Présentation du système technique⌗

La cuisinière solaire est un système dans lequel un caloduc transfère la chaleur captée, provenant du rayonnement solaire, vers un caisson isolant où les aliments seront cuits. La cuisinière qui nous intéresse se compose de deux étages que nous allons détailler.

Figure 1 : La cuisinière à caloducs solaire de Soleil Vapeur

Les tubes en verre qui reçoivent le flux solaire incident constituent la partie visible du premier étage de notre cuisinière solaire. Une grande partie du flux solaire va traverser la couche externe du verre pour ensuite arriver au niveau de l'absorbeur collé sur le verre intérieur. Entre les deux parois de verre, il y a du vide pour limiter les pertes thermiques vers l’extérieur. Des ailettes en aluminium ont pour rôle de tenir mécaniquement le caloduc au centre du tube. Le rayonnement solaire traverse le premier verre et chauffe l’absorbeur qui transmet la chaleur aux caloducs en cuivre. Un caloduc est un tube étanche contenant un liquide en équilibre avec sa vapeur. Son fonctionnement se base sur le transfert de chaleur par changement de phase. Le cuivre cède la chaleur au liquide. Le liquide chauffé se vaporise à la base du tube (évaporateur), la vapeur formée s’élève jusqu’à la zone froide (condenseur). La vapeur se condense ensuite en cédant de la chaleur en haut du tube. Le liquide (condensat) ainsi formé tombe par gravité vers le bas du caloduc. Les caloducs sont très efficaces pour transférer la chaleur.

Le transfert de chaleur jusqu’à la plaque chauffante est ensuite effectué par un autre caloduc, le collecteur, que nous appelons le deuxième étage de notre cuisinière. Les caloducs du premier étage sont tous reliés au collecteur par ce que l’on appelle la “liaison collecteur”, qui est une prolongation de chaque caloduc venant s’insérer dans le deuxième étage de la cuisinière. La phase liquide dans le collecteur au contact du premier étage va se vaporiser pour ensuite retourner sous forme liquide au contact du caisson isolant. De cette manière, le flux de chaleur est transféré vers le caisson. Finalement, à l’intérieur du caisson, la plaque de cuisson va fournir la chaleur au récipient de cuisson. L’étude détaillée se trouve dans le livrable 1 : https://pad.lamyne.org/GENEPI_2022_GR1_Livrable1. Après avoir présenté le système technique, on bascule sur la fabrication de la cuisinière.

Fabrication de la cuisinière⌗

La fabrication de cette cuisinière ne nécessite pas de compétences particulièrement poussées, que ce soit en menuiserie ou même en plomberie. La fabrication est plus détaillée dans notre livrable 2 : https://pad.lamyne.org/GENEPI_2022_GR1_Livrable2#Produire-le-syst%C3%A8me et encore plus dans la source [0.1] dudit livrable. Les outils et machines nécessaires à la fabrication sont communs et devraient pouvoir être trouvés dans n’importe quel atelier participatif, voire même chez de nombreux particuliers. A part pour le capteur en lui-même, les éléments (bois, isolants, tuyauterie, visserie) nécessaires à la fabrication sont disponibles dans n’importe quel magasin de bricolage sans difficultés. Le point le plus délicat vient du capteur en tant que tel. En effet, il n’est pas question de les produire soi-même, à moins de savoir souffler du verre sur 2 mètres et être en capacité de faire le vide à l’intérieur... De plus, les entreprises qui les produisent ne courent pas les rues, du moins en Europe. Le leader du marché est la Chine avec de nombreux modèles de dimensions suffisamment différentes pour être adaptés à la plupart des installations. Concernant la sécurité, comme expliqué précédemment, le fonctionnement de la cuisinière repose sur des équilibres de phases liquide-vapeur et l’élévation de température en son sein peut faire augmenter la pression à des niveaux assez élevés. Il est donc recommandé de mettre en place au moins un capteur de pression au niveau du deuxième étage et même une soupape pour plus de sécurité. Garder un tissu opaque avec lequel recouvrir le capteur durant l’utilisation est également un moyen de faire redescendre la température et la pression assez rapidement. Le site soleil-vapeur donne un coût de fabrication de l’ordre de 1200€ mais il dépend largement de la finition souhaitée et surtout du capteur solaire choisi. Un intérêt tout particulier doit être porté à la partie haute du capteur (le collecteur) qui doit être adaptée à l’utilisation qu’on en fait ici et qui n’est pas forcément celle prévue par le fabricant.

Modélisation⌗

Pour savoir si la cuisinière solaire peut fournir une puissance suffisante pour faire cuire nos aliments, il est nécessaire d’obtenir des ordres de grandeur du flux thermique apporté par nos capteurs solaires. Nous avons réalisé une modélisation simplifiée du système. Pour cela, il a fallu décrire notre système sous forme d’un schéma électrique équivalent pour décrire les transferts thermiques. Les détails se trouvent dans le livrable 3 : https://pad.lamyne.org/GENEPI_2022_GR1_Livrable3#. D’après nos calculs, le rendement de notre capteur solaire n’est pas très satisfaisant, de l’ordre de 50%. Toutefois, cette valeur est très certainement erronée car elle dépend en grande partie de notre calcul sur la partie en aluminium se trouvant entre le caloduc et le verre, le calcul en question repose sur une simplification de l’ailette. Cette valeur de rendement dépend aussi des paramètres que nous avons fixés, comme la température à l’extrémité du système (120°C). Une étude plus approfondie sur le système pourrait nous permettre de savoir si l’intérêt de cette partie en aluminium est réel, notamment en réalisant davantage d'expériences pour exploiter les données dans notre modélisation.

Bien que nous ayons des doutes sur les résultats de notre modélisation, nous avons pu réaliser une expérience avec un capteur solaire pour vérifier si l'on pouvait atteindre une température suffisante en sortie du caloduc.

Partie expérimentale⌗

Cette expérience a pour but d’évaluer le temps de chauffe du caloduc ainsi que de comparer le modèle expérimental avec le modèle théorique. Cependant, étant dans des configurations différentes nous n’avons pas pu réellement comparer nos deux modèles. L’expérience consiste à placer un caloduc de 2 mètres de long au soleil, et de suivre l’évolution temporelle à l’aide d’une caméra infrarouge en plusieurs points de celui-ci. On s'attardera plus précisément sur la surface du verre extérieur et au niveau de la partie haute du caloduc qui fait la liaison avec le collecteur. Bien que le rayonnement direct ne soit pas maximal et qu’une brise de vent soit apparue durant la prise de nos mesures, nous sommes parvenus à atteindre la température de 100°C au niveau de la liaison collecteur en une vingtaine de minutes. L’expérience nous a tout de même permis de voir que notre caloduc pouvait chauffer sur une plage de temps raisonnable et que nous pouvons atteindre des températures de cuisson dans le caisson à condition que notre système soit bien étanche pour éviter trop de pertes thermiques entre le 1er étage et le caisson. Pour toutes autres informations complémentaires sur l'expérience, on vous invite à consulter notre livrable 3 à partir de la page 13. https://pad.lamyne.org/GENEPI_2022_GR1_Livrable3#.

Conclusion⌗

Après s’être penchés sur ce système pendant presque 8 mois, nous pouvons dire que nous avons globalement compris comment ses différents éléments interagissent les uns avec les autres et son fonctionnement global. Nous n’avons pas pu déterminer si le rôle de l’ailette était uniquement mécanique ou s’il était également de favoriser le transfert thermique jusqu’au caloduc. Nous n’avons eu aucun mal à fabriquer cette cuisinière puisque nous ne l’avons pas fabriquée. Les compétences qui auraient été nécessaires ne sont pas très poussées et le matériel aurait facilement été trouvé dans un atelier participatif tel que le FIMI Tech. Toutefois il faut faire attention à la sécurité. Notre modèle théorique est trop sensible aux conditions aux limites pour pouvoir conclure quant à la viabilité de cette cuisinière au sein d’un restaurant. Notre bilan nous a amené à prendre en compte la nécessité de combiner les différents modes de cuisson, étant données les difficultés dûes à l’ensoleillement et au réchauffage des plats. En effet, il serait judicieux de combiner le cuiseur solaire avec un four, une plaque à induction et/ou gaz. Nous avons vu que la température maximale atteignable avec la cuisinière est de 120°C alors elle ne permettrait pas de cuire tous les aliments ! Nous confirmons que l’adaptation des plats de la carte est nécessaire. Il ne sera pas possible de proposer des plats à cuisson rapide/vive de type viande, wok, friture… Mais plats mijotés, soupes, ou encore compotes seront compatibles avec le système. A nous, en tant que makers de valoriser le système.