Brevet FR3156188A1 — publié le 20250606

Four solaire régulé en température tout au long de l’année. Cette régulation se fait selon le processus suivant : On capte l’énergie solaire grâce à des panneaux photovoltaïques quand le soleil est présent Cette énergie électrique est transformée en chaleur grâce à des résistances électriques et chauffe du sable On peut dès lors utiliser cette chaleur stockée dans le sable les jours ou il n’y a pas de soleil Le four se présente comme parallélépipède rectangle en maçonnerie l’intérieur est entièrement tapissé d’une couche épaisse d’isolant résistant à la chaleur. A l’intérieur de l’isolant on place des résistances électriques alimentées par des panneaux solaires et le four proprement dit dans lequel cuiront les aliments. Ce dernier est une simple boîte métallique munie d’une porte bien étanche. Le tout est noyé dans du sable. Le dispositif permet de pallier les variations de disponibilité de l'énergie solaire et d'assurer le maintien d’une température d’environ 280°C , même en l'absence d'ensoleillement direct et donc de permettre d’après les calculs théoriques une viabilité du dispositif y compris en hiver et y compris dans le nord de la France. Figure pour l'abrégé : [Fig. 1] Four solaire a stockage de chaleur utilisable indépendamment des variations d'ensoleillement direct L’invention consiste en un four solaire régulé en température tout au long de l’année. Cette régulation se fait selon le processus suivant : On capte l’énergie solaire grâce à des panneaux photovoltaïques (1) quand le soleil est présent Cette énergie électrique est transformée en chaleur grâce à des résistances électriques (6) et chauffe du sable On peut dès lors utiliser cette chaleur stockée dans le sable les jours ou il n’y a pas de soleil Le four se présente comme parallélépipède rectangle (voir FIG. 1 ) en maçonnerie (2) l’intérieur est entièrement tapissé d’une couche épaisse d’isolant résistant à la chaleur (3). A l’intérieur de l’isolant on place des résistances électriques alimentées par des panneaux solaires et le four proprement dit dans lequel cuiront les aliments. Ce dernier est une simple boîte métallique munie d’une porte bien étanche. Le tout est noyé dans du sable. Le dispositif permet de pallier les variations de disponibilité de l'énergie solaire et d'assurer le maintien d’une température d’environ 280°C, même en l'absence d'ensoleillement direct et donc de permettre d’après les calculs théoriques une viabilité du dispositif y compris en hiver et y compris dans le nord de la France. Fonctionnement : Captation de l’énergie solaire : Les panneaux photovoltaïques (1) captent l’énergie rayonnée par le soleil et la transforment en énergie thermique à l'aide de résistances électriques (6). Stockage dans le réservoir de sable : Les résistances électriques (6) sont enfouies dans un réservoir semi enterré et isolé, rempli de sable (7). A noter que ce sable n’a pas besoin d’avoir des qualités « construction » : du sable de désert très abondant sur la planète mais impropre à la construction suffit amplement. Le sable, ayant une grande capacité thermique, agit comme un milieu de stockage efficace pour emmagasiner la chaleur captée par les panneaux solaires quand il y a du soleil et la restituer quand on en a besoin. Isolation du réservoir : Le réservoir de sable est entouré d'une isolation thermique (3) de haute performance, minimisant les pertes de chaleur et maintenant une température constante à l'intérieur du dispositif. La laine de roche qui est un isolant très répandu, relativement bon marché et qui peut supporter des températures élevées convient parfaitement mais rien n’interdit l’utilisation d’un isolant encore plus performant. Une étude ultérieure devra déterminer si la laine de roche sera l’isolant le plus approprié ou si un autre isolant devra lui être préféré. Dans cas présent, les calculs relatifs à l’équilibre thermique du four prendront en compte les capacités isolantes de la laine de roche. Restitution de la chaleur : Le four lui-même est une simple boîte en acier inox (4) muni d’ailettes (5), muni aussi d’une porte bien étanche le tout est noyé dans le sable, il se stabilise donc à la température du sable et ne consomme de la chaleur que lorsque on ouvre la porte (négligeable) et lorsque on chauffe des aliments (négligeable aussi). Calculs d’équilibre thermique : Nous exposerons ci-dessous une simulation du fonctionnement du dispositif dans le nord de la France (Paris) puis dans le sud de la France (Marseille). Nous utiliserons pour cela des données statistiques d’heures d’ensoleillement mensuel pour chacune de ces deux régions. Comme nous le verrons, si l’efficacité du dispositif est particulièrement intéressante dans le sud de la France, elle reste néanmoins intéressante dans le nord et ce malgré une moins grande efficacité qui n’interdit cependant pas un fonctionnement acceptable du four même en hiver. Calcul des pertes à travers les parois. La formule générale pour calculer le flux de chaleur à travers une paroi en utilisant la conductivité thermique est donnée par la loi de Fourier : Q = A * (T1​−T2​)​ * (k/d) où : Q est le flux de chaleur en watts (W). k est la conductivité thermique du matériau de la paroi en watts par mètre*kelvin (W/m·K). A est la surface de la paroi en mètres carrés (m²). T1​ est la température du côté chaud de la paroi en kelvins (K). T2​ est la température du côté froid de la paroi en kelvins (K). d est l'épaisseur de la paroi en mètres (m). Calcul de l’accroissement de température du sable . La formule qui permet de calculer le réchauffement d'une masse de matériau (comme du sable) en fonction de la quantité d'énergie reçue est donnée par la formule de changement de température : Q = m * c * ΔT où : Q est la quantité d'énergie en joules (J) ou en watt*heures (Wh). m est la masse du matériau en kilogrammes (kg). c est la capacité thermique spécifique du matériau en joules par kilogramme*kelvin (J/kg·K). ΔT est le changement de température en kelvins (K). Les calculs d'équilibre thermique du four seront faits successivement pour Paris (nord de la France) et pour Marseille (sud de la France ). Ils utiliseront les constantes connues suivantes : Chaleur spécifique du sable : 830 J.kg-1.K-1 soit 0,23055581 Wh.kg-1.K-1 soit 0,23055581 kWh.T-1.K-1 Nombre d'heures par mois 720,00 h/mois Conductivité thermique laine de roche 0,042 Wm-1k-1 Masse volumique du sable 1600 Kgm-3 Dimensions du four Largeur 0,5 m Profondeur 0,5 m Hauteur 1 m Epaisseur laine de roche 0,3 m Epaisseur maçonnerie 0,15 m Largeur totale 1,40 m Profondeur totale 1,40 m Hauteur totale 1,90 m Volume de sable 0,25 m3 Masse de sable 400,00 kg Surface laine de roche 2,50 m2 DIMENSION PANNEAUX SOLAIRES POUR PARIS Surface panneaux 5 m2 Puissance des panneaux 250 wc par m2 Puissance totale des panneaux 1250,00 wc Rendement au niveau des résistance électriques 75% Consigne de temp du four 280 °C (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H) (I) Janvier : environ 85 heures 85 79688 wh -1 98 70812 wh 8876 Février : environ 92 heures 92 86250 wh -2 99 71064 wh 15186 Mars : environ 145 heures 145 135938 wh 6 96 69048 wh 66890 Avril : environ 183 heures 183 171563 wh 8 95 68544 wh 103019 Mai : environ 206 heures 206 193125 wh 16 92 66528 wh 126597 Juin : environ 215 heures 215 201563 wh 22 90 65016 wh 136547 Juillet : environ 240 heures 240 225000 wh 26 89 64008 wh 160992 Août : environ 226 heures 226 211875 wh 28 88 63504 wh 148371 Septembre : environ 176 heures 176 165000 wh 25 89 64260 wh 100740 Octobre : environ 120 heures 120 112500 wh 17 92 66276 wh 46224 Novembre : environ 72 heures 72 67500 wh 10 95 68040 wh -540 Décembre : environ 70 heures 70 65625 wh 4 97 69552 wh -3927 DIMENSION PANNEAUX SOLAIRES POUR MARSEILLE surface panneaux 3 m2 puissance des panneaux 250 wc par m2 puissance totale des paneaux 750,00 wc rendement au niveau des résistance électriques 75% consigne de temp du four 280 °C (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H) (I) Janvier : environ 138 heures 138 77625 wh 2 97 70056 wh 7569 Février : environ 138 heures 140 78750 wh 2 97 70056 wh 8694 Mars : environ 186 heures 186 104625 wh 8 95 68544 wh 36081 Avril : environ 228 heures 228 128250 wh 10 95 68040 wh 60210 Mai : environ 276 heures 276 155250 wh 18 92 66024 wh 89226 Juin : environ 313 heures 313 176063 wh 24 90 64512 wh 111551 Juillet : environ 359 heures 359 201938 wh 28 88 63504 wh 138434 Août : environ 340 heures 340 191250 wh 30 88 63000 wh 128250 Septembre : environ 267 heures 267 150188 wh 28 88 63504 wh 86684 Octobre : environ 210 heures 210 118125 wh 19 91 65772 wh 52353 Novembre : environ 149 heures 149 83813 wh 12 94 67536 wh 16277 Décembre : environ 124 heures 124 69750 wh 6 96 69048 wh 702 (A) (B) Heures mensuelles d'ensoleillement (données statistique météo) (C) Energie mensuelle totale fournie par les panneaux solaires en wh (E) Température moyenne ambiante en °C (données statistiques) (F) Flux de pertes en w (formule de calcul ci-dessus) (G) Energie mensuelle totale perdue à travers les parois du four en wh (I) solde Les deux tableaux ci-dessus montrent que une fois la température atteinte (280 °C) l'apport en chaleur des panneaux solaires est plus que suffisant pour équilibrer les pertes thermiques La mise en température du four peut se faire soit par un apport temporaire de chaleur extérieur soit en laissant le four chauffer pendant plusieurs mois si on le démarre en plein hiver ou en seulement un mois si on le démarre en été. Visiblement, il y a un problème aux mois de novembre et décembre en région parisienne (au nord de la France) à cause du manque d'ensoleillement. On peut y remédier pour obtenir un four opérationnel toute l'année soit en augmentant la surface des panneaux solaires soit en augmentant encore l'isolation pour obtenir une plus grande inertie thermique. Notons cependant que même avec la configuration actuelle le four met près d'un mois à refroidir complètement ce qui signifie que l'on peut passer le cap du déficit d'ensoleillement dans le nord de la France en comptant sur l'inertie thermique du four. Four solaire a stockage de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend une boite en acier inox de forme parallélépipédique rectangle (4) munie d'ailettes (5) et d'une porte étanche, le tout enfermé dans une maçonnerie (2) dont l’intérieur est entièrement tapissé d’une couche épaisse d’isolant résistant à la chaleur (3). Le four comprenant des panneaux photovoltaïques (1) qui captent l’énergie rayonnée par le soleil et la transforment en énergie thermique à l'aide de résistances électriques (6). Lesdites résistances électriques (6) sont enfouies dans un réservoir semi enterré et entouré d’une isolation thermique, rempli de sable agissant comme milieu de stockage de la chaleur(7).