1 500 °C avec le soleil ! – Four solaire

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1 500 °C avec le soleil : Il y a environ deux ans, on a trouvé un vieux téléviseur à rétroprojection abandonné dans la rue. Pour étoffer nos stocks de composants de récupération, on l’a démonté de fond en comble. On a alors découvert comment fonctionnent ces téléviseurs et récupéré plusieurs lentilles en verre ainsi qu’une gigantesque lentille de Fresnel. On a très vite remarqué le potentiel d’une telle lentille en l’exposant au soleil : elle peut servir de four solaire très compact mais de bonne qualité. Et pour cause, la majorité des rayons du soleil qui la traverse se retrouvent concentrés dans un foyer de moins de 2 cm² qui est alors 2 200 fois plus lumineux que le soleil ! En « éclairant » différents matériaux avec cette lumière colossale on peut faire des expériences intéressantes que l’on vous propose de découvrir dans cette vidéo. La seconde partie de la vidéo comprend de nombreuses explications au sujet des lentilles : principe de fonctionnement, aberrations « géométriques et chromatiques », fonctionnement d’une lentille de Fresnel, importance du sens, calcul de la puissance de notre lentille, etc. Bon visionnage et vive les sciences 😉

• Supplément : quelle est la température maximale théorique que l’on peut atteindre avec notre lentille ? (partie de la vidéo supprimée)

Cette température maximale est atteinte quand l’objet chauffé perd autant d’énergie qu’il n’en reçoit. Pour recevoir l’intégralité des 415 W, l’objet doit avoir la même taille que le foyer et il devrait être un corps noir, c’est à dire un objet qui absorbe toutes les longueurs d’ondes qu’on lui donne, sans jamais rien réfléchir.
Au fur et à mesure qu’il chauffe, l’objet peut céder sa chaleur de trois manières : par conduction, s’il est en contact avec quelque chose, par convection car l’air le refroidit et par rayonnement car plus il est chaud, plus il émet d’infrarouges voire même de la lumière visible. Les pertes par rayonnement augmentent avec la puissance 4 de la température alors que les pertes par conduction et convection y sont proportionnelles. Si l’objet est tenu par un contact très fin, les pertes par conduction et convection ne sont que de quelques watts chacune et sont donc négligeables.
Presque toute l’énergie est perdue par rayonnement, on peut même ajouter une surface réfléchissante sous l’objet, comme ça toute l’énergie qu’il rayonne par-dessous lui est renvoyée. Au final, on peut calculer que la température maximale que l’on pourrait obtenir avec notre lentille est d’environ 2 100 °C !

• Extraits :

On va maintenant aller plus loin en s’intéressant au fonctionnement d’une lentille de Fresnel et au calcul des performances de la nôtre.
Pour comprendre comment fonctionne une lentille de Fresnel, il faut d’abord voir comment fonctionne une lentille en verre classique. Il existe des lentilles convergentes, comme la nôtre, où des rayons parallèles se rapprochent les uns des autres et des lentilles divergentes où les rayons s’écartent.
Contrairement à ce qu’on pourrait croire, une lentille ne courbe pas progressivement la lumière, le virage a lieu d’un seul coup au niveau de chaque interface. La lumière change de direction toute seule suivant les lois de Snell-Descartes. Ce phénomène s’appelle la réfraction.
En clair, la lumière est une flemmarde qui prend toujours le chemin le plus rapide. Imaginez une ampoule qui éclaire dans toutes les directions et un capteur situé derrière une vitre épaisse. Sachant que la lumière se déplace 30 % moins vite dans le verre que dans l’air, quel est le rayon qui atteint le capteur en premier ? Et bien ce n’est pas celui qui prend la ligne droite car il perd du temps à traverser le verre ni celui qui traverse le moins de verre possible. Le rayon le plus rapide prend un chemin intermédiaire et là, comme par magie, on retrouve les lois de Snell-Descartes.

A présent, on va déterminer les performances de notre Lentille de Fresnel. Premièrement quelle est sa puissance maximale ? Chaque mètre carré orienté vers le soleil, juste avant l’atmosphère reçoit à tout instant une puissance de 1 360 W ! C’est plus que la puissance de notre scooter électrique… En traversant l’atmosphère, cette puissance lumineuse est réfléchie et diffusée, une partie est donc perdue.

• Autres titres : Fabriquer un four solaire / Puissance du soleil / Energie solaire / Concenter le soleil / Solaire thermodynamique / Photovoltaïque à concenration / Forge solaire / Faire fondre des métaux avec le soleil / Idée incroyable expérience TPE TIPE BAC S / vik95170 / expérience science Français

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