La cuisson solaire

Il peut être intéressant de pratiquer des mesures sur
les cuiseurs solaires ne serait ce que pour en connaitre
l'efficacité . Avec un multimètre
numérique doté d'une sonde thermocouple K, on peut mesurer
des températures allant de -20°C  à +1050°C .
L'avantage de cet instrument est qu'il donne une appréciation
en temps réel de la montée en température du système
" faitout + aliments " . L' expérience montre, que la montée
en température de ce que l'on doit cuire dans le faitout s'opère en
4 phases .

- 1ere phase : adaptation ( en chaleur ) du faitout au cuiseur .
- 2eme phase : montée en température ( linéaire ) dans le faitout .
- 3eme phase : forte décroissance de cette montée en température
(épaule de la courbe) .
- 4eme phase : stagnation relative de la température .

Avec la sonde thermocouple K , on peut prendre la température
dans "l'enceinte" du faitout ou même au coeur de la nourriture
surtout s'il s'agit de viandes ou de poissons .

( Les valeurs mini et optimum pour une cuisson efficace seront précisées
dans la page "températures de cuisson").

Le graphique 1 donne un représentation de l'expérience pour
une montée en température de 500 ml d'eau ( soit 500 g ) à la
date du 23/04/07 vers 13H30 pour la latitude de 45° 19'
avec le cuiseur PSV M .

Lorsque la courbe s'applanit, on arrive à un régime stationnaire :
la quantité d'énergie rentrant dans le faitout est égale à la quantité
d'energie due aux pertes thermiques ( sortant du pot ) ;
on peut limiter cette déperdition par l'adjonction d'un systéme
"à effet de serre", qui permet de gagner de précieux degrés ( 20°C  voire plus ) .
Pour les cuiseurs à panneaux , Barbara Kerr préconise le sac à four :
on enveloppe le faitout dans un sac en polypropylène fermé et étanche ;
son efficacité est certaine sauf qu'elle permet difficilement un "touillage"
des aliments, en effet on ferme le sac du début de la cuisson
jusqu'à la fin .


Exemple de cuisson avec un sac à four 
( source photo : http://bsa-troop34.org/Files/Solar_Ovens.pdf )

Roger Bernard à élaboré un système à effet de serre qui permet
toute manipulation dans le pot ( le couvercle restant accessible )
et qui de plus évite le phénomène
de condensation : il suffit de disposer  le pot d'origine dans un bol
en verre transparent légèrement plus grand avec un inserstice entre les
deux parois d'environ 1 à 2 cm ; le faitout est positionné sur le bol
en verre à l'aide d'un anneau en carton pour assurer une bonne étanchéité. 

Le modèle présenté sur la photo se nomme HotPot (TM) ; il est une marque déposée , fabriqué au Mexique et non diffusé en Europe à cette date .

 
( source photo : http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker )

Le cuiseur à panneaux "Cookit" a été créé par l'organisation de Sacramento "Solar Cookers International" ; ce cuiseur est en fait une adaptation améliorée et "customisée" de systèmes imaginés par le lyonnais Roger Bernard . Je ne donnerai ici ni les plans,
ni la méthode de fabrication de ce cuiseur ; ils sont largement diffusés par le site ( http://solarcooking.org/francais/plans-fr.pdf ) .
La fabrication artisanale de ce cuiseur nécessite du carton ( de récupération ) du papier d'aluminium ( de cuisine ) et de la colle écologique à base de farine, de sucre et d'eau . Ce cuiseur se distingue par son aspect ergonomique .
Le modèle présenté ( en photo ) est certe rudimentaire,

 

mais son efficacité est remarquable : j'ai pu faire cuire des lentilles en un temps record de 2 heures 30 ( elles étaient d'ailleurs un peu trop cuites ! ) sans sac de cuisson ni bol à effet de serre ( voir page "tests et mesures" ) ; la température moyenne de cuisson se situant à  99°C entre 14 et 16 heures ( heure locale ) en mai ( ... fais ce qu'il te plait ).
Je préconise un support pour le faitout ( voir photo )

 

qui permet un bon rayonnement par le dessous et surtout qui évite un "collage thermique"
 entre le pot et le cuiseur, le papier d'aluminium étant fragile .

L'orientation d'un cuiseur solaire à panneaux ( cookit ou autres ) vis à vis du soleil se fait toujours à l'aide de l'ombre portée présente à l'arrière de l'appareil comme montré sur la photo ci-dessous .



Si le cuiseur est efficace, on peut le laisser une demi-heure dans la même position ( alors que le soleil a bougé ) ; l'avantage, dans la cuisson solaire, c'est que l'on peut préparer le dispositif ( cuiseur et faitout ) le matin en ayant pris soin de répérer la bonne orientation du soleil pour une cuisson donnée ( par exemple 11 heures ) ; en revenant le midi les aliments seront pratiquement cuits ; naturellement tout ceci demande un peu d'expérience .  

Les bases de la physique et particulièrement de la calorimétrie permettent d'évaluer la puissance de cuisson qu'un cuiseur solaire peut engendrer par le rayonnement du soleil ; il suffit d'avoir une référence : par exemple, chauffer une certaine quantité d'eau pendant un temps imparti ( Dt ) dans un récipient donné , d'une température de départ jusquà la température atteinte au temps ciblé . Cette mesure commence lors de la 2eme phase de la montée en température ( voir page tests et mesures ) . 
La formule ci-dessous permet le calcul :  

                                            P = (m*c*( Tf -Ti )) / Dt 

P  : puissance ( en watt )

m : masse de l'eau ( en Kilogrammes )

c : chaleur massique de l'eau ( 4180 J/kg/K )

Tf : température finale ( en °C )

Ti : température initiale ( en °C )

Dt : différence de temps appréciée entre Ti et Tf ( durée en secondes)

exemple de calcul :   

Le tableau suivant donne les prises de mesures ( toutes les 2 minutes ) faites avec le multimètre, en position température, muni d'une sonde thermocouple K dont l'extrémité est immergée dans l'eau . 



la température initiale ( Ti ) est de 20 °C à 4 minutes du début de test et la température
finale ( Tf ) est de 96 °C à 30 minutes du début . La différence de temps Dt est égale à
26 minutes ( soit 1560 secondes ) .


 

on calcule séparément le produit m*c ( masse * chaleur massique ) pour les composants
suivants : 
- le récipient ( en métal noir ) 
- le couvercle ( en verre ) 
- le contenu ( 500 ml d'eau )

voir tableau ci-dessous : 

Il suffit d'appliquer la formule pour la totalité des produits m*c :

        ( 2596 * ( 96 - 20 ) ) / 1560 = 126,47 Watts

La prise de température se fait par la sonde K directement immergée dans l'eau du faitout et raccordée au multimètre . Il est primordial de déterminer la différence de temps ( Dt ) de façon à ce qu'elle corresponde à la phase 2 de montée en température ( partie linéaire de la courbe ) . Cette valeur de puissance calculée pourra permettre de comparer différents cuiseurs en utilisant la même quantité d'eau ( 500 ml ) , le même récipient et d'effectuer le test à chaque fois la même heure de la journée à la même latitude . Cette valeur de puissance devrait aussi permettre d'évaluer des temps de cuisson des aliments à cuire du moment que l'on en connait leurs chaleurs massiques et leurs masses . Les détails seront décrits sur la page ( à venir ) "catégorie des aliments et temps de cuisson".  

modifié le 08 octobre 2007

Je donne ci-dessous la méthode de fabrication de ce cuiseur qui reste toutefois un prototype .

On utilise :

- un carton de dimension 120 cm X 60 cm à double cannelure ( 5 à 6 mm d'épaisseur ) pour le panneau vertical
- un carton de dimension 102 cm X 41 cm à double cannelure ( 5 à 6 mm d'épaisseur ) pour le panneau horizontal


 carton à double cannelure

- du papier d'aluminium de 29 cm de large ( épaisseur 18 microns )
- un petit clou d'épaisseur 1 mm, des ciseaux, un cutter, une règle graduée en cm, un crayon
- une barre d'angle en bois en forme de L
- de la colle non chimique et de la colle à bois 

Le calcul des points de la parabole a été réalisé par l'excellent logiciel ( freeware )
"Parabola Calculator Program" du site http://mscir.tripod.com/parabola/  

 
Pour ce cuiseur j'ai pris comme points de références un diamètre parabole de 96 cm et une profondeur de 32 cm ; le programme a déterminé que le point focal se trouve à 18 cm du centre de la parabole ; cette valeur optimale permet d'utiliser des récipients dont le diamètre peut aller jusqu'à environ 26 cm .

 

Sur le panneau horizontal ( coté du carton le plus lisse ) , on repère le milieu exacte ( à 51 cm du bord ) et on trace un trait dans le sens de la largeur ; on trace ensuite un trait dans le sens de la longueur à 4 cm du bord supérieur : l'intersection de ces deux traits
représente le point 0 de la parabole point B sur la photo ( coordonnées X et Y à 0,00 ). 

Rappel des valeurs en cm des points de référence de la parabole :

longeur totale parabole 119,48
diametre parabole         96,00
profondeur                    32,00
point focal                    18,00

x -48,00  y 32,00
x -42,00  y 24,50
x -36,00  y 18,00
x -30,00  y 12,50
x -24,00  y 8,00
x -18,00  y 4,50
x -12,00  y 2,00
x -6,00    y 0,50
x 0,00     y 0,00
x 6,00     y 0,50
x 12,00   y 2,00
x 18,00   y 4,50
x 24,00   y 8,00
x 30,00   y 12,50
x 36,00   y 18,00
x 42,00   y 24,50
x 48,00   y 32,00

On repère et pointe tous les autres points de la parabole ( x=6 et y=0,5 , x=12 et y=2, ...) : il y a 17 points au total . on trace au crayon les 16 segments sur la carton par jonction des points marqués.
 A 0,5 cm de deux bords de chaque segment, on marque au crayon un point : en tout il y aura 32 points . Avec le clou on perce ainsi chaque point marqué et l'on vérifie sur le verso ( en-dessous ) du carton que les trous sont apparents . On perce avec le clou le point focal ( situé à X: 0,00 et Y: 18,00 cm ) . On répercute la largeur exacte ( et différente ) des 16 segments ( ou plutôt 2 fois 8 , car il y a symétrie ) , sur le panneau vertical , en haut et en bas
et de chaque coté .  Les largeurs de segments sont indiquées dans le tableau ci-dessous :



Le coté du carton le plus lisse servira à coller le papier d'aluminium ( on l'appelle recto ) ;
On trace un trait du haut vers le bas pour les 16 segments cotés recto et verso; avec le cutter on trace une légère entaille ( à l'aide d'une règle pour le guidage ) sur le coté verso pour les 16 segments en suivant les traits marqués .
Avec l'extrémité d'une petite cuillère on appuie sur les traits du coté recto : on doit pouvoir faire un léger pliage pour les 16 segments grace à l'entaille coté verso et au marquage coté recto .
Après préparation de la colle non chimique on enduit de celle-çi le panneau vertical ( coté recto ) et l'on colle délicatement le papier d'aluminium dessus ; avec la tranche des mains ( parfaitement propres ), on retire les éventuelles bulles d'air du centre vers l'extérieur. Le panneau faisant 60 cm de haut, il faudra 29cm + 29cm+ 14cm de large en papier d'alu : on laisse plusieurs cm pour un  chevauchemement en haut en bas du panneau vers la coté verso (qu'il faudra aussi coller) .
On réitère l'opération de collage de papier d'alu pour le panneau horizontal ( avec la même délicatesse ) du coté des marques faites au crayon des différentes tailles des segments à la base ; la largeur de 41 cm permet de positionner 29 cm + 29 cm de papier d'alu sans encombre ( avec un chevauchement de 1 cm de chaque part du panneau horizontal ) .
On laisse sécher les panneaux quelques heures ;
on scie la barre d'angle en bois pour faire 16 éléments dont la taille sera celle des segments ( voir tableau jaune )  moins un cm ; on inscrit les N° de segments ( 8 ,7 ,6 , ...) sur chaque élément pour les repérer plus facilement .
Avec le clou on perce le papier d'aluminium du panneau horizontal par en-dessous . on positionne 2 allumettes dans les trous pour chaque segments, on met en place un morceau de carton 



et après avoir enduit de colle à bois l'élément en bois n°8 on le fixe sur le panneau horizontal à équidistance entre les 2 trous du segment 8 .



On recommence pour tous les segments en veillant à les disposer
en quinquonce ; ce dispositif permettra de maintenir le panneau vertical 
de façon efficace à condition qu'il n'y ait pas trop de vent .




Quelques cuiseurs "Mouchot" en action ...