facette miroir:

Matériel: Tube carré/rectangulaire d'aluminium, Tige en Acier inox, Planche de bois, Miroir

Étape 1 : Préparer les tubes carres

Découper les tubes d’aluminium de 40×20 mm à 2000 mm de longueur (ou les acheter directement à cette dimension). Percer un trou de 5 mm centré dans la largeur, à 100 mm de chaque extrémité. Tarauder ce trou pour des vis de 6 mm de diamètre (M6).

Étape 11 - 1.2 Facette miroir

Étape 2 : Préparer les axes

Découper 40 tiges de 8mm de diamètre de 20 cm de longueur chacune. Créer un méplat à 147mm de l’extrémité de la tige qui sera placée à l’extérieur du tube aluminium.

Étape 12 - 1.2 Facette miroir

Étape 3 : Préparer les supports des axes

Dans une planche de bois de 100mm d’épaisseur, découper à l’imprimante laser 40 cales intérieures (coins arrondis) et 40 cales extérieures (coins droits) selon le fichier.

Étape 13 - 1.2 Facette miroir

Étape 4 : Préparer les miroirs

Découper des bandes de tôle miroir de 2000 mm de longueur et 100 mm de largeur. On peut utiliser un cutter. Si la plaque de base n’est pas assez longue, on peut découper deux portions de 1000 mm de longueur pour couvrir chaque facette. Veiller à ne pas déformer le miroir, pour conserver une planéité parfaite des facettes : 0,1° de déformation génère 1 cm de décalage sur le récepteur.

Étape 14 - 1.2 Facette miroir

Étape 5 : Assembler les axes

Pour chacune des 40 tiges axes : insérer une cale intérieure à l’extrémité intérieure de la tige (proche du méplat). Insérer une cale extérieure à l’autre extrémité et laisser dépasser 47 mm de tige. Poser l’axe et ses cales sur un support plan, avec l’axe en bas, de sorte à s’assurer que les cales sont parallèles entre elles. Dans cette même position, orienter le méplat vers le haut (photo). Fixer les cales avec un point de colle (araldite).

Étape 15 - 1.2 Facette miroir (1/2)

Étape 6 : Assembler les facettes

Insérer les axes et leurs cales dans les tubes en aluminium. La tige axe doit être tangente à la face opposée au trou fileté. Ainsi, le méplat fait face à la vis. Fixer la vis dans le trou fileté jusqu’à appuyer l’axe au niveau du méplat. L’axe est alors maintenu en position dans la longueur et latéralement. Coller les bandes de miroirs sur les tubes en aluminium. Veiller à ce qu’ils soient bien centrés dans la largeur.

Étape 16 - 1.2 Facette miroir (2/2)

Étape 17 - 1.2 Facette miroir

Étape 7 : Monter les facettes sur la structure support

Assembler les facettes sur les cadres. 

Étape 18 - Améliorations possibles

Améliorations possibles:

Ajouter un tube en diagonale de la structure carrée, pour éviter les mouvements de type parallélogramme déformable. La solution pour la facette avec tube carré en aluminium de 40x20mm, sur lequel est posé le miroir, est une amélioration. La première solution envisagée a été abandonnée : Solution avec demi-tube de PVC. (1-2h par 2 facettes ? ⇒ 10h. A optimiser) Découper 10 tubes PVC en deux dans la longueur (un gabarit peut aider à couper correctement le tube), formant ainsi 20 supports de miroirs. Découper 6 demi-disques en bois par facette, avec un trou pour positionner l’axe du moteur. L’axe est maintenu par 2 demi-disques à chaque extrémité. 2 demi-disques supplémentaires permettent de renforcer la structure et supportent les miroirs. Les bandes de 10cm de large de miroir sont collées sur la surface du demi-tube de PVC et s’appuie aussi sur les 6 demi-disques de bois. Le problème principal est la mauvaise résistance de la facette en torsion : l’ensemble de la lumière réfléchie ne serait pas collecté sur la même ligne, ce qui est rédhibitoire pour de bonnes performances optiques…

Étape 19 - 2- Récepteur (2 jours)

2.1 Structure support (1j)

Étape 1 : Préparer les tubes carres du “tipi”

Découper 4 tubes carrés 30×30 sur 2300 mm ( ?) de longueur : une coupe droite + une coupe à 45°.

Percer selon le plan les trous pour l’assemblage des pieds du “tipi” (1 trou/tube carré), la fixation du récepteur (1 trou par tube carré), la fixation des tubes carrés inférieurs dans la longueur (2 trous par tube carré), la fixation du tube carré transversal (1 trou par tube carré). Vérifier la longueur totale du tube carré : la longueur qui importe pour le positionnement des trous est celle mesurée depuis la base du pied.

Découper 4 plats de 30mm de large et 5mm d’épaisseur et 40mm (check) de long. Percer et tarauder les plats à 1 cm du bord pour fixer un pied réglable à vis de 8mm de diamètre. Souder les plats aux extrémités coupées à 45°. On obtient ainsi un pied horizontal réglable.

Étape 20 - 2.1 Structure support (1/2)

Étape 2 : Préparer les tubes carres inférieurs, les renforts, le tube carre transversal et le câble transversal.

Découper les tubes carrés inférieurs : 4 tubes carrés 20×20 sur 2200 mm (check) de longueur (Amélioration : ou un tube rectangulaire de 20×30 ou 20×40 ?). Souder 2 tubes carrés côte à côte pour former un tube rectangulaire. Les percer aux extrémités selon le plan. Découper les tubes carrés de renfort : 2 tubes carrés 20×20 sur 1000 mm de longueur avec un angle de 45° aux deux extrémités. Découper 2 plats de 20×3 sur 100 mm de longueur et 2 cornières 30×50 (profilé en L) sur 100 mm de longueur. Percer les 2 plats et les 2 cornières selon le plan. Souder les cornières et les plats selon le plan aux extrémités du tube carré de 100 mm. Les tubes carrés de renfort sont prêtes. Bien veiller à obtenir un angle de 45° entre la surface extérieure du plat et le tube carré, ainsi qu’entre la surface extérieure de la cornière et le tube carré. Cela garanti l’angle droit entre le tube carré du “tipi” et le tube carré inférieure. Découper le tube carré transversal : un plat de 30×5 sur 2150 mm de longueur. Les percer aux extrémités selon le plan : les trous sont distants de 2120 mm (à 1500mm du trou d’assemblage du “tipi”). Découper le câble de 2mm de diamètre sur une longueur de 2000 mm environ. Ajuster sa longueur de manière à obtenir une longueur totale de 2120 mm entre les trous de fixation sur les tubes carrés du “tipi” : former une boucle à une extrémité et pincer à l’étau l’anneau de serrage sur le câble ; mesurer l’élément d’ajustage de la longueur en position ouverte (Lmax) et couper le câble à une longueur de (2120 - Lmax + 40 mm) de manière à former la boucle pour une longueur de câble finale (2120 - Lmax).

Étape 21 - 2.1 Structure support (2/2)

Étape 22 - 2.1 Structure support

Étape 3 : Assemblage et montage de la structure

Assembler à l’horizontale, les tubes carrés 2 à 2 pour former les deux supports en “tipi”, à l’aide d’une vis de diamètre 10 mm. Visser les pieds réglables sur leur support, au bas des tubes carrés des “tipis”. Fixer les tubes carrés inférieurs au pied des tubes carrés du tipi : cela fixe la distance entre les “tipis”. Positionner les tubes carrés de renfort de 100 mm avec des serre-joints ou des pinces étaux selon le schéma. Vérifier que : (1) le tube carré du “tipi” et le tube carré inférieur forment un angle de 90°, (2) le plat et la cornière sont bien parallèles, respectivement au tube carré inférieur et au tube carré du “tipi”. Percer le tube carré du tipi et le tube carré inférieur dans le prolongement du trou de l’élément de renfort (plat et cornière). Si le foret n’est pas assez long, percer d’abord le trou côté élément de renfort. Puis, marquer le point opposé au premier trou et percer le deuxième trou depuis l’autre côté du tube carré. A 2 personnes, lever la structure pour former les tipis. Une troisième personne positionne le tube carré transversale au nord, côté où il y a les renforts, en la fixant avec 2 vis. Ensuite, elle fixe le câble côté sud et ajuste sa longueur à 2120. La structure doit alors tenir en équilibre, mais c’est mieux si une personne continue de maintenir le “tipi” côté sud. Pendant ce temps, les deux autres personnes peuvent apporter le récepteur et le positionner sur le tipi. Il reste à passer les vis pour fixer le tube du récepteur (poutre centrale) aux tubes carrés du “tipi”. Cette opération termine de rigidifier la structure.

Étape 23 - 2.2 Squelette du récepteur (4h)

2.2 Squelette du récepteur

Étape 1: Poutre centrale -30min

Découper un tube carré de 30x30mm de 2300mm de longueur. Percer les trous de fixation au “tipi”. Percer et tarauder les trous de fixation de la jonction.

Étape 24 - 2.2 Squelette du récepteur

Étape 2: Profiles latéraux en L - 1h30

Découper deux profilés en L 30x60mm de 3mm d’épaisseur et 2100 mm (à vérifier) de longueur. Percer et tarauder les trous de fixation du capot extérieur (pour des vis de 4mm de diamètre). Percer les trous de fixation à la jonction (cf ci-dessous). Souder un plat à chaque extrémité du L (pour fixation sur le “tipi”…) (à valider, en coordination avec la longueur)

Étape 25 - 2.2 Squelette du récepteur

Étape 3: Jonction de la poutre centrale et des profiles lateraux en L - 1h

Découper, percer, souder selon le plan.

Étape 26 - 2.2 Squelette du récepteur

Étape 4: cintre - 1h

Imprimer les 10 cintres à la découpeuse laser, dans une planche (lamellé collé par exemple) de 10mm d’épaisseur. Découper 2 cintres pleins en tôle fine (au laser ou à la main), sans l’évidage pour le réflecteur secondaire, pour fermer le récepteur aux extrémités.