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« Moteur solaire » : différence entre les versions

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Les moteurs solaires sont des moteurs thermiques qui transforment la '''chaleur du soleil''' en énergie mécanique ; celle-ci servant en général à produire de [[Électricité|l'électricité]]. Elle peut aussi être utilisée à d'autres fins.
Un '''moteur solaire''' est un [[moteur thermique]] qui transforme la chaleur du soleil en énergie mécanique, celle-ci servant en général à produire de l'[[électricité]]. Elle peut aussi être utilisée à d'autres fins.


Les moteurs solaires se divisent en deux catégories :
Les moteurs solaires se divisent en deux catégories :
* La technologie à air chaud : les capteurs solaires thermiques chauffent l'air atmosphérique (ou un gaz) qui sera utilisé comme fluide de travail dans un [[moteur à air chaud]]<ref name="hae-01">{{lien web|url=http://hotairengines.org|titre=Les moteurs à air chauds|site=hotairengines.org}}</ref>
* La technologie à air chaud : les capteurs solaires thermiques chauffent l'air atmosphérique (ou un gaz) qui sera utilisé comme fluide de travail dans un [[moteur à air chaud]]<ref name="hae-01">{{lien web|url=http://hotairengines.org|titre=Les moteurs à air chauds|site=hotairengines.org}}</ref>
* La technologie à vapeur : les capteurs solaires thermiques chauffent de l'eau et la transforme en vapeur qui sera utilisée comme fluide de travail dans une [[machine à vapeur]], plus généralement une [[turbine à vapeur]].
* La technologie à vapeur : les capteurs solaires thermiques chauffent de l'eau et la transforment en vapeur qui sera utilisée comme fluide de travail dans une [[machine à vapeur]], plus généralement une [[turbine à vapeur]].


Les [[Capteur solaire thermique|capteurs solaire thermiques]], ou plus généralement les [[Four solaire|concentrateurs solaires]], sont compatibles à la fois avec la technologie à air chaud ou celle à vapeur.
Les [[Capteur solaire thermique|capteurs solaire thermiques]], ou plus généralement les [[Four solaire|concentrateurs solaires]], sont compatibles à la fois avec la technologie à air chaud ou celle à vapeur.
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=== La pompe solaire de Salomon de Caus et Belidor ===
=== La pompe solaire de Salomon de Caus et Belidor ===
[[File:Belidor's pump.png|thumb|La pompe solaire de Belidor.]]
[[File:Belidor's pump.png|thumb|La pompe solaire de Belidor.]]
En 1615 [[Salomon de Caus]] construit la première pompe solaire qu'il appelle {{cita|fontaine continuelle}} ; Bernard Foret de Belidor publie en 1764 ses recherches décrivant une version améliorée de cette pompe<ref name="Pope 1903">{{ouvrage|nom=POPE|prénom=Charles Henry|titre=Solar heat and its applications|année=1906|éditeur=[[ColonialPress]]|url=https://archive.org/details/solarheatitsprac00pope/page/n11/mode/2up|pages=27-35}}</ref>. Elle est composée d'un réservoir sphérique en cuivre ayant deux tuyaux sortant par le dessous. Un premier tuyau vertical, NK, aspire l'eau qui doit être élevée ; il a un clapet anti-retour à son extrémité K. Un autre tuyau EG va vers la citerne H et a également un clapet anti-retour F. Le réservoir sphérique est rempli d'eau au deux tiers (BNC)<ref>{{ouvrage|nom=CAZIN|titre=Revue Scientifique p. 186|url=https://books.google.fr/books?id=p_sb0ZLoQUAC&pg=PA186&dq=belidor+pompe+solaire&hl=fr&sa=X&ved=2ahUKEwi8k6XOtprqAhUFAmMBHW7fApQQ6AEwAnoECAUQAg#v=onepage&q=belidor%20pompe%20solaire&f=false}}</ref>.
En 1615 [[Salomon de Caus]] construit la première pompe solaire qu'il appelle {{cita|fontaine continuelle}} ; Bernard Foret de Belidor publie en 1764 ses recherches décrivant une version améliorée de cette pompe<ref name="Pope 1903">{{ouvrage|nom=POPE|prénom=Charles Henry|titre=Solar heat and its applications|année=1906|éditeur=[[ColonialPress]]|url=https://archive.org/details/solarheatitsprac00pope/page/n11/mode/2up|pages=27-35}}</ref>. Elle est composée d'un réservoir sphérique en cuivre ayant deux tuyaux sortant par le dessous. Un premier tuyau vertical, NK, aspire l'eau qui doit être élevée ; il a un [[clapet anti-retour]] à son extrémité K. Un autre tuyau EG va vers la citerne H et a également un clapet anti-retour F. Le réservoir sphérique est rempli d'eau au deux tiers (BNC)<ref>{{ouvrage|nom=CAZIN|titre=Revue Scientifique p. 186|url=https://books.google.fr/books?id=p_sb0ZLoQUAC&pg=PA186&dq=belidor+pompe+solaire&hl=fr&sa=X&ved=2ahUKEwi8k6XOtprqAhUFAmMBHW7fApQQ6AEwAnoECAUQAg#v=onepage&q=belidor%20pompe%20solaire&f=false}}</ref>.


La machine recevant le soleil toute la journée, l'air du réservoir contenu dans BAC chauffé par les rayons, monte en pression. Quand celle-ci dépasse celle de la colonne d'eau (NC) l'air se dilate et fait pression sur l'eau qui ouvre le clapet F, pousse l'eau qui se trouve dans le tuyau FG, et coule vers la citerne H. La nuit, alors que le soleil a disparu, la surface du réservoir sphérique refroidit et l'air qui y est contenu condense pour créer un vide, qui, de cette manière aspire l'eau du tuyau NG vers le réservoir<ref>{{ouvrage|nom=MOUCHOT|prénom=Augustin|titre=La chaleur solaire et ses applications industrielles (French)|année=1869|éditeur=[[Gauthier-Villars]]|url=https://archive.org/details/lachaleursolair00moucgoog}}</ref>.
La machine recevant le soleil toute la journée, l'air du réservoir contenu dans BAC chauffé par les rayons, monte en pression. Quand celle-ci dépasse celle de la [[colonne d'eau]] (NC) l'air se dilate et fait pression sur l'eau qui ouvre le clapet F, pousse l'eau qui se trouve dans le tuyau FG, et coule vers la citerne H. La nuit, alors que le soleil a disparu, la surface du réservoir sphérique refroidit et l'air qui y est contenu condense pour créer un vide, qui, de cette manière aspire l'eau du tuyau NG vers le réservoir<ref>{{ouvrage|nom=MOUCHOT|prénom=Augustin|titre=La chaleur solaire et ses applications industrielles (French)|année=1869|éditeur=[[Gauthier-Villars]]|url=https://archive.org/details/lachaleursolair00moucgoog}}</ref>.


Le réservoir de la pompe était fait de cuivre, un métal bon conducteur qui permettait de transmettre rapidement la chaleur collectée à l'air confiné. Cependant le cuivre était également en contact avec l'eau qui absorbait la majeure partie de la chaleur, et nuisait ainsi aux performances de l'appareil. À cette imperfection s'ajoutait une autre, plus grande : la durée excessive du [[cycle thermodynamique]] qui durait un jour et une nuit.
Le réservoir de la pompe était fait de cuivre, un métal bon conducteur qui permettait de transmettre rapidement la chaleur collectée à l'air confiné. Cependant le cuivre était également en contact avec l'eau qui absorbait la majeure partie de la chaleur, et nuisait ainsi aux performances de l'appareil. À cette imperfection s'ajoutait une autre, plus grande : la durée excessive du [[cycle thermodynamique]] qui durait un jour et une nuit.
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En 1860 Deliancourt inventa une autre pompe solaire<ref name="aa">{{ouvrage|nom=MOUCHOT|prénom=Augustin|titre=La chaleur solaire et ses applications industrielles|année=1869|éditeur=[[Gauthier-Villars]]|url=https://archive.org/details/lachaleursolair00moucgoog}}</ref>, qui, à la différence de celles qui la précédaient, intégrait un système de refroidissement.
En 1860 Deliancourt inventa une autre pompe solaire<ref name="aa">{{ouvrage|nom=MOUCHOT|prénom=Augustin|titre=La chaleur solaire et ses applications industrielles|année=1869|éditeur=[[Gauthier-Villars]]|url=https://archive.org/details/lachaleursolair00moucgoog}}</ref>, qui, à la différence de celles qui la précédaient, intégrait un système de refroidissement.


Sa pompe solaire consiste en un récipient rectangulaire ayant une grande surface au soleil et qui actionne une pompe sous l'effet des rayons du soleil sur l'air confiné<ref>{{ouvrage|nom=ROYAUMONT|prénom=Louis|titre=La conquête du soleil et ses applications|année=1882}}</ref>{{,}}<ref name="kryza 2003">{{ouvrage|nom=KRYZA|prénom=Frank T.|titre=The Power of Light|année=2003|éditeur=[[McGraw-Hill]]|url=https://archive.org/details/poweroflightepic00fran}}</ref>.
Sa pompe solaire consiste en un récipient rectangulaire ayant une grande surface au soleil et qui actionne une pompe sous l'effet des rayons du soleil sur l'air confiné<ref>{{ouvrage|nom=ROYAUMONT|prénom=Louis|titre=La conquête du soleil et ses applications|année=1882}}</ref>{{,}}<ref name="kryza 2003">{{ouvrage|nom=KRYZA|prénom=Frank T.|titre=The Power of Light|année=2003|éditeur=[[McGraw-Hill Education|McGraw-Hill]]|url=https://archive.org/details/poweroflightepic00fran}}</ref>.


Le dispositif est hermétiquement fermé et ne communique avec l'extérieur que par les tubes C et D. Ces tubes sont équipés de vannes qui agissent en sens opposés. L'appareil contient de l'eau jusqu'à la ligne B ; le reste étant de l'air à pression atmosphérique. La surface A est en métal fin et noirci. La surface A étant chauffée par les rayons solaires, l'air se dilate et appuie sur l'eau qui sort par le tube C. La surface A est alors mise à l'abri du soleil par un moyen quelconque, et l'air qui s'est dilaté se condense. L'eau sort par le tube C forme un vide qui est immédiatement rempli d'eau du réservoir K.
Le dispositif est hermétiquement fermé et ne communique avec l'extérieur que par les tubes C et D. Ces tubes sont équipés de vannes qui agissent en sens opposés. L'appareil contient de l'eau jusqu'à la ligne B ; le reste étant de l'air à [[pression atmosphérique]]. La surface A est en métal fin et noirci. La surface A étant chauffée par les rayons solaires, l'air se dilate et appuie sur l'eau qui sort par le tube C. La surface A est alors mise à l'abri du soleil par un moyen quelconque, et l'air qui s'est dilaté se condense. L'eau sort par le tube C forme un vide qui est immédiatement rempli d'eau du réservoir K.


La machine Deliancourt utilise du métal noirci, ce qui était un progrès, mais la véritable amélioration est la possibilité de refroidir l'air confiné après qu'il ait atteint sa limite d'expansion.
La machine Deliancourt utilise du métal noirci, ce qui était un progrès, mais la véritable amélioration est la possibilité de refroidir l'air confiné après qu'il a atteint sa limite d'expansion.


=== La machine solaire de Ericsson ===
=== La machine solaire de Ericsson ===
Entre 1868 et 1883, l'inventeur suédois [[John Ericsson]] fut occupé par la puissance du soleil et ses applications<ref name="scientificamerican01">{{lien web|url=https://www.scientificamerican.com/article/the-dynamic-measurement-and-utiliza/|titre=The Dynamic Measurement and Utilization of Solar Heat|site=scientificamerican.com}}</ref> et construisit plusieurs moteurs solaires très avancés. Cet ingénieur, qui a passé la majeure partie de sa vie à construire des [[moteurs à air chaud]] et pour lesquels il a déposé de nombreux brevets, a cherché à combiner l'air chaud et le soleil.
Entre 1868 et 1883, l'inventeur suédois [[John Ericsson]] fut occupé par la puissance du soleil et ses applications<ref name="scientificamerican01">{{lien web|url=https://www.scientificamerican.com/article/the-dynamic-measurement-and-utiliza/|titre=The Dynamic Measurement and Utilization of Solar Heat|site=scientificamerican.com}}</ref> et construisit plusieurs moteurs solaires très avancés. Cet ingénieur, qui a passé la majeure partie de sa vie à construire des [[moteur à air chaud|moteurs à air chaud]] et pour lesquels il a déposé de nombreux brevets, a cherché à combiner l'air chaud et le soleil.


Ericsson a été le premier à associer l'énergie solaire à un moteur à air chaud<ref name="hae-ericsson01">{{lien web|url=http://hotairengines.org/solar-engine/ericsson-1868|titre=Le moteur solaire à air chaud de Ericsson|site=hotairengines.org}}</ref>; et avec Mouchot, ils ont été les premiers à associer l'énergie solaire à une [[machine à vapeur]].
Ericsson a été le premier à associer l'énergie solaire à un moteur à air chaud<ref name="hae-ericsson01">{{lien web|url=http://hotairengines.org/solar-engine/ericsson-1868|titre=Le moteur solaire à air chaud de Ericsson|site=hotairengines.org}}</ref>; et avec Mouchot, ils ont été les premiers à associer l'énergie solaire à une [[machine à vapeur]].


[[File:Ericsson sun motor.jpg|thumb|Le moteur solaire d'Ericsson - 1883.]]
[[File:Ericsson sun motor.jpg|thumb|Le moteur solaire d'Ericsson - 1883.]]
Ericsson a initialement utilisé la conception de Mouchot avec un récepteur solaire conique. Plus tard, il introduisit un nouveau récepteur solaire qui concentre la chaleur rayonnante au moyen d'un bac rectangulaire ayant un fond incurvé garni à l'intérieur de plaques polies, de manière à ce qu'elles reflètent les rayons du soleil vers un radiateur cylindrique placé longitudinalement au-dessus du bac. Ce cylindre faisant office de radiateur, contenait le fluide de travail (l'air ou la vapeur), utilisé pour transférer l'énergie solaire au moteur. Le transfert était effectué au moyen de cylindres munis de pistons.<ref name="kryza 2003" />
Ericsson a initialement utilisé la conception de Mouchot avec un récepteur solaire conique. Plus tard, il introduisit un nouveau récepteur solaire qui concentre la chaleur rayonnante au moyen d'un bac rectangulaire ayant un fond incurvé garni à l'intérieur de plaques polies, de manière qu'elles reflètent les rayons du soleil vers un radiateur cylindrique placé longitudinalement au-dessus du bac. Ce cylindre faisant office de radiateur, contenait le fluide de travail (l'air ou la vapeur), utilisé pour transférer l'énergie solaire au moteur. Le transfert était effectué au moyen de cylindres munis de pistons<ref name="kryza 2003" />.
Ericsson est de ce fait l'inventeur de la parabole solaire.
Ericsson est de ce fait l'inventeur de la parabole solaire.


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==== Maricopa Solar ====
==== Maricopa Solar ====
[[File:Maricopa_Dish-Stirling_plant.png|thumb|Maricopa Solar.]]
[[File:Maricopa_Dish-Stirling_plant.png|thumb|Maricopa Solar.]]
Près de 200 ans après leur invention, 60 moteurs solaires à air chaud produisent de l'électricité à l'extérieur de Phoenix, Arizona, USA.<ref name="scientificamerican02" />
Près de 200 ans après leur invention, 60 moteurs solaires à air chaud produisent de l'électricité à l'extérieur de Phoenix, Arizona, USA<ref name="scientificamerican02" />.
Le projet a été développé par Tessera Solar et Stirling Energy Systems.<ref name="stirlingenergy01">{{lien web|url=http://www.stirlingenergy.com/|titre=Stirling Energy Systems}}</ref>
Le projet a été développé par Tessera Solar et Stirling Energy Systems<ref name="stirlingenergy01">{{lien web|url=http://www.stirlingenergy.com/|titre=Stirling Energy Systems}}</ref>.


Chaque appareil<ref name="energygov01">{{lien web|url=https://www.energy.gov/eere/solar/downloads/maricopa-solar-power-dish-plant|titre=Maricopa Solar Power Dish Plant}}</ref> produit 25 kilowatts et utilise un miroir parabolique sphérique de près de 12 m qui, combiné à un système de suivi automatique, collecte et concentre l'énergie thermique solaire sur un moteur à air chaud pour la convertir en électricité de qualité réseau. Les 60 moteurs solaires de Maricopa Solar <ref name="basinandrangewatch01">{{lien web|url=https://www.basinandrangewatch.org/StirlingDish.html|titre=Maricopa Solar Power Plant}}</ref>produisent de l'électricité pour les clients de Salt River dans le Grand Phoenix, Arizona, États-Unis.
Chaque appareil<ref name="energygov01">{{lien web|url=https://www.energy.gov/eere/solar/downloads/maricopa-solar-power-dish-plant|titre=Maricopa Solar Power Dish Plant}}</ref> produit 25 kilowatts et utilise un miroir parabolique sphérique de près de 12 m qui, combiné à un système de suivi automatique, collecte et concentre l'énergie thermique solaire sur un moteur à air chaud pour la convertir en électricité de qualité réseau. Les 60 moteurs solaires de Maricopa Solar <ref name="basinandrangewatch01">{{lien web|url=https://www.basinandrangewatch.org/StirlingDish.html|titre=Maricopa Solar Power Plant}}</ref>produisent de l'électricité pour les clients de Salt River dans le Grand Phoenix, Arizona, États-Unis.
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==== Plataforma Solar de Almería ====
==== Plataforma Solar de Almería ====
La Plataforma Solar de Almería (Espagne) se présente comme le plus grand centre de recherche-développement sur les techniques solaires à concentration de l'Europe<ref name="plataformasolar01">{{lien web|url=http://www.psa.es/en/gen/index.php|titre=Plataforma Solar de Almeria|site=www.psa.es}}</ref>. Elle comprend entre autres un prototype produisant de l'électricité avec des moteurs à air chauds de type Stirling utilisant l'énergie solaire comme source de chaleur. Une première installation datant de 1992 et initialement composée de trois unités paraboliques de 7,5 m de diamètre, en mesure de recueillir jusqu'à 40 kWth d'énergie au moyen du moteur et qui pouvait générer jusqu'à 9 kW en zone focale. Le projet a été suivi par une unité parabolique de 8,5 m, le moteur pouvant générer 10 kWe<ref name="plataformasolar02">{{lien web|url=http://www.psa.es/en/facilities/dishes/eurodish.php|titre=EuroDish Project|site=www.psa.es}}</ref>{{,}}<ref name="promes04">{{lien web|url=https://www.promes.cnrs.fr/uploads/pdfs/production/rapport_2016/RS_PROMES2016_VF.pdf|titre=Parabole solaire - p 151 project|site=promes.cnrs.fr}}</ref>.
La Plataforma Solar de Almería (Espagne) se présente comme le plus grand centre de recherche-développement sur les techniques solaires à concentration de l'Europe<ref name="plataformasolar01">{{lien web|url=http://www.psa.es/en/gen/index.php|titre=Plataforma Solar de Almeria|site=www.psa.es}}</ref>. Elle comprend entre autres un prototype produisant de l'électricité avec des moteurs à air chaud de type Stirling utilisant l'énergie solaire comme source de chaleur. Une première installation datant de 1992 et initialement composée de trois unités paraboliques de 7,5 m de diamètre, en mesure de recueillir jusqu'à 40 kWth d'énergie au moyen du moteur et qui pouvait générer jusqu'à 9 kW en zone focale. Le projet a été suivi par une unité parabolique de 8,5 m, le moteur pouvant générer 10 kWe<ref name="plataformasolar02">{{lien web|url=http://www.psa.es/en/facilities/dishes/eurodish.php|titre=EuroDish Project|site=www.psa.es}}</ref>{{,}}<ref name="promes04">{{lien web|url=https://www.promes.cnrs.fr/uploads/pdfs/production/rapport_2016/RS_PROMES2016_VF.pdf|titre=Parabole solaire - p 151 project|site=promes.cnrs.fr}}</ref>.


== Moteur solaire à vapeur ==
== Moteur solaire à vapeur ==
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=== Le moteur solaire à basse pression de Shuman ===
=== Le moteur solaire à basse pression de Shuman ===
L'ingénieur américain [[Frank Shuman]], a fait des expériences similaires près de Philadelphie, puis a installé d'importants appareils en Égypte. En 1910, il a mis au point un appareil sans réflecteur pour concentrer les rayons du soleil<ref name="renewablebook01">{{lien web|url=https://renewablebook.wordpress.com/chapter-excerpts/350-2/|titre=Frank Shuman’s Solar Arabian Dream}}</ref>. L'absorbeur consistait en un récipient noirci, recouvert de deux lames de verre laissant un espace d'un pouce (2,54 cm) entre elles. Le récipient était orienté de telle sorte qu'à midi, les rayons du soleil soient perpendiculaires au verre; il n'y avait aucun appareil pour suivre la course du soleil ; l'appareil était ajusté que toutes les trois semaines.<ref name="scientificamerican03">{{lien web|url=https://www.scientificamerican.com/article/power-from-sunshine/|titre=Power from Sunshine}}</ref>
L'ingénieur américain [[Frank Shuman]], a fait des expériences similaires près de Philadelphie, puis a installé d'importants appareils en Égypte. En 1910, il a mis au point un appareil sans réflecteur pour concentrer les rayons du soleil<ref name="renewablebook01">{{lien web|url=https://renewablebook.wordpress.com/chapter-excerpts/350-2/|titre=Frank Shuman’s Solar Arabian Dream}}</ref>. L'absorbeur consistait en un récipient noirci, recouvert de deux lames de verre laissant un espace d'un pouce (2,54 cm) entre elles. Le récipient était orienté de telle sorte qu'à midi, les rayons du soleil soient perpendiculaires au verre; il n'y avait aucun appareil pour suivre la course du soleil ; l'appareil était ajusté que toutes les trois semaines<ref name="scientificamerican03">{{lien web|url=https://www.scientificamerican.com/article/power-from-sunshine/|titre=Power from Sunshine}}</ref>.
[[File:MAURAIN Shumann.png|thumb|Sun Power Cie - Centrale solaire.]]
[[File:MAURAIN Shumann.png|thumb|Sun Power Cie - Centrale solaire.]]
La quantité maximale de vapeur à la pression atmosphérique produite par heure dans ces conditions était de 7,5 livres pour une section transversale de 100 pieds carrés de soleil, ou 366 grammes par mètre carré par heure. Selon les tests, un moteur basse pression Shuman pourrait fournir 1 CV pour {{unité|28|m|2}} de surface en verre irradié<ref name="fordhamedu0101">{{lien web|url=https://news.law.fordham.edu/jcfl/2019/02/17/solar-energys-untold-history-and-the-factors-driving-its-growth-today/|titre=Solar Energy’s Untold History and the Factors Driving its Growth Today}}</ref>{{,}}<ref>{{ouvrage|nom=Butti|prénom=Ken|titre=Golden Thread Twenty Five Hundred Years of Solar Architecture and Technology|année=1980|éditeur=Cheshire Books|isbn=0917352076}}</ref>.
La quantité maximale de vapeur à la pression atmosphérique produite par heure dans ces conditions était de 7,5 livres pour une section transversale de 100 pieds carrés de soleil, ou 366 grammes par mètre carré par heure. Selon les tests, un moteur basse pression Shuman pourrait fournir 1 CV pour {{unité|28|m|2}} de surface en verre irradié<ref name="fordhamedu0101">{{lien web|url=https://news.law.fordham.edu/jcfl/2019/02/17/solar-energys-untold-history-and-the-factors-driving-its-growth-today/|titre=Solar Energy’s Untold History and the Factors Driving its Growth Today}}</ref>{{,}}<ref>{{ouvrage|nom=Butti|prénom=Ken|titre=Golden Thread Twenty Five Hundred Years of Solar Architecture and Technology|année=1980|éditeur=Cheshire Books|isbn=0917352076}}</ref>.
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En 1911, avec un appareil analogue, mais équipé en plus de deux miroirs qui concentraient les rayons solaires sur le récipient, la quantité maximale de vapeur produite était de 440 grammes par m2 et par heure ; 1 CV pour {{unité|23|m|2}} de surface.
En 1911, avec un appareil analogue, mais équipé en plus de deux miroirs qui concentraient les rayons solaires sur le récipient, la quantité maximale de vapeur produite était de 440 grammes par m2 et par heure ; 1 CV pour {{unité|23|m|2}} de surface.


L'année suivante, la Sun Power Cie installée à Meadi, près du Caire, construit un appareil comportant plusieurs modifications apportées sur les indications d'un conseil scientifique et notamment de C. V. Boys.<ref name="solarthermalworld01">{{lien web|url=https://www.solarthermalworld.org/sites/default/files/story/2015-04-18/solar_thermal_power_and_energy_storage_historical_perspective.pdf|titre=Solar Thermal Power and Energy Storage - Historical Perspective}}</ref>Les chaudières ont été placées le long de l'axe des miroirs cylindriques à section parabolique. Les axes des miroirs étaient orientés nord-sud, et les miroirs étaient inclinés, automatiquement pendant la journée afin de suivre les mouvements du soleil. L'installation se composait de 5 éléments d'une longueur de 205 pieds chacun et la superficie totale était de 13 269 pieds carrés, ou {{unité|1234|m|2}}. Les meilleurs résultats obtenus avec cette installation sont: 586 grammes de vapeur par m2 par heure soit 1 CV pour 17 m de surface<ref name="kryza 2003" />.
L'année suivante, la Sun Power Cie installée à Meadi, près du Caire, construit un appareil comportant plusieurs modifications apportées sur les indications d'un conseil scientifique et notamment de C. V. Boys<ref name="solarthermalworld01">{{lien web|url=https://www.solarthermalworld.org/sites/default/files/story/2015-04-18/solar_thermal_power_and_energy_storage_historical_perspective.pdf|titre=Solar Thermal Power and Energy Storage - Historical Perspective}}</ref>.Les chaudières ont été placées le long de l'axe des miroirs cylindriques à section parabolique. Les axes des miroirs étaient orientés nord-sud, et les miroirs étaient inclinés, automatiquement pendant la journée afin de suivre les mouvements du soleil. L'installation se composait de 5 éléments d'une longueur de 205 pieds chacun et la superficie totale était de 13 269 pieds carrés, ou {{unité|1234|m|2}}. Les meilleurs résultats obtenus avec cette installation sont: 586 grammes de vapeur par m2 par heure soit 1 CV pour 17 m de surface<ref name="kryza 2003" />.


Bien que Shuman n'ait pas réussi à atteindre les performances du moteur solaire Ericsson (1 CV par {{unité|10|m|2}}), il a démontré que les moteurs solaires sont viables à grande échelle. De nos jours, à l'exception du Stirling Dish, la plus grande partie de la production d'énergie solaire se fait au moyen d'un concentrateur solaire et en combinaison avec une [[turbine à vapeur]].
Bien que Shuman n'ait pas réussi à atteindre les performances du moteur solaire Ericsson (1 CV par {{unité|10|m|2}}), il a démontré que les moteurs solaires sont viables à grande échelle. De nos jours, à l'exception du Stirling Dish, la plus grande partie de la production d'énergie solaire se fait au moyen d'un concentrateur solaire et en combinaison avec une [[turbine à vapeur]].
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[[File:PS10_solar_power_tower.jpg|alt=|thumb|Tour solaire.]]
[[File:PS10_solar_power_tower.jpg|alt=|thumb|Tour solaire.]]
Les réflecteurs linéaires de Fresnel<ref name="industrial-solar01">{{lien web|url=https://www.industrial-solar.de/technologies/fresnel-collector/|titre=Réflecteurs Fresnel|site=industrial-solar.de}}</ref> utilisent de longs segments minces de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un absorbeur fixe situé à un point focal commun des réflecteurs. Cette énergie concentrée est transférée à travers l'absorbeur dans un fluide thermique (il s'agit généralement d'une huile capable de maintenir l'état liquide à des températures très élevées). Le fluide passe ensuite à travers un échangeur de chaleur pour alimenter un générateur de vapeur.
Les réflecteurs linéaires de Fresnel<ref name="industrial-solar01">{{lien web|url=https://www.industrial-solar.de/technologies/fresnel-collector/|titre=Réflecteurs Fresnel|site=industrial-solar.de}}</ref> utilisent de longs segments minces de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un absorbeur fixe situé à un point focal commun des réflecteurs. Cette énergie concentrée est transférée à travers l'absorbeur dans un fluide thermique (il s'agit généralement d'une huile capable de maintenir l'état liquide à des températures très élevées). Le fluide passe ensuite à travers un échangeur de chaleur pour alimenter un générateur de vapeur.
Le rendement est excellent, mais le système est aveuglant puis mortel pour tous les animaux volants qui passent dans les rayons.


=== Four solaire ===
=== Four solaire ===
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{{Portail|énergie renouvelable}}
{{Portail|énergie renouvelable}}


[[Catégorie:Moteur|moteur_solaire]]
[[Catégorie:Moteur|solaire]]
[[Catégorie:Énergie solaire|moteur_solaire]]
[[Catégorie:Énergie solaire|moteur_solaire]]

Dernière version du 30 juillet 2024 à 01:01

Un moteur solaire est un moteur thermique qui transforme la chaleur du soleil en énergie mécanique, celle-ci servant en général à produire de l'électricité. Elle peut aussi être utilisée à d'autres fins.

Les moteurs solaires se divisent en deux catégories :

  • La technologie à air chaud : les capteurs solaires thermiques chauffent l'air atmosphérique (ou un gaz) qui sera utilisé comme fluide de travail dans un moteur à air chaud[1]
  • La technologie à vapeur : les capteurs solaires thermiques chauffent de l'eau et la transforment en vapeur qui sera utilisée comme fluide de travail dans une machine à vapeur, plus généralement une turbine à vapeur.

Les capteurs solaire thermiques, ou plus généralement les concentrateurs solaires, sont compatibles à la fois avec la technologie à air chaud ou celle à vapeur.

Les premiers moteurs solaires qui furent utilisés pour alimenter des machines ont été construits séparément par deux ingénieurs, l'un en France Augustin Mouchot en 1865, l'autre en Amérique John Ericsson en 1868. Leurs inventions ont ensuite été suivies par Frank Shuman, ingénieur américain, qui a construit en 1910 la première centrale solaire moderne. Mouchot et Ericsson utilisaient tous deux alternativement l'air chaud ou la vapeur, Shuman, uniquement la vapeur.

La découverte du moteur solaire s'est faite en deux étapes. La première, également la plus longue, commença au cours de l'Antiquité et se focalisa principalement sur les moyens de concentrer les rayons du soleil. La seconde, celle au cours de laquelle fut découvert le moteur solaire, date de la sortie du Moyen Âge quand la machine à vapeur fut inventée.

Moteur solaire à air chaud

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Dans le moteur solaire à air chaud, le fluide de travail est l'air atmosphérique préalablement comprimé ou non. Les capteurs thermiques lui transmettent directement la chaleur du soleil et, sa pression augmentant sous l'effet de la chaleur, l'air devient la force motrice du moteur.

La pompe solaire de Salomon de Caus et Belidor

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La pompe solaire de Belidor.

En 1615 Salomon de Caus construit la première pompe solaire qu'il appelle « fontaine continuelle » ; Bernard Foret de Belidor publie en 1764 ses recherches décrivant une version améliorée de cette pompe[2]. Elle est composée d'un réservoir sphérique en cuivre ayant deux tuyaux sortant par le dessous. Un premier tuyau vertical, NK, aspire l'eau qui doit être élevée ; il a un clapet anti-retour à son extrémité K. Un autre tuyau EG va vers la citerne H et a également un clapet anti-retour F. Le réservoir sphérique est rempli d'eau au deux tiers (BNC)[3].

La machine recevant le soleil toute la journée, l'air du réservoir contenu dans BAC chauffé par les rayons, monte en pression. Quand celle-ci dépasse celle de la colonne d'eau (NC) l'air se dilate et fait pression sur l'eau qui ouvre le clapet F, pousse l'eau qui se trouve dans le tuyau FG, et coule vers la citerne H. La nuit, alors que le soleil a disparu, la surface du réservoir sphérique refroidit et l'air qui y est contenu condense pour créer un vide, qui, de cette manière aspire l'eau du tuyau NG vers le réservoir[4].

Le réservoir de la pompe était fait de cuivre, un métal bon conducteur qui permettait de transmettre rapidement la chaleur collectée à l'air confiné. Cependant le cuivre était également en contact avec l'eau qui absorbait la majeure partie de la chaleur, et nuisait ainsi aux performances de l'appareil. À cette imperfection s'ajoutait une autre, plus grande : la durée excessive du cycle thermodynamique qui durait un jour et une nuit.

La pompe solaire de Deliancourt

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La pompe solaire de Deliancourt.

En 1860 Deliancourt inventa une autre pompe solaire[5], qui, à la différence de celles qui la précédaient, intégrait un système de refroidissement.

Sa pompe solaire consiste en un récipient rectangulaire ayant une grande surface au soleil et qui actionne une pompe sous l'effet des rayons du soleil sur l'air confiné[6],[7].

Le dispositif est hermétiquement fermé et ne communique avec l'extérieur que par les tubes C et D. Ces tubes sont équipés de vannes qui agissent en sens opposés. L'appareil contient de l'eau jusqu'à la ligne B ; le reste étant de l'air à pression atmosphérique. La surface A est en métal fin et noirci. La surface A étant chauffée par les rayons solaires, l'air se dilate et appuie sur l'eau qui sort par le tube C. La surface A est alors mise à l'abri du soleil par un moyen quelconque, et l'air qui s'est dilaté se condense. L'eau sort par le tube C forme un vide qui est immédiatement rempli d'eau du réservoir K.

La machine Deliancourt utilise du métal noirci, ce qui était un progrès, mais la véritable amélioration est la possibilité de refroidir l'air confiné après qu'il a atteint sa limite d'expansion.

La machine solaire de Ericsson

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Entre 1868 et 1883, l'inventeur suédois John Ericsson fut occupé par la puissance du soleil et ses applications[8] et construisit plusieurs moteurs solaires très avancés. Cet ingénieur, qui a passé la majeure partie de sa vie à construire des moteurs à air chaud et pour lesquels il a déposé de nombreux brevets, a cherché à combiner l'air chaud et le soleil.

Ericsson a été le premier à associer l'énergie solaire à un moteur à air chaud[9]; et avec Mouchot, ils ont été les premiers à associer l'énergie solaire à une machine à vapeur.

Le moteur solaire d'Ericsson - 1883.

Ericsson a initialement utilisé la conception de Mouchot avec un récepteur solaire conique. Plus tard, il introduisit un nouveau récepteur solaire qui concentre la chaleur rayonnante au moyen d'un bac rectangulaire ayant un fond incurvé garni à l'intérieur de plaques polies, de manière qu'elles reflètent les rayons du soleil vers un radiateur cylindrique placé longitudinalement au-dessus du bac. Ce cylindre faisant office de radiateur, contenait le fluide de travail (l'air ou la vapeur), utilisé pour transférer l'énergie solaire au moteur. Le transfert était effectué au moyen de cylindres munis de pistons[7]. Ericsson est de ce fait l'inventeur de la parabole solaire.

Les dimensions de la parabole étaient de 3,58 m pour la longueur et 5,28 m pour la largeur, y compris une ouverture de 0,32 m, placées dans le fond parallèlement aux verres. Le radiateur mesurait 5,58 m de long et 0,168 m de diamètre, avec une surface totale exposée aux rayons réfléchis de 2,94 m2.

Un pivot central permettait à la parabole de changer d'inclinaison et une seule révolution de la machine développait plus de force qu'il n'en faut pour positionner la boîte et ajuster son inclinaison face au soleil pendant le fonctionnement de la journée.

La vitesse de la machine était de 120 tr/min et la pression sur le piston de 3,79 bars et pouvait atteindre une puissance de 1 ch par 10 m2 de parabole.

Ericsson entrevit plusieurs points à améliorer sur son moteur :

  1. L'intensité de la chaleur est affaiblie par son passage à travers les plaques réfléchissantes
  2. Les pertes de chaleur dues au rayonnement de la surface noircie du radiateur
  3. Les pertes de chaleur dans le radiateur, causées par la convection

Moteur solaire à air chaud et à parabole sphérique ou Stirling Dish

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Après Belidor, Deliancourt, Ericsson, et malgré ses avantages techniques, le moteur solaire à air chaud a été totalement laissé de côté et presque oublié.

Ce n'est qu'après la Seconde Guerre mondiale qu'il a suscité un regain d'intérêt, en raison de la redécouverte du moteur Stirling. Ce moteur à air chaud, inventé par Robert Stirling en 1816, a pour principales caractéristiques de fonctionner en cycle fermé et d'être chauffé de l'extérieur. En cela, il est techniquement très bien adapté pour fonctionner avec l'énergie solaire[10].

Bien qu'il ait fallu près de 60 ans avant de disposer d'une technologie éprouvée[11], plusieurs sociétés[10],[12],[13],[14] construisent aujourd'hui des centrales solaires entraînées par des moteurs à air chaud. Leur point commun est d'utiliser la même combinaison technique: un moteur à air chaud avec une parabole solaire sphérique ; et une telle combinaison est souvent appelée en anglais Stirling Dish.

Les moteurs à air chaud peuvent techniquement être combinés avec d'autres dispositifs de capture de rayons solaires comme la parabole solaire. Mais l'avantage de l'air est de pouvoir travailler à très haute température (> 1000 ° C) afin de maximiser l'efficacité thermodynamique du moteur, et seules les paraboles solaires sphériques peuvent concentrer la chaleur des rayons du soleil à des températures aussi élevées.

Maricopa Solar

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Maricopa Solar.

Près de 200 ans après leur invention, 60 moteurs solaires à air chaud produisent de l'électricité à l'extérieur de Phoenix, Arizona, USA[11]. Le projet a été développé par Tessera Solar et Stirling Energy Systems[15].

Chaque appareil[16] produit 25 kilowatts et utilise un miroir parabolique sphérique de près de 12 m qui, combiné à un système de suivi automatique, collecte et concentre l'énergie thermique solaire sur un moteur à air chaud pour la convertir en électricité de qualité réseau. Les 60 moteurs solaires de Maricopa Solar [17]produisent de l'électricité pour les clients de Salt River dans le Grand Phoenix, Arizona, États-Unis.

Maricopa Solar représente une capacité de 1,5 MW et cette technologie peut être assez facilement déployée à des échelles de 1 000 MW pour répondre aux besoins en électricité[18].

Plataforma Solar de Almería

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La Plataforma Solar de Almería (Espagne) se présente comme le plus grand centre de recherche-développement sur les techniques solaires à concentration de l'Europe[19]. Elle comprend entre autres un prototype produisant de l'électricité avec des moteurs à air chaud de type Stirling utilisant l'énergie solaire comme source de chaleur. Une première installation datant de 1992 et initialement composée de trois unités paraboliques de 7,5 m de diamètre, en mesure de recueillir jusqu'à 40 kWth d'énergie au moyen du moteur et qui pouvait générer jusqu'à 9 kW en zone focale. Le projet a été suivi par une unité parabolique de 8,5 m, le moteur pouvant générer 10 kWe[20],[21].

Moteur solaire à vapeur

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Dans le moteur solaire à vapeur, le fluide de travail est l'eau transformée en vapeur. Les capteurs thermiques lui transmettent directement ou indirectement la chaleur du soleil. L'eau transformée en vapeur devient la force motrice du moteur.

Le moteur solaire de Mouchot

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Moteur solaire de Mouchot.

Augustin Mouchot, qui a consacré sa vie à l'étude de la chaleur solaire et à ses applications, réalise un grand nombre d'expérience et d'appareils solaires. Vers 1860 il concentre les rayons du soleil à l'aide de miroirs coniques sur une petite chaudière à vapeur. Dès 1865, deux machines opéraient publiquement à Tours[2].

Ses études ont abouti en 1869 à son invention : un miroir de forme conique. Dans la ligne focale est placé un récipient métallique noirci recouvert d'un mince bocal en verre transparent pour retenir la chaleur des rayons du soleil et pour les concentrer sur un réservoir métallique. Avec ce système, il a cuisiné un bœuf mode en quelques heures, des pommes de terre en une heure, du pain cuit au four en trois quarts d'heure, un rôti de bœuf grillé en 22 minutes en économisant son jus au fond de la marmite[5].

Plus tard il expose à Tours, puis à l'Exposition de Paris en 1878, un réflecteur de 34 m de large, 12 m à la base, ayant un moteur au foyer, qui pompe de l'eau très rapidement et fonctionne avec succès. Il obtient des brevets pour diverses inventions en France, mais aussi en Angleterre[2].

Le moteur solaire à basse pression de Shuman

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L'ingénieur américain Frank Shuman, a fait des expériences similaires près de Philadelphie, puis a installé d'importants appareils en Égypte. En 1910, il a mis au point un appareil sans réflecteur pour concentrer les rayons du soleil[22]. L'absorbeur consistait en un récipient noirci, recouvert de deux lames de verre laissant un espace d'un pouce (2,54 cm) entre elles. Le récipient était orienté de telle sorte qu'à midi, les rayons du soleil soient perpendiculaires au verre; il n'y avait aucun appareil pour suivre la course du soleil ; l'appareil était ajusté que toutes les trois semaines[23].

Sun Power Cie - Centrale solaire.

La quantité maximale de vapeur à la pression atmosphérique produite par heure dans ces conditions était de 7,5 livres pour une section transversale de 100 pieds carrés de soleil, ou 366 grammes par mètre carré par heure. Selon les tests, un moteur basse pression Shuman pourrait fournir 1 CV pour 28 m2 de surface en verre irradié[24],[25].

En 1911, avec un appareil analogue, mais équipé en plus de deux miroirs qui concentraient les rayons solaires sur le récipient, la quantité maximale de vapeur produite était de 440 grammes par m2 et par heure ; 1 CV pour 23 m2 de surface.

L'année suivante, la Sun Power Cie installée à Meadi, près du Caire, construit un appareil comportant plusieurs modifications apportées sur les indications d'un conseil scientifique et notamment de C. V. Boys[26].Les chaudières ont été placées le long de l'axe des miroirs cylindriques à section parabolique. Les axes des miroirs étaient orientés nord-sud, et les miroirs étaient inclinés, automatiquement pendant la journée afin de suivre les mouvements du soleil. L'installation se composait de 5 éléments d'une longueur de 205 pieds chacun et la superficie totale était de 13 269 pieds carrés, ou 1 234 m2. Les meilleurs résultats obtenus avec cette installation sont: 586 grammes de vapeur par m2 par heure soit 1 CV pour 17 m de surface[7].

Bien que Shuman n'ait pas réussi à atteindre les performances du moteur solaire Ericsson (1 CV par 10 m2), il a démontré que les moteurs solaires sont viables à grande échelle. De nos jours, à l'exception du Stirling Dish, la plus grande partie de la production d'énergie solaire se fait au moyen d'un concentrateur solaire et en combinaison avec une turbine à vapeur.

Parabole solaire

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Parabole solaire.

Une parabole solaire[21],[27],[28] est un type de capteur solaire thermique qui est droit dans une dimension et incurvé comme une parabole dans les deux autres, doublé d'un miroir en métal poli[29]. La lumière du soleil qui pénètre dans le miroir parallèlement à son plan de symétrie est focalisée le long de la ligne focale, où sont positionnés les objets destinés à être chauffés. Dans un cuiseur solaire, par exemple, la nourriture est placée au niveau de la ligne focale d'un bac, qui est cuit lorsque le bac est dirigé de sorte que le Soleil se trouve dans son plan de symétrie.

Dans d'autres cas, un tube contenant un fluide parcourt la longueur de la parabole à sa ligne focale. La lumière du soleil est concentrée sur le tube et le fluide chauffé à une température élevée par l'énergie de la lumière du soleil. Le fluide chaud peut être acheminé vers un moteur thermique, qui utilise l'énergie thermique pour faire fonctionner des machines ou pour produire de l'électricité. Ce capteur d'énergie solaire est le type parabolique le plus courant et le plus connu[30].

Réflecteur Fresnel linéaire

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Un réflecteur Fresnel linéaire[27], également appelé réflecteur Fresnel linéaire à concentration, est un type spécifique de technologie de réflecteur Fresnel linéaire. Ils sont nommés pour leur similitude avec une lentille de Fresnel, dans laquelle de nombreux petits fragments de lentilles minces sont combinés pour simuler une lentille simple beaucoup plus épaisse. Ces miroirs sont capables de concentrer l'énergie du soleil à environ 30 fois son intensité normale.

Tour solaire.

Les réflecteurs linéaires de Fresnel[31] utilisent de longs segments minces de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un absorbeur fixe situé à un point focal commun des réflecteurs. Cette énergie concentrée est transférée à travers l'absorbeur dans un fluide thermique (il s'agit généralement d'une huile capable de maintenir l'état liquide à des températures très élevées). Le fluide passe ensuite à travers un échangeur de chaleur pour alimenter un générateur de vapeur.

Four solaire

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Le four solaire, également connu sous le nom de centrales électriques à «tour solaire» ou «héliostat» ou centrales électriques[32], est un type de four solaire utilisant une tour pour recevoir la lumière solaire focalisée. Il utilise un ensemble de miroirs plats et mobiles (appelés héliostats) pour concentrer les rayons du soleil sur une tour collectrice (la cible)[33].

Références

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  1. ↑ « Les moteurs à air chauds », sur hotairengines.org
  2. ↑ a b et c Charles Henry POPE, Solar heat and its applications, ColonialPress, , 27-35 p. (lire en ligne)
  3. ↑ CAZIN, Revue Scientifique p. 186 (lire en ligne)
  4. ↑ Augustin MOUCHOT, La chaleur solaire et ses applications industrielles (French), Gauthier-Villars, (lire en ligne)
  5. ↑ a et b Augustin MOUCHOT, La chaleur solaire et ses applications industrielles, Gauthier-Villars, (lire en ligne)
  6. ↑ Louis ROYAUMONT, La conquête du soleil et ses applications,
  7. ↑ a b et c Frank T. KRYZA, The Power of Light, McGraw-Hill, (lire en ligne)
  8. ↑ « The Dynamic Measurement and Utilization of Solar Heat », sur scientificamerican.com
  9. ↑ « Le moteur solaire à air chaud de Ericsson », sur hotairengines.org
  10. ↑ a et b « Swedish Stirling »
  11. ↑ a et b « Are Engines the Future of Solar Power? », sur scientificamerican.com
  12. ↑ « Qnergy »
  13. ↑ « Stirling Energy »
  14. ↑ « EnviroDish project », sur promes.cnrs.fr
  15. ↑ « Stirling Energy Systems »
  16. ↑ « Maricopa Solar Power Dish Plant »
  17. ↑ « Maricopa Solar Power Plant »
  18. ↑ « Tessera Solar & Stirling Energy Systems Solar Power Plant »
  19. ↑ « Plataforma Solar de Almeria », sur www.psa.es
  20. ↑ « EuroDish Project », sur www.psa.es
  21. ↑ a et b « Parabole solaire - p 151 project », sur promes.cnrs.fr
  22. ↑ « Frank Shuman’s Solar Arabian Dream »
  23. ↑ « Power from Sunshine »
  24. ↑ « Solar Energy’s Untold History and the Factors Driving its Growth Today »
  25. ↑ Ken Butti, Golden Thread Twenty Five Hundred Years of Solar Architecture and Technology, Cheshire Books, (ISBN 0917352076)
  26. ↑ « Solar Thermal Power and Energy Storage - Historical Perspective »
  27. ↑ a et b « Parabole solaire », sur sciencedirect.com
  28. ↑ « Parabole solaire », sur nrel.gov
  29. ↑ « CNRS - Concentrateurs Solaires project », sur promes.cnrs.fr
  30. ↑ « Parabole solaire », sur industrial-solar.de
  31. ↑ « Réflecteurs Fresnel », sur industrial-solar.de
  32. ↑ « CNRS - Thémis », sur promes.cnrs.fr
  33. ↑ « Concentrateur solaire », sur lenergie-solaire.net

Articles connexes

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