Four solaire et principe

A l'heure où les économies d'énergie mais aussi les problèmes liés à l'écologie sont importants, l'utilisation du four solaire semble un bon compromis dans les pays ensoleillés et en voie de développement. Nous avons décidé de ne pas construire notre propre four solaire car les réflexions autour de ce dispositif ne manquent pas. En effet, nous avons décidé de nous pencher sur les caractéristiques particulières du modèle BISS (Bolivia Inti Sud Soleil) développé par Bolivia Inti, association avec laquelle le lycée a travaillé dans le cadre de l'échange franco-marocain.

Ainsi à travers notre TPE, nous avons décidé de répondre à la problématique suivante :

« Comment optimiser le fonctionnement d’un four solaire ype « boîte » ? »

Dans une première partie nous verrons comment le four a été construit pour optimiser l'énergie solaire récupérée pour réchauffer son intérieur. Puis nous verrons quels sont les moyens qui ont été mis en œuvre pour limiter les pertes vers l'extérieur une fois cette énergie captée. Nous nous pencherons enfin sur quelques améliorations possibles pour optimiser son utilisation dans des pays moins ensoleillés comme la France tout en ne perdant pas de vue que ce four a été construit pour des pays en voie de développement, donc son coût et son entretien doivent rester raisonnables.

 01/2014 : Expériences sur les toits de la fondation Dar Bellarj  à Marrakech

Limitation des pertes par convection

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment minimiser les pertes d'énergie ?

Limitation des pertes par rayonnement

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment minimiser les pertes d'énergie ?

Limitation des pertes par conduction

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment minimiser les pertes d'énergie ?

Comment estimer la résistance thermique du four ?

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment minimiser les pertes d'énergie ?

Expérience et hypothèse n°13 : Les pertes thermiques par les parois sont proportionnelles à la différence de température entre intérieur et extérieur du four, cette  constante de proportionnalité étant la résistance thermique du four.

Les techniques de distillation

Écrit par Théo le . Publié dans Comment adapter le four solaire à la distillation d'huiles essentielles ?

Pour extraire des substances odorantes de fleurs, on utilise plusieurs techniques comme par exemple l'extraction par solvant, l'extraction par CO2 supercritique ou la distillation. Seule cette dernière donne droit à l'appellation « huile essentielle », c'est donc celle-ci que nous utiliserons. Il existe cependant deux façons de distiller : l'hydrodistillation et la distillation par entraînement à la vapeur

L'hydrodistillation
Lorsqu'on utilise cette technique, on fait chauffer un ballon contenant de l'eau ainsi que l'espèce végétale dont on veut récupérer l'huile jusqu'à ébullition. Sous l'effet de la chaleur, les cellules végétales éclatent et libèrent leurs huiles, puis les vapeurs d'eau et d'huile vont s'élever pour atteindre un réfrigérant constitué de deux tubes : le premier dans lequel passe la vapeur pour se liquéfier et le second qui l'entoure et qui dispose d'une entrée et d'une sortie à travers lequel on fait circuler de l'eau à température ambiante en continu pour refroidir.

On n'a alors plus qu'à récupérer le distillat dans un récipient tel une burette ou une éprouvette. On obtient deux phases puisque l'eau et l'huile ne sont pas miscibles. L'huile essentielle apparaît alors sur le dessus car elle est moins dense que l'eau (densité de 0,89 pour l'huile essentielle de lavande contre 1 pour l'eau). On peut alors évacuer l'eau si on a choisi d'utiliser une burette.

 Schéma de l'hydrodistillation

 

La distillation par entraînement à la vapeur

Cette technique ressemble à celle de l'hydrodistillation, cependant pour celle-ci, on ne place pas les plantes dans l'eau. En effet, on fait bouillir de l'eau dans un ballon appelé chaudière pour générer de la vapeur d'eau qu'on fait passer à travers les plantes dont on veut récupérer l'huile. On chauffe également les plantes pour que la vapeur ne se liquéfie pas. La vapeur va détruire la structure des cellules végétales qui vont libérer leurs huiles essentielles. Sous l'effet de la chaleur, les huiles s'évaporent et comme deux gaz sont toujours miscibles, les vapeurs d'eau et d'huile vont se mélanger et la vapeur d'eau entraîne avec elle les huiles essentielles de plante.
On liquéfiera et récupérera de la même façon que pour l'hydrodistillation, l'huile essentielle et l'eau étant encore séparées en deux phases.

Schéma de la distillation par entraînement à la vapeur

Choix de la technique

Écrit par Théo le . Publié dans Comment adapter le four solaire à la distillation d'huiles essentielles ?

Nous avons réalisé ces deux techniques avec du matériel classique de laboratoire (comme sur les schémas) en utilisant la même masse de lavande (10 grammes) et le même volume d'eau (150mL) pour chaque technique.


Le montage d'hydrodistillation

Nos constats sont les suivants :
-On obtient un rendement du même ordre de grandeur : environ une à deux gouttes d'huile pure pour ces quantités.
-La phase aqueuse est odorante, il faut donc vérifier si elle ne contient que de l'eau.
-Pour l'hydrodistillation, les fleurs de lavande en contact avec la paroi du ballon ont été exposées à une trop forte température lorsque le volume d'eau a diminué et ont noirci en libérant une odeur de brûlé non souhaitée et très désagréable.

Pour comparer les huiles obtenues avec les deux techniques différentes, nous avons mesuré leurs indices de réfraction grâce à un réfractomètre.

Un réfractomètre

Dans un réfractomètre, l'indice de réfraction (noté n) est calculé en mesurant l'angle de réfraction de la lumière lorsqu'elle traverse le milieu grâce à la loi de SnellDescartes sur la réfraction (n 1 .sin(Ɵ 1 )=n 2 .sin(Ɵ 2 )).

En effet lorsqu'un rayon lumineux change de milieu, il est réfracté. L'angle de réfraction de la lumière n'est pas le même selon le milieu donc deux milieux différents n'auront pas le même indice de réfraction.

Voici les résultats :
L'indice de réfraction de l'huile obtenue grâce à l'entraînement à la vapeur est de 1,459.
Celui de l'huile obtenue par hydrodistillation est de 1,462.
Il y a donc une très légère différence qui peut être due à une imprécision de l'appareil ou expliquée par la trop forte exposition à la chaleur de l'huile obtenue par hydrodistillation.

Pour vérifier s'il y avait une différence entre l'eau pure et l'eau obtenue, nous avons également mesuré son indice de réfraction, qui est de 1,333 quelle que soit la technique utilisée ; c'est à dire celui de l'eau.
Il n'y a donc que des traces indécelables par cette technique des substances odorantes dans l'eau obtenue grâce aux deux techniques.

 

Notre choix

Les deux techniques sont tout à fait viables, cependant pour éviter le problème de l'odeur désagréable de brûlé lorsque l'eau vient à manquer dans une hydrodistillation, notre choix s'est porté sur la distillation par entraînement à la vapeur pour éviter le contact entre les parois du récipient et les plantes qui grille ces dernières.

Pourquoi l'eau et l'huile ne se mélangent-elles pas ?

Écrit par Théo le . Publié dans Comment adapter le four solaire à la distillation d'huiles essentielles ?

L'eau est constituée de molécules de H2O, puisque deux atomes d'hydrogène partagent chacun leur électron avec un atome d'oxygène afin que leurs couches
électroniques externes soient saturées de façon à respecter la règle du duet pour les hydrogènes et celle de l'octet pour l'oxygène. Une molécule est globalement électriquement neutre, cependant elle peut être polarisée, c'est à dire présenter une charge négative à un endroit et une charge positive à un autre si elle est diatomique (comporte deux atomes comme par exemple le dioxygène O2) ou comporter des barycentres des charges positives et négatives non confondus pour les molécules polyatomiques. Cela s'explique par le fait qu'un atome de la molécule a une plus grande électronégativité (c'est à dire une plus grande capacité à attirer les électrons) qu'un autre. La molécule d'eau est polarisée puisque l'oxygène a une électronégativité environ 1,5 fois supérieure à celle de l'hydrogène. Les électrons, chargés négativement, se rapprochent donc de l'atome d'oxygène, on dit alors que celui-ci a une charge partielle négative alors que l'hydrogène dont le proton chargé positivement est éloigné d'un électron a une charge partielle positive.
Deux charges de signes contraires s'attirant, les atomes d'hydrogène et d'oxygène de différentes molécules d'eau vont s'attirer pour former ce qu'on appelle des liaisons hydrogène entre les molécules.
Cependant les huiles essentielles sont majoritairement composées d'atomes d'hydrogène et de carbone, comme par exemple le linalol, principal composant de l'huile essentielle de lavande, dont la molécule est représentée ci-contre, or le carbone et l'hydrogène ont des électronégativités proches donc les électrons partagés se situent à peu près à mi-distance des atomes ce qui rend la molécule relativement apolaire comparée à l'eau malgré le groupe hydroxyle (OH) du linalol qui lui est polaire.

Les molécules d'eau vont donc s'attirer entre elles mais ne vont pas attirer les molécules d'huile qui sont rejetées.

Formule topologique du linalol

L'adaptation au four solaire

Écrit par TPE four solaire le . Publié dans Comment adapter le four solaire à la distillation d'huiles essentielles ?

Nous avons choisi notre technique, cependant il faut l'adapter au four solaire. Nous avons donc séparé les différents éléments du montage pour distillation à entraînement par la vapeur et avons imaginé des solutions compatibles avec le four solaire.

Le moyen de porter l'eau à ébullition

Écrit par TPE four solaire le . Publié dans Comment adapter le four solaire à la distillation d'huiles essentielles ?

Le moyen de faire bouillir de l'eau est bien sûr le four solaire.
Son principe est simple : on récupère un maximum d’énergie lumineuse en jouant sur l’inclinaison du four pour concentrer les rayons sur un objet noir (puisque le noir absorbe les photons des radiations électromagnétiques de n'importe quelle longueur d'onde). On limite au maximum les pertes d’énergie par conduction (matériaux isolants pour les parois, récipient surélevé), convection (vitre qui limite la perte d’air chaud) et rayonnement (effet de serre dû à la vitre, parois internes en aluminium qui réfléchissent la lumière).

Il a une forme de prisme droit. La face inclinée, qui permet de mieux recevoir les rayons du soleil est constituée d'un double vitrage tandis que ses bases dans le sens géométrique du terme (les côtés), la face au sol et celle qui lui est perpendiculaire sont isolées avec de la laine de verre et recouvertes d'un matériau réfléchissant à l'intérieur du four pour concentrer les rayons.

Pour augmenter la quantité d'énergie apportée et donc la température à l'intérieur du four, on peut ajouter les réflecteurs, de grands panneaux de bois recouverts de matériaux réfléchissants posés avec un angle calculé pour concentrer au mieux les rayons dans le four.
Le four peut s'ouvrir grâce à une trappe se trouvant à l'arrière.
Ainsi en concentrant les rayons solaires pour chauffer et en isolant le mieux possible pour un appareil qui se veut plutôt mobile, on arrive à atteindre (en été) des températures permettant la cuisson alimentaire, c'est à dire selon l'ensoleillement et la hauteur du soleil une température pouvant atteindre 160°C, donc largement supérieure à ce qu'il faut pour faire bouillir de l'eau, ce dont nous avons besoin pour produire de la vapeur.


Il faut cependant percer le four solaire puisqu'il faudra évacuer les vapeurs d'eau et d'huile essentielle qu'on ne peut pas liquéfier dans le four. Un trou pourrait réduire à néant tous les efforts d'isolation thermique mis en Tmuvre sur le four.
Pour voir si ce trou a un réel impact sur la température du four, nous avons réalisé l'expérience suivante :
On met à chauffer deux fours solaires théoriquement identiques sauf en un point : un des deux est percé d'un trou d'un diamètre d'environ 10 mm dans lequel on a fait passer un tuyau pour simuler les conditions d'une distillation et on mesure régulièrement la température intérieure des deux fours jusqu'à ce qu'elle n'augmente plus. On trace ensuite les courbes des températures des deux fours en fonction du temps puis on compare la température maximale et la vitesse de chauffage.

On observe que le trou n'a pas un effet conséquent puisque le four troué monte en température plus rapidement que le four intact et atteint une température supérieure. Cela ne signifie pas que le trou aide à chauffer puisqu'en mesurant les températures des parois des fours, nous avons remarqué que celles du four non troué sont plus chaudes que celles du four troué. Il y a donc une meilleure isolation dans le four troué. Cette expérience permet aussi de prouver qu'une bonne isolation générale du four solaire est plus importante qu'un trou d'un centimètre de diamètre.

Tests sur les fours solaires à Marrakech

Écrit par M. THIBAULT le . Publié dans Four solaire et principe

Lien vers article Nouvelle République 37 du 05/02/2014.

Dans le cadre de la poursuite de l’échange franco-marocain, deux groupes de 3 élèves de première scientifique ont été invités à Marrakech pour réaliser des mesures sur les fours solaires du vendredi 24 au lundi 27 janvier 2014. Restait à la charge des parents, seulement le billet d’avion Tours-Marrakech.