Le réflecteur Scheffler
L'idée:
L'idée de base, qui a conduit au développement du réflecteur Sheffler, était de rendre la cuisine solaire aussi confortable que possible. Parallèlement, le système devait pouvoir être construit dans tous les ateliers ruraux des pays du Sud, après une certaine période d'essai. Les matériaux devant être achetés au niveau local.
La technique:
Afin de rendre la cuisine plus facile et confortable, le lieu de cuisson doit rester immobile et au mieux dans la maison. Le concentrateur des rayons solaires se trouve devant la maison. La meilleure solution pour ce faire, est une parabole flexible et excentrée, qui tourne autour d'un axe parallèle à celui de rotation de la Terre, suivant la course du soleil. Et suivant les saisons, l'inclinaison de la parabole peut être modifiée facilement.
Comment est-ce que cela fonctionne?
Le miroir est constitué de petites sections latérales intégrées dans une plus grande parabole. Cette partie inclinée est à l'origine de la forme elliptique typique du réflecteur Scheffler. Les rayons solaires atteignant ces parties de parabole, sont concentrés au point focal situé à l'extérieur de la parabole (schéma 1).
L'axe autour duquel tourne la parabole durant la journée, est orienté du nord au sud parallèlement à l'axe de rotation de la Terre et passe par le centre de gravité du réflecteur.
Ainsi, le réflecteur est toujours en équilibre. Le système mécanique (par pendule) nécessitant peu d'énergie, permet à la parabole de bouger en synchronisation avec le soleil.
Le point focal est situé sur l'axe de rotation (schéma 2) , ce qui l'empêche de bouger lorsque le réflecteur tourne. L'écart entre le point focal et le centre du réflecteur dépend du choix de la forme de la parabole. Durant la journée, la lumière concentrée tourne autour de son propre centre sans pouvoir aller dans une autre direction. Le point focal reste donc identique, ce qui est évidemment très pratique, car la zone de cuisson reste immobile.
L'inclinaison des rayons solaires varie entre les saisons de + / – 23,5° par rapport à l'axe perpendiculaire à l'axe de rotation de la Terre. La parabole doit effectuer le même changement d'inclinaison afin de rester orienté face au soleil, sinon, il n'est plus possible d'obtenir un point focal précis et identique. Or, le milieu du réflecteur et le point focal ne peuvent absolument pas bouger. Ceci est seulement réalisable en confectionnant une parabole par saison, voir par jour, adaptée à l'angle d'inclinaison du soleil, ce qui induit un changement de forme du réflecteur.
Le changement de l'inclinaison et la déformation du réflecteur sont mécaniquement combinés (schéma 3): les deux points de rotation A, de chaque coté du réflecteur, et le point de rotation B au centre du réflecteur ne forment pas une ligne, le point B se situant en dessous. La manière d'incliner le réflecteur conduit à un changement dans sa profondeur, le centre du réflecteur est rehaussé (grande angle de traverse) ou abaissé (petit angle de traverse) relativement à la forme du réflecteur. Ceci suffit pour ajuster les parties hautes et basses du réflecteur (C et D) afin d'obtenir une forme de réflecteur suffisamment précise. La stabilité est réalisée par des barres télescopiques de chaque coté du réflecteur.
L'ajustement de la forme du réflecteur doit être réalisée manuellement tous les 2 ou 3 jours, jusqu'à ce que la totalité des rayons concentrés passent par l'ouverture dans la zone de cuisson. La lumière est ensuite réfléchie sur le fond noir du plat de cuisson partiellement par un petit réflecteur (deuxième réflecteur). Le fond absorbe la lumière, puis conduit la chaleur. Le rendement de cuisson, i.e lorsque l'eau voit sa température augmenter de 25°C à 100°C, peut être de 57%. Il dépend de l'état de propreté de la surface réfléchissante et de l'isolation du plat de cuisson. Au point focal, nous avons pu mesurer une efficacité optique de 75% (avec des miroirs ordinaires de 2mm).
Suivant la saison, un réflecteur elliptique de 2,8m x 3.8m (taille standard d'un réflecteur Scheffler de 8m²) collecte la lumière arrivant sur une surface de 4,3m² à 6,4m² mesurée perpendiculairement au soleil (aperture). De ce fait, la puissance de cuisson varie avec les saisons. En moyenne, avec un réflecteur de 8m², 22 litres d'eau froide peuvent être portés à ébullition en une heure (avec un ensoleillement de 700W/m²).
Il existe de nombreuses possibilités pour concevoir le foyer d'un cuiseur solaire. Généralement, il est intégré dans la cuisine et fournit la possibilité d'utiliser le feu de bois lorsque le soleil ne brille pas. L'utilisation d'un deuxième réflecteur dépend du type de nourriture. Sa non utilisation augmente le rendement et facilite la maintenance. A la place d'une zone de cuisson, il peut être installé au point focal un four, un générateur de vapeur ou un accumulateur de chaleur.
Diffusion:
Le premier réflecteur Scheffler performant (taille: 1,1m x 1,5m) a été construit par Wolfgang Scheffler en 1986 pour une mission dans le nord du Kenya et est toujours utilisé.
Depuis, la technologie n'a pas cessé d'évoluer en s'améliorant et en étant utilisée par de nombreuses personnes motivées. Ainsi, le nombre de réflecteur installé augmente année après année. Les principaux réflecteurs mesurant 8m² sont construits pour des cantines. Actuellement (2004) 750 réflecteurs sont installés dans 21 pays : 200 dans des cantines, dont 12 grosses cuisines fonctionnant à la vapeur comprenant chacune 10 à 106 réflecteurs. La plus grosse cuisine solaire du monde se trouve à Abu Road au Rajasthan (Inde) et fonctionne dans un centre spirituel pouvant accueillir 18 000 visiteurs.
Fabrication locale:
Une attention particulière a été porté à l'utilisation de matériaux simples et des techniques de construction connues en milieu rural tout au long des 18 ans de développement du réflecteur Scheffler. Pour cette raison, Wolfgang Scheffler a développé des techniques de construction locales à l'occasion de travaux réalisés en Inde et au Kenya. En collaboration avec des ouvriers locaux, il a construit de nombreuses cuisines solaires et les a installé dans les écoles intéressées.
La partie principale de la construction d'un réflecteur (outre la surface de miroirs) est composée d'acier. Des profils couramment usités dans la construction de meubles, d'installation d'eau et dans l'habitat sont utilisés. Ce matériel est relativement peu difficile à trouver dans tous les pays.
Pour la surface réflective, différents matériaux peuvent être utilisés. Les miroirs glace – utilisés en miroir de salle de bain – sont les plus communs.
La réunion de matériaux peu coûteux, d'outils connus, et de techniques de fabrication simples pour la création d'un produit de haute qualité, motive les personnes pour réaliser un objet par eux même et qui leur sera utile dans une perspective durable.
Un bon exemple est la construction de la plus grande cuisine solaire du monde à Abu Road au Rajasthan, réalisée par les Brahma Kumaris. Le faible coût (100 000 €) de l'ensemble de l'installation (800m² de surface réflective + système de production de vapeur + back up évaporateur) tient dans l'implication personnelle de chacun. La cuisine peut être utilisée par 18 000 personnes, ce qui revient à 125€ par m² ou à 5,5 € par personne. De cette manière, 400 litres de diesel peuvent être économisé chaque jour.
Pour le moment, les Brahma Kumaris fonctionnent avec 4 cuisines solaires de ce type (les autres sont plus petites). D'autres réflecteurs sont en cours de construction.
Le soleil est exploitable partout et doit être considéré localement comme valeur ajoutée. Ainsi, il permet d'augmenter la qualité de vie locale. L'accès à l'énergie est la base du développement et de l'économie.
Economie solaire:
Un exemple au Burkina Faso du début d'une économie solaire est le chauffage de noix de carité avec des fours solaires, qui est une étape nécessaire à la fabrication de beurre de noix de carité.
Habituellement les noix sont chauffées sur une plaque de fer, limitant la quantité, au dessus d'un feu de bois, rendant le chauffage des coques irrégulier et partiel.
A l' íntérieur du four solaire, les noix sont cuites uniformément, sans être brûlées. L'utilisation d'un four solaire permet de ne pas brûler de bois et d'augmenter la quantité de noix durant la cuisson. Par cette économie de bois et cette augmentation de production, le four solaire trouve son financement.
Développement:
Les réflecteur Scheffler de 2m² sont désormais conçus pour une utilisation en Europe (particulièrement pour le sud de l'Europe). Nous avons développé une structure en aluminium, une surface réflective faite de simples miroirs et un suivi du soleil automatisé et alimenté par des cellules photovoltaïques.
En collaboration avec un ingénieur indien, Ronny Sabawalla, un réflecteur Scheffler de 50m² a été développé et construit. Il est actuellement testé afin d'être utilisé pour un crematorium.
De plus, les réflecteurs Scheffler existent en différentes tailles : 2,7m², 10m² et 12m² (le dernier a une grande distance focal afin de réduire les problèmes d'ombres provenant de bâtiments existant).
Lorsque la cuisine est séparée du réflecteur, la production de vapeur est envisageable pour une plus grande demande d'énergie. La vapeur est transportée jusqu'à la cuisine par des tuyaux. La plus grande installation de ce genre se trouve en Inde dans un centre de yoga, et peut subvenir au besoin de 18 000 personnes. Dans cette installation, la vapeur est utilisée comme accumulateur de chaleur permettant 2 heures de fonctionnement à pleine puissance sans soleil.
Les systèmes plus petit utilisent des blocs de fer avec une bonne isolation thermique pour le stockage d'énergie. Ils peuvent être chauffés à 400°C au niveau du point focal. Un bloc de 300 kg de fer convient à un réflecteur de 8m², un bloc de 50 kg de fer convient à un réflecteur de 2m². L'énergie peut être stockée ou restituée pendant la nuit, voir plusieurs jours pour un bloc de 300 kg.
Expériences:
Le cuiseur solaire est d'autant plus utilisé que celui-ci est pratique, couvre les besoins énergétiques et ne change pas fondamentalement les habitudes culinaires.
En intégrant dans l'habitat un réflecteur Scheffler, le confort produit est similaire à l'utilisation d'une gazinière ( hauteur de cuisson adaptée, pas de fumée, économie de temps ou d'argent pour l'acquisition du combustible).
Le point faible résidait dans le suivi quotidien du soleil par un système mécanique d'horloge. L'avantage de ce système tient de sa simplicité et des matériaux peu coûteux et trouvables partout dans le monde. Mais lorsque le système est défaillant, le cuisinier est souvent incapable de le réparer lui-même et ne veut pas non plus déplacer le réflecteur manuellement. Par conséquent, il reviendra à la technique antérieure de cuisson, celle du feu de bois. Une solution serait un service de maintenance, qui est malheureusement encore inexistant du fait des grandes distances et d'autres raisons.
L'autre solution, plus sûre et demandant une faible maintenance, est le système de suivi alimenté par des cellules photovoltaïques, comme celui utilisé en Europe pour les réflecteurs de 2m². Mais, à part en Inde, les composants d'un tel système ne sont pas trouvables dans les pays souhaitant développer les cuiseurs solaires.
Opération à long terme:
Environ 200 « petites » cuisines solaires ont été installé depuis 1987, dont un tiers étaient des réflecteurs Scheffler de 8m² utilisés dans des internats en milieu rural. L'implication des autorités locales et des personnes utilisant le système, ainsi que les conditions locales font varier l'efficacité des cuisines.
Dans certains endroits, elles sont utilisées avec enthousiasme chaque jour de soleil, et même le matin avant que le soleil ne se lève (lorsqu'un système d'accumulation est intégré). Ailleurs, il arrive que les cuisines ne soient utilisées que très rarement voir jamais.
Les meilleurs résultats ont été relevé en Inde pour des cuisines utilisant de 1 à 3 réflecteurs, dont la moitié sont contrôlés régulièrement.
Une photo montre de grosses installations de cuisine fonctionnant à la vapeur . Ces systèmes sont toujours utilisés ( sauf durant les mois de mousson) et leur maintenance est assurée. Tous les problèmes techniques rencontrés sont résolus, parfois après consultation, par les utilisateurs eux-mêmes.
L'énergie est utilisée à son maximum et les propriétaires sont fiers de leur installations.
Quelques données sur le réflecteur Scheffler de 8m² et de 10m²:
| Température maximum atteinte au point focal |
1020°C |
| Rendement optique maximum (surface réflective miroir en verre blanc/miroir ordinaire) |
84% 75% |
| Puissance de cuisson sous un ensoleillement de 700W/m² avec des miroirs simples (8m²) |
2,2kW (1,7kW en été et 2,5kW en hiver) |
| Nombre maximum casserole par réflecteur |
3 |
| Nombre de réflecteur dans la plus grande cuisine |
106 |
| Nombre maximum de personnes nourries par une cuisine |
18000 |
| Coût des matériaux pour un réflecteur (en Inde) |
ca. 550,-Euro |
| Nombre total de réflecteur installés depuis 2004 |
Plus de 750 |
| Matériaux utilisés |
Profile en acier, miroir simple |
Adresses Internet au sujet du réflecteur Scheffler :
- La cuisine communautaire du centre spirituel en Inde:
www.charity-india.de - Boulangerie en Namibie:
www.ombili.home.pages
Boulangerie en Burkina Faso et Argentina:
www.hc-solar.de - 400kg de fer d'accumulation en Inde:
www.geocities.com/bvirw/Photos/solar-storage.html - généralités: www.ecozen.com
www.teriin.org/renew/tech/solth/about.htm
http://solarcooking.org/