Show HN : concentrateur solaire automatisé fait maison
(github.com/remipch)- Le Solar Concentrator est un concentrateur solaire automatisé fait maison composé de panneaux de miroirs orientables, d’une cible fixe et d’un dispositif de contrôle électronique ; dans sa version actuelle, il utilise 48 miroirs concentrateurs pour une surface totale de 1 m²
- Le 26 juin 2024, après l’ajout de papier aluminium à l’intérieur du four pour améliorer l’isolation, la température du four est montée à 210 °C après 30 minutes
- L’appareil peut produire jusqu’à environ 1000 W de chaleur en ne consommant que 3,8 W d’électricité, et peut être fabriqué avec des composants et matériaux standard, bon marché et faciles à trouver
- La version actuelle ne comporte aucune couche de sécurité, nécessite un alignement manuel initial du panneau avant le suivi automatique, ne contrôle qu’un seul panneau et ne fonctionne pas par temps couvert
- La prochaine étape consiste à piloter un nombre arbitraire de panneaux afin d’atteindre plusieurs kW de puissance, avec des usages possibles comme le chauffage de grands volumes de liquide, le dessalement et la stérilisation, la cuisson et la stérilisation, la fusion de matériaux et l’augmentation de la production photovoltaïque à concentration
Structure et fonctionnement du projet
- Solar Concentrator est un projet de concentrateur solaire automatisé fait maison
- La configuration actuelle est divisée en trois parties
- Panneau de miroirs orientables : actuellement 48 miroirs concentrateurs, pour un total de 1 m²
- Cible fixe : actuellement un simple four en béton avec une plaque métallique noire et du verre trempé
- Dispositif superviseur : une unité de contrôle électronique qui mesure la cible, calcule les commandes moteur et les transmet
- La vidéo de démonstration du 8 juillet 2024 se compose de deux parties
- La première moitié montre l’assemblage en accéléré x10
- La seconde montre environ 7 heures de suivi solaire automatique en accéléré x600
Performances et orientation de fabrication
- Le 26 juin 2024, après l’ajout de papier aluminium à l’intérieur du four pour améliorer l’isolation, la température du four est montée à 210 °C après 30 minutes
- Les principales caractéristiques sont les suivantes
- Production possible de 1000 W de chaleur environ avec une consommation électrique de 3,8 W
- Utilisation de composants et matériaux standard, peu coûteux et faciles à trouver
- Aucune fabrication de haute précision nécessaire ; réalisation manuelle possible avec des outils courants
- Assemblage et démontage faciles
- Compréhension et modification faciles
- Projet publié en open source
Avertissement de sécurité et limites actuelles
- Ce projet peut provoquer une cécité permanente, des brûlures de la peau ou l’inflammation d’objets chez les personnes ou animaux à proximité
- Même hors tension, la lumière du soleil est concentrée 48 fois sur une petite zone
- Le point focal continue de se déplacer selon une trajectoire difficile à prévoir
- Dans son état actuel, l’appareil doit être surveillé en permanence et, en cas d’anomalie, les miroirs doivent être recouverts rapidement
- Les limites de la version actuelle sont les suivantes
- Aucune couche de sécurité n’est implémentée
- Une étape manuelle initiale est nécessaire pour orienter le panneau avant le suivi automatique du soleil
- Un seul panneau peut être contrôlé
- L’appareil ne fonctionne pas par temps couvert
- La mise en œuvre de divers modes basse consommation pourrait réduire fortement la consommation électrique
Composants utilisés et produits réemployés
- Certains produits sont utilisés différemment de leur usage d’origine
- Le verre trempé du four provient d’une étagère Ikea
- Les miroirs sont des miroirs adhésifs décoratifs pour salle de bain
- Les moteurs sont de petits motoréducteurs bon marché
Architecture technique
- La structure du projet reflète son architecture technique
- Les principaux sous-ensembles sont les suivants
- Mechanics : modèles 3D des pièces utilisées pour le panneau solaire
- Electronics : schémas et implantation de la carte superviseur personnalisée
- Simulator : évalue la puissance théorique reçue par la cible pour une configuration matérielle donnée
- Supervisor controller : firmware ESP32-CAM basé sur le framework Espressif ESP32
- Supervisor component : définit la logique de haut niveau du dispositif superviseur
- Sun tracker : calcule les commandes moteur pour maintenir la lumière solaire au centre de la zone cible
- Target detector : détecte la position de la cible dans l’image
- Web interface : permet à l’utilisateur d’interagir avec le dispositif superviseur
- Motors component : contrôle des moteurs dans l’application ESP32
- Image component : fournit des fonctions générales de traitement d’image
- Motors controller : firmware Arduino Pro Mini pour le contrôle des moteurs
Prochains objectifs et licence
- La prochaine étape consiste à contrôler un nombre arbitraire de panneaux afin d’atteindre plusieurs kW de puissance
- Les usages envisagés sont les suivants
- Faire bouillir rapidement de grands volumes de liquide
- Dessaler ou stériliser de grandes quantités d’eau
- Cuire ou stériliser de grandes quantités d’aliments
- Faire fondre du plastique, du métal et du verre
- Augmenter la puissance de panneaux solaires via le photovoltaïque à concentration
- La licence varie selon les composants
- Le logiciel est sous GNU GPL v3
- Les conceptions matérielles électroniques et mécaniques sont distribuées sous CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal
1 commentaires
Avis de Hacker News
Beau travail. J’étudie l’optique non imageante (nonimaging optics), c’est-à-dire l’optique qui permet d’obtenir de forts rapports de concentration ou de grandes tolérances d’erreur dans les concentrateurs solaires.
J’aime le fait que vous ayez implémenté un contrôle en boucle fermée. C’est aussi un sujet central aujourd’hui dans les grands champs d’héliostats. Les héliostats traditionnels sont pour la plupart en boucle ouverte, ce qui impose des exigences très strictes sur la structure mécanique, les actionneurs et le modèle cinématique, avec pour résultat des dispositifs coûteux et très rigides.
On observe donc une tendance vers des héliostats moins chers, dont la précision de suivi est assurée par un contrôle en boucle fermée. C’est plus délicat quand les foyers de milliers de miroirs se superposent, mais des approches sont en cours de développement, comme des caméras autour de la cible qui observent le champ d’héliostats en retour, et Heliogen travaille aussi sur ce type de méthode.
Vous mentionnez aussi la difficulté liée au fait que la lumière n’est concentrée que quelques heures par jour ; c’est le même problème dans les grands champs d’héliostats, et c’est un domaine de recherche actif. Le groupe du professeur Roger Angel à l’University of Arizona développe des héliostats qui se déforment activement au cours de la journée pour conserver une forme optimale, tandis que l’australien Heliosystems fabrique des héliostats qui se déforment passivement sous l’effet de la gravité afin de garder autant que possible la bonne forme.
Si, comme dans ce projet, vous n’utilisez qu’un seul héliostat, vous pourriez aussi envisager un réflecteur de Scheffler, qui place la cible sur un axe de suivi polaire à un seul axe passant par la cible. Il ne faut alors qu’un suivi sur un seul axe pendant la journée, et les ajustements saisonniers peuvent en partie être faits manuellement.
J’apprécie aussi que vous souligniez les dangers intrinsèques de la lumière solaire concentrée. Il existe pas mal d’histoires d’objets qui ont pris feu quand le suivi ne fonctionnait pas correctement.
En quelque sorte, l’« intelligence » du logiciel compense la « rusticité » mécanique.
Une autre idée initiale était de construire un système multi-panneaux avec plusieurs panneaux orientables et une seule caméra regardant la cible. En pratique, ce n’était pas simple, et je suis finalement revenu à une version à panneau unique pour la terminer et la publier.
J’ai tout de même une idée pour réaliser le multi-panneaux avec quelques caméras supplémentaires, et j’aimerais y travailler prochainement. Je prendrai aussi le temps de consulter les références.
Il existe aussi une entreprise qui utilise le vide pour ajuster la forme des miroirs ; je vais essayer de la retrouver et de la poster ici.
Ce projet n’est pas un produit fini, mais une preuve de concept en cours, donc je voulais souligner les dangers intrinsèques.
Si l’on fixait des panneaux le long d’une face d’un prisme de 5 m de haut, comment pourrait-on mettre en œuvre l’ajustement saisonnier de l’inclinaison des panneaux ?
Un ballast réglable ou gonflable semble être la solution la plus simple.
Super projet. J’ai particulièrement apprécié la comparaison de puissance. Qui aurait pensé qu’on pouvait obtenir 1 kW d’énergie à partir de 1 m² ?
Question dans le même esprit : serait-il possible de chauffer, avec un concentrateur solaire, un réacteur à sels fondus entraînant un moteur à turbine ? Et ce, à une échelle relativement petite, au point de pouvoir être construit dans un jardin.
La description ci-dessus était ma compréhension de mémoire ; en réalité, ce dont je voulais parler, c’est plutôt ceci : https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
En creusant un peu, j’ai finalement trouvé ceci sur la production d’électricité à petite échelle par concentration solaire :
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-powered_Stirling_engine
[https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo....](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo.jpg)
Cela pourrait être une alternative à moitié viable aux panneaux solaires. Cela dit, les panneaux solaires et le matériel auxiliaire sont devenus tellement standardisés que, côté coût, ce serait probablement assez cher aujourd’hui.
Il existe aussi de gros moteurs Stirling fonctionnant à l’huile chaude. Avec un grand diamètre de piston, on peut générer un couple assez important même avec une faible différence de température. L’huile peut être chauffée sans concentration, comme dans les chauffe-eau solaires classiques, et ajouter de la concentration ne peut pas faire de mal.
En revanche, je ne sais pas vraiment si c’est viable comme mode de production à petite échelle. Un rendement thermodynamique élevé exige une grande différence de température, tandis que les panneaux solaires sont produits en masse et leur efficacité continue d’augmenter.
Personnellement, je pense que le solaire thermique à concentration à petite échelle est surtout utile pour les applications qui ont directement besoin de chaleur, comme la cuisine, le dessalement ou la fonderie. Dans ces cas-là, la production photovoltaïque est moins efficace et a aussi une durée de vie plus courte.
Au début du projet, je pensais que ce serait plus rentable que le photovoltaïque, mais à la fin de l’année universitaire, le prix des panneaux solaires avait déjà été divisé par deux. C’était l’époque où l’Allemagne et la Chine se livraient à une course aux subventions photovoltaïques.
À ce stade, la production solaire par concentration doit être extrêmement chère par rapport aux panneaux solaires.
Un moteur ne tourne pas pendant des années sans remplacement de pièces.
La lumière du soleil concentrée est bien plus puissante qu’elle n’en a l’air. La plupart des gens ont déjà essayé, avec une petite loupe à manche, de concentrer le soleil en un petit point pour brûler du papier ou un petit morceau de bois.
Quand j’étais enfant, j’avais une lentille de Fresnel d’environ 2 pieds de diamètre provenant d’un vieux projecteur ou quelque chose du genre, et elle pouvait mettre le feu à l’asphalte presque instantanément. Ce ne serait pas pratique, mais j’ai l’impression qu’on pourrait même souder de l’acier avec la lumière du soleil.
https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
En théorie, si l’on pouvait fabriquer des lentilles et des fibres optiques, on pourrait imprimer en 3D des structures alimentées par l’énergie solaire partout où l’ensoleillement est suffisant. On peut imaginer imprimer en 3D, sur place sur Mars, de petits jardins en bouteille équipés d’un collecteur d’eau utilisant une circulation de gel de silice chauffé. La pression atmosphérique resterait faible, mais ce serait plus chaud et plus humide.
https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
Ça devient intéressant vers 1 min 25 s.
Il y a ici beaucoup d’expériences intéressantes autour de la collecte de chaleur solaire : https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos
Certains projets suivent la même idée d’une structure en grille composée de petits miroirs carrés.
Cela dit, de leur côté ils ont choisi de poser les miroirs au sol, ce qui est plus simple. En contrepartie, il faut déplacer la cible jusqu’au point focal, ce qui est moins simple.
C’est une bonne source d’inspiration, je vais regarder les vidéos.
Si l’on fabrique, avec du sable mouillé, un gros bloc courbe de plus de 1 m de diamètre, on peut mouler dessus une parabole en fibre de verre puis, une fois durcie, chromer, peindre ou finir d’une autre manière l’intérieur de la parabole.
Cela permettrait de concentrer la lumière solaire davantage que la limite actuelle de 48×.
Cela dit, pour certaines applications, un foyer carré de 20 cm × 20 cm peut être préférable.
Pour cuire quelque chose, répartir la chaleur sur toute une plaque de cuisson donne une cuisson plus uniforme.
Je ne sais pas bien comment il le maintenait orienté correctement. Dans ce cas, le fait que la forme de la surface ne soit pas parfaite était peut-être même un avantage.
Merci pour le partage. C’est vraiment super. Si j’avais un jardin ou un espace pour bricoler, j’aimerais en assembler un pour faire tourner un petit moteur thermique.
Construire quelque chose soi-même et utiliser l’énergie gratuite venue du soleil, c’est clairement amusant.
J’étais particulièrement content quand j’ai mangé mon premier gratin solaire.
En fait, je cherche surtout une excuse pour rester plus longtemps au lit les jours de mauvais temps.
Très chouette. Je me demande si tu as regardé les collecteurs solaires anidoliques (anidolic solar collector). D’après ce que je comprends, ils sont en pratique plus efficaces que les collecteurs à miroirs ou à lentilles, parce qu’ils ne nécessitent pas de visée précise et peuvent aussi capter la lumière indirecte.
Si j’ai bien compris, la caractéristique principale est qu’il ne concentre pas la lumière en un point focal, mais la diffuse.
Je ne sais donc pas trop si c’est applicable à mon projet.
Il faudra que je creuse pour comprendre vraiment comment ça fonctionne. Merci pour la piste.
Est-ce que je comprends bien : l’angle entre chaque morceau de miroir et la plaque arrière est fixé une fois pour toutes lors de la fabrication, et ne change pas dynamiquement ensuite ?
L’avantage de cette approche, c’est qu’au lieu d’avoir deux moteurs par miroir, il ne faut que deux moteurs pour tout le panneau.
L’inconvénient, c’est que la lumière n’est concentrée que pendant quelques heures dans la journée.
Je me souviens de quelque chose de similaire fabriqué vers 2000 avec une parabole satellite DirecTV.
C’était très simple. La parabole de l’antenne était rendue réfléchissante comme un miroir, on perçait un trou dans l’antenne, puis un capteur de lumière suivait, à travers ce trou, le faisceau lumineux projeté sur le toit. Quelques moteurs et un circuit intégré permettaient de déplacer la parabole pour suivre la position du soleil.