Soutenance de thèse de Gabriel GUILLET

Le Présage est le premier concept de restaurant en Europe dont le système de cuisson est alimenté à l'énergie solaire thermique. Après avoir confirmé la faisabilité du concept avec sa « guinguette solaire », l'entreprise souhaite maintenant optimiser le système de cuisson puis l'intégrer dans un bâtiment innovant à haute qualité environnementale. Le système de cuisson est constitué de trois éléments : un réflecteur de Scheffler qui collecte la lumière du soleil et la concentre ; un réflecteur secondaire qui réfléchit le flux concentré vers le haut ; et une plaque en fonte qui fait office d’absorbeur solaire sur sa face inférieure et de plaque de cuisson sur sa face supérieure. Le réflecteur de Scheffler est une parabole qui a la particularité d’être flexible, ce qui lui permet de concentrer le rayonnement solaire en un point fixe tout au long de l’année, sans nécessiter de rotation du réflecteur autour de ce point. Dès lors, le point focal peut être positionné à l’intérieur d’un bâtiment dans lequel une cuisine peut être aménagée. L'objectif de ce projet de recherche doctorale est de comprendre et d’évaluer les performances de ce concept prometteur de cuiseur solaire à concentration. Dans le premier chapitre de cette thèse, les performances globales du cuiseur solaire sont évaluées afin d'obtenir une première estimation qui pourra servir de référence pour les comparaisons avec les améliorations futures. Premièrement, les différentes manières de modéliser et d'évaluer les performances des cuiseurs solaires sont explorées. La constante de temps caractéristique massique, le rapport opto-thermique et la puissance standard corrigée sont sélectionnés parmi d'autres indicateurs de performance et exprimés à l'aide d'un bilan énergétique basé sur un modèle constitué de blocs fonctionnels. Ensuite, le banc d'essai développé, similaire au cuiseur utilisé par le restaurant Le Présage, est décrit. Des expériences ont été réalisées selon un protocole similaire à celui de l'ASABE et des analyses de régression sur la température, le rendement et la puissance normalisée sont détaillées. Le rapport opto-thermique du cuiseur varie de 0,06 m².K/W à 0,22 m².K/W, tandis que la puissance standard corrigée atteint jusqu’à 416 W. Dans le deuxième chapitre, le réflecteur Scheffler est étudié de manière plus approfondie. Les objectifs sont d'évaluer ses performances énergétiques et d'obtenir des informations sur la forme du flux de chaleur qu’il délivre. Les études théoriques et numériques dans la littérature ont donné des résultats très variables et les données expérimentales manquent actuellement. Un deuxième banc d'essai et un autre protocole expérimental ont donc été mis au point. En utilisant la thermographie infrarouge et des techniques inverses, des cartes détaillées des densités de flux de chaleur sur un absorbeur vertical sont obtenues à partir de mesures réalisées sur des journées différentes entre mars et juillet. L'efficacité énergétique moyenne est estimée à 68%. Les distributions de flux thermique fournies sont ensuite ajustées avec succès à un modèle gaussien bidimensionnel. Les paramètres du modèle sont utilisés pour calculer, entre autres, les diamètres majeurs et mineurs moyens de l'ellipse contenant 99,7% du flux de chaleur, soit 47 cm et 37 cm respectivement. Le rapport de concentration de surface et le rapport de concentration de flux thermique sont évalués respectivement à 36 et 24. La question de la répétabilité des mesures et des variations saisonnières/quotidiennes est également abordée. Dans l’ensemble, ce travail fourni un jeu de données détaillé sur les performances du cuiseur solaire étudié en utilisant deux méthodologies innovantes. Ces résultats fournissent des informations fondamentales pour l’identification des améliorations à apporter au système, pour la modélisation du réflecteur et pour l’optimisation de systèmes optiques secondaires et de l’absorbeur.

Le Présage is the first restaurant concept in Europe whose cooking system is powered by solar thermal energy. Having confirmed the feasibility of the concept with its “guinguette solaire”, the company now wants to optimise the cooking system and integrate it into an innovative building with high environmental quality. The cooking system comprises three elements: a Scheffler reflector that collects and concentrates sunlight; a secondary reflector that reflects the concentrated flux upwards; and a cast-iron plate that acts as a solar absorber on the underside and as a cooking plate on the top. The Scheffler reflector is a parabolic dish that is flexible, enabling it to concentrate solar radiation at a fixed point throughout the year, without requiring the reflector to rotate around this point. As a result, the focal point can be positioned inside a building in which a kitchen can be installed. The aim of this doctoral research project is to understand and evaluate the performance of this promising concentrating solar cooker concept. In the first chapter of this thesis, the overall performance of the solar cooker is evaluated in order to obtain an initial estimate that can serve as a benchmark for comparison with future improvements. First, the different ways of modelling and evaluating solar cooker performance are explored. The specific characteristic time constant, the opto-thermal ratio and the corrected standard power are selected from other performance indicators and expressed using an energy balance based on a lumped-element model. Next, the test bench developed, similar to the cooker used by the Le Présage restaurant, is described. Experiments were carried out using a protocol similar to that used by ASABE, and regression analyses of temperature, efficiency and normalised power are detailed. The opto-thermal ratio of the cooker varies from 0.06 m².K/W to 0.22 m².K/W, while the corrected standard power reaches up to 416 W. In the second chapter, the Scheffler reflector is studied in more detail. The objectives are to evaluate its energy performance and to obtain information about the shape of the heat flux it delivers. Theoretical and numerical studies in the literature have produced highly variable results, and experimental data is currently lacking. A second test bench and another experimental protocol were therefore developed. Using infrared thermography and inverse techniques, detailed maps of heat flux densities on a vertical absorber were obtained from measurements carried out on different days between March and July. The average energy efficiency is estimated at 68%. The heat flux distributions provided are then successfully fitted to a two-dimensional Gaussian model. The model parameters are used to calculate, among other things, the mean major and minor diameters of the ellipse containing 99.7% of the heat flux, i.e. 47 cm and 37 cm respectively. The surface concentration ratio and the heat flux concentration ratio are evaluated at 36 and 24 respectively. The issue of repeatability of measurements and seasonal/daily variations is also addressed. Overall, this work provides a detailed data set on the performance of the solar cooker studied using two innovative methodologies. These results provide fundamental information for identifying improvements to the system, for modelling the reflector and for optimising secondary optical systems and the absorber.