Introduction[]
Fig 1. Cuiseur solaire photovoltaïque construit et utilisé à Brest en France
En guise d’introduction, faisons un parcours à grandes enjambées des énergies de cuisson.
Depuis la conquête du feu, c’est le bois qui est la principale source d’énergie.
Par commodité, il a peu à peu été remplacé par le charbon de terre, le charbon de bois, le gaz ou le kérosène, dont la chaleur massique est beaucoup plus importante.
Mais ensuite, c’est aussi par nécessité que le charbon, le gaz ou le kérosène, c’est-à-dire les énergies fossiles, ont remplacé le bois, car celui-ci parfois ne se renouvelle pas au rythme des prélèvements: une première dans l’histoire de l’humanité !
Et maintenant les énergies fossiles risquent de ne plus subvenir correctement aux besoins. Elles sont pour le moment en quantités suffisantes, mais par-delà quelques soubresauts spéculatifs, la courbe de leurs prix ne peut que s’élever, au point que les énergies fossiles deviennent difficilement accessibles à la fraction la plus pauvre de l’humanité. L’électricité en réseau, qui est principalement une énergie dérivée des énergies fossiles, suit le même chemin.
Une autre solution consiste à utiliser la mère de toutes les énergies, c’est-à-dire le soleil.
Depuis plusieurs dizaines d’années, des trésors d’ingénierie et d’imagination ont été consacrés à la cuisson solaire par voie thermique, voir par exemple le Luther Krueger's Big Blue Sun Museum of Solar Cooking à Minneapolis aux USA.
Pendant ce temps-là, afin d’alimenter en énergie électrique les satellites de la conquête de l’espace, la technologie photovoltaïque naissante progressait à grands pas. Les coûts initiaux exorbitants ont suivi une courbe régulièrement descendante, qui désormais croise la courbe ascendante des autres énergies.
Et si l’on utilisait l’énergie photovoltaïque pour la cuisson? Des articles sont parus sur le sujet vers 2013. Depuis cette date, le prix des capteurs photovoltaïques poursuit sa course descendante. Les cartes sont rebattues, la cuisson solaire photovoltaïque (fig. 1) est désormais économiquement viable.
Les résultats obtenus[]
Ici, nous présenterons les performances thermiques du cuiseur.
Quelques exemples de cuisson[]
Elles ont été réalisées avec un panneau de 1,66 m², puissance crête 280 W.
- 3 cuisses de poulet 680g, oignons 145g, fenouil 175g, courgettes 270g, poivron rouge 225g, poivron vert 215 g, concassé de tomates 200g. Cuisson en autocuiseur Lagostina 3,5 litres; montée en température jusqu’à 110 °C: 1 heure, puis cuisson 15 mn (fig. 2)
- Oignons 250g, tomates 800 g, temps total de cuisson: 1h 30 mn (fig. 3)
- Riz: 300g de riz, 500g d’eau, temps de cuisson total: 55 mn (fig. 4)
- Poulet basquaise: 4 cuisses de poulets avec pilon et oignons, à rissoler. Puis introduction de tomates 200g, poivrons 200g. Montée en température jusqu’à 100°: 35 mn; puis cuisson de 100 à 115°: 20 mn. Cuisson en autocuiseur Lagostina 3,5 litres. Ensoleillement continu 930 W/m², puissance constante du cuiseur: 220W (fig. 5)
- Dahl de lentilles corail: oignons rissolés 210 g, tomates 400g, lentilles 300g, lait de coco 400 ml, 1/4 de litre de bouillon; montée en température jusqu’à 100°: 3/4 d’heure, ensoleillement 900 à 960 W, puissance quasi constante du cuiseur à 220 W. Ensuite, cuisson en marmite Norvégienne pendant 1/2 heure sans alimentation électrique; pendant cette 1/2 heure, la température a baissé de 100 à 90° C.
Une méthode de mesure des performances du cuiseur: le litre d’eau porté à ébullition[]
On mesure le temps nécessaire pour porter 1 litre d’eau à ébullition; c’est déjà une très bonne indication des performances du capteur.
Mais on peut souhaiter plus de précision pour effectuer des calculs thermiques rudimentaires, auquel cas la notion "d’ébullition" n’est pas assez précise: petite ébullition? Grande ébullition? Quid de la pression atmosphérique, ou de l’altitude du lieu de mesures?
La solution consiste à mesurer la température de départ, puis à mesurer le temps nécessaire pour atteindre la température de 97° C.
Par exemple: température de départ 25 ° C, température de fin 97° C, en 40 minutes, pour 1000g d’eau:
- La chaleur massique de l’eau est de 4,18 Joules.
- Quantité d’énergie: (97-25) x 4,18×1000= 300 960 J
- Durée de l’opération: 40×60 = 2 400 secondes
- Puissance utile du cuiseur: 300 960 / 2 400 ≈ 125 W
Quelques mesuresdu litre d’eau porté à ébullition:
Panneau 1,66 m², 280 W crête:
- sous 870 W : 38 mn
- sous 760 à 800 W : 50 mn
- sous 790 à 870 W : 38 mn
- sous 920 W : 40 mn
Cuiseur solaire photovoltaïque sans batteries avec des résistances céramiques. Conception générale et réalisation[]
Mais, de la coupe aux lèvres le chemin n’est pas dégagé: deux obstacles sont à franchir, c’est ce que nous exposerons ci-après; puis nous présenterons la solution proposée; ensuite il sera question de la mise en œuvre de cette solution. La partie suivante traite de la régulation du cuiseur.
Deux obstacles et une solution?[]
Le premier obstacle provient des lois inflexibles de l’électricité[]
Pour transformer l’électricité en chaleur, l’usage est de faire appel à des résistances dites "nickel-chrome", que l’on retrouve partout: radiateurs électriques, grille pain, sèche cheveux… Elles sont calculées par le fabricant pour supporter une certaine puissance, et même un peu plus; mais au-delà d’un certain seuil, elles claquent, c’est même l’origine du terme "burn out". Les résistances nickel-chrome exigent donc, pour fonctionner normalement, un courant régulé en tension.
Le panneau photovoltaïque fournit un courant électrique qui varie en permanence en tension et en intensité. Or les lois de l’électricité nous apprennent que si on double la tension, la puissance (c’est-à-dire la quantité de chaleur) est quatre fois plus grande; idem pour l’intensité. Le risque de «burn out» est donc permanent. Inversement, si la tension et/ou l’intensité diminuent, alors la production de chaleur s’effondre, là aussi bien plus que proportionnellement.
Le second obstacle provient du panneau photovoltaïque[]
La production d’électricité du panneau dépend d’une part de l’ensoleillement qu’il reçoit, ce qui se conçoit aisément; mais elle dépend aussi - et c’est beaucoup moins intuitif - de la charge qu’on lui applique. Il convient de traquer en permanence ce point de puissance maximum, par exemple à l’aide d’un régulateur MPPT Maximum Power Point Tracking, qui est un composant d’électronique de puissance qui joue un double rôle: optimiser la production du panneau et aussi contrôler la charge de la batterie
Une solution: la batterie?[]
Techniquement, le fait d’intercaler une batterie avec son régulateur permet de résoudre tous les problèmes évoqués ci-dessus: le panneau est utilisé à son optimum, la batterie est chargée selon les règles de l’art, et les résistances du cuiseur disposent d’un courant électrique correctement régulé. De plus, la batterie étant un stockage d’énergie, il est possible de cuisiner en dehors des heures d’ensoleillement.
Mais ce n’est pas sans créer d’autres problèmes:
- La batterie est chère; même si son prix a fortement diminué, elle reste le composant le plus cher d’une installation de cuisson photovoltaïque.
- Sa durée de vie est limitée, aux environs de quatre ans, et beaucoup moins dans une ambiance à température élevée.
- Son utilisation reste délicate malgré l’automatisation des tâches principales: contrôle de la charge, contrôle de la décharge, profondeur de décharge.
- Enfin, une batterie est particulièrement polluante.
Le challenge est donc désormais de concevoir un dispositif de cuisson solaire sans batterie.
Nous proposons ci-dessous, comme élément de solution, l’utilisation de résistances céramiques.
Les résistances céramiques[]
Fig 6. Variation de la résistance en fonction de la température
Fig 7. Résistance céramique
Comme toutes les résistances, le matériau céramique produit de la chaleur lorsqu’il est traversé par un courant électrique. Mais au fur et à mesure qu’il s’échauffe, sa résistance électrique diminue, et à 200°C elle est divisée par trois par rapport à la température ambiante, sa puissance de chauffe est donc multipliée par trois. Puis au-delà de 200°, la résistance augmente brusquement jusqu’à devenir très élevée, le courant électrique ne peut donc plus circuler, et la production de chaleur stagne (fig. 6).
Quoique peu connues du grand public, les résistances céramiques sont très présentes dans la vie courante.
Les petits chauffages céramiques, disponibles dans tous les rayons électro ménagers, vendus comme chauffages d’appoint, en sont les bons exemples. Petits et légers, ils sont obligatoirement équipés d’un ventilateur qui chasse en permanence les calories produites par la céramique, sans quoi la production de chaleur stagnerait.
Dans les véhicules automobiles elles servent à réchauffer le gazole en hiver, sans risquer de surchauffe.
Les électroniciens connaissent les résistances céramiques, vendues sous la dénomination de… disjoncteurs réarmables: en cas d’excès de courant dans le circuit, la céramique s’échauffe et au-delà de 200° la résistance bloque la circulation électrique; puis quand la température est redescendue, le courant circule à nouveau.
On retrouve des résistances céramiques dans les pistolets à colle pour bricolage: la température de stagnation correspond à la chaleur de fusion de la colle, il n’y a donc pas besoin de thermostat (on n’entend pas de déclenchement d’un thermostat comme pour un fer à repasser).
Les caractéristiques des résistances céramiques sont très intéressantes pour notre cuiseur:
- les résistances ne risquent pas de «burn out».
- la température de 200° suffit largement pour toutes les cuissons à l’eau, braisages, cuissons à la vapeur, etc, à l’exception des cuissons à l’huile et des grillades.
- la température de 200° est inférieure à la température d’ignition du coton; il est donc possible d’isoler l’ensemble du cuiseur avec par exemple des serviettes de coton. Et les rendements sont multiplicatifs! (les pertes aussi...)
Les résistances (fig. 7) utilisées pour notre cuiseur sont disponibles essentiellement en Chine, sous le nom de "ceramic heaters", ou "PTC heaters". Elles sont constituées d’une galette de céramique disposée entre deux plaques très fines d’aluminium sur lesquelles sont soudés les fils électriques (le + et le -), emballées dans un film de silicone (?) pour l’isolation électrique. Le tout est inséré dans un tube aluminium rectangulaire.
On en trouve de différentes dimensions; la seule indication dont dispose l’acheteur, c’est la préconisation d’intensité: 12 , 24, 36, 48, 110, 220 V, alors que "une résistance ne fonctionne pas sous une tension nominale, il ne peut donc pas y avoir de puissance nominale; en principe le fabricant indique une puissance maximale admissible, à ne pas dépasser».
Il n’y a pas non plus de «data sheet», le document professionnel accompagnant tout composant électrique ou électronique.
Le prix varie de 0,40 à 0,80 € par grandes quantités, il est huit fois plus élevé pour un achat à l’unité.
Il est désormais possible d’esquisser un cuiseur avec résistances céramiques[]
Plusieurs résistances sont installées sous une plaque chauffante; l’utilisateur du cuiseur dispose de deux ou trois interrupteurs et d’un petit Wattmètre. Il adapte le nombre de résistances à l’ensoleillement du moment, en recherchant le meilleur point de fonctionnement du capteur solaire, et il peut vérifier son choix par une lecture sur le Wattmètre. En cas d’ensoleillement constant, aucune surveillance n’est nécessaire. En cas de variation importante, l’utilisateur peut modifier le nombre de résistances. En cas d’augmentation très importante du flux électrique, les résistances, autorégulatrices, ne peuvent pas être détruites.
La conduite du cuiseur peut être automatisée, par exemple à l’aide d’un micro-contrôleur.
La température des résistances ne dépasse pas 200 °C, donc l’ensemble du cuiseur est isolé par exemple avec des serviettes en coton. Un passage nuageux est donc sans grande incidence sur la poursuite de la cuisson.
On peut maintenant passer de l’esquisse au design du cuiseur.
Les résistances céramiques et le cuiseur[]
La quasi-totalité des choix effectués ci-dessous n’ont rien d’impératif, de nombreuses variantes s’offrent au concepteur, bon nombre de choix ont été effectués par approches successives.
Un premier choix préalable concerne la tension de fonctionnement de l’installation. Pour des raisons de sécurité de l’utilisateur, on souhaite ne pas dépasser une tension de 40 Volt; soit un panneau produisant une tension de 40 Volt en circuit ouvert, et donc environ 22 à 28 V en régime permanent usuel.
On retient ici des résistances estampillées "36 Volts", dimensions 35 x 21 x 5 mm; les résistances "48 Volts" conviendraient aussi. Les résistances estampillées "24 Volts" n’ont pas été retenues.
Compte tenu du peu d’indications fournies par le fabricant ou par le vendeur, il est indispensable de passer les céramiques au banc de mesure.
Le banc de mesure des céramiques[]
Fig 8. Banc de mésure
La résistance est maintenue par exemple entre deux pièces de bois, et instrumentée par un ou deux thermomètres. Alimentation électrique: 24 V DC (2×12Volt / 2 Ah); du courant 24V AC devrait également convenir. Au centre du dispositif: un interrupteur à trois positions. L’opérateur alimente la résistance en observant les thermomètres; puis il bascule l’interrupteur et lit la valeur en Ohm, après que la mesure de la température soit quelque peu stabilisée. Sept ou huit mesures, espacée de 30 °C environ, sont suffisantes (fig. 8).
Les mesures[]
Fig 9. Résultats des mésures
Fig 10. Puissance en fonction de la température
Sur les deux premières colonnes figurent les relevés des mesures. Sur la troisième colonne figure la puissance calculée de la résistance, pour une tension de 30 V, selon la formule P = U x U / R (fig. 9).
Le graphique ci-contre reprend les valeurs de puissance (fig. 10).
La température de fonctionnement de la plaque chauffante est estimée à 150° C.
En fait elle varie en fonction de la température du récipient de cuisson, selon que l’on est en période de mise en chauffe, ou en période de maintien en température.
On relève graphiquement la puissance correspondante: 65 W.
L’agencement des céramiques sous la plaque chauffante est effectué en fonction de ces éléments.
L’agencement des céramiques[]
Pour un panneau de 300 W crête, on installe six résistances céramiques dites "36 V", dimensions 35×21 mm, puissance mesurée / calculée: 65 W à 150° C. Elles sont disposées en trois groupes:
- un groupe de 3 céramiques
- un groupe de 2
- un groupe de 1
L’utilisateur disposera sur son cuiseur de trois interrupteurs, permettant d’étager les puissances sur 6 niveaux.
La construction du cuiseur[]
Fig 11. Construction du cuiseur
Fig. 11: un cuiseur monobloc confectionné dans du contreplaqué, dont la construction est à la portée d’un artisan. On peut aussi concevoir que le bloc de commande soit séparé du corps de chauffe. La plaque chauffante en aluminium est découpée dans une tôle de 5 mm. Le Wattmètre, qui est au conducteur du cuiseur ce que la boussole est au marin, est disponible sur le Web pour moins de 9 €.
L’isolation, qui entoure le bloc de chauffe et le récipient de cuisson, n’est pas représentée.
La régulation du cuiseur[]
Le rôle de la régulation[]
L’énergie fournie par un panneau solaire dépend d’une part de l’ensoleillement du moment, mais aussi de la charge qui lui est appliquée. C’est un phénomène trop complexe pour l’exposer ici, mais on en trouve la description dans tous les ouvrages traitant des panneaux solaires. Usuellement, dans les installations avec batterie, c’est au régulateur de charge placé entre le panneau et le la batterie que revient la tâche de traquer le meilleur point de puissance, le MPPT.
En première approche, la régulation du cuiseur consiste donc à rechercher le MPPT en mettant en fonctionnement le nombre de céramiques approprié, parmi les six céramiques installées sous la plaque chauffante du cuiseur.
Mais la puissance de ces céramiques varie en fonction de leur température, laquelle varie entre autres en fonction de la température du contenu du récipient de cuisson. La température du contenu augmente lors de la période de chauffe, et stagne lors de la cuisson proprement dite.
Tout cela semblerait bien compliqué, mais en pratique la régulation s’effectue très simplement.
Régulation manuelle, et régulation automatique[]
Dans le cas de la régulation manuelle, l’utilisateur dispose de six niveaux de réglage: il fait son choix, et il dispose d’un wattmètre pour vérifier que c’était le bon choix. Par beau temps bien établi, il peut ensuite vaquer à ses travaux sans se préoccuper de son cuiseur.
La régulation automatique s’effectue à l’aide d’un petit microcontrôleur, par exemple un Arduino, bien connu des adolescents dans les clubs d’informatique. L’algorithme, assez rudimentaire, est du type "Perturbe et Observe": deux capteurs de tension et d’intensité transmettent les informations au micro-contrôleur qui calcule la puissance instantanée. Puis il modifie légèrement le nombre de céramiques en fonctionnement, vérifie l’effet sur la puissance instantanée et confirme ou infirme la modification précédente, etc.
La régulation automatique dispose de 13 niveaux, elle est donc plus précise que la régulation manuelle, mais il est inutile de trop compliquer l’utilisation d’un cuiseur manuel
En cas de dysfonctionnement il ne peut y avoir de dommage. Si les résistances sont sur-alimentées, le matériau céramique joue son rôle régulateur. Si elles sont sous-alimentées, la cuisson se poursuit quelque peu en "marmite Norvégienne".
Quelques notes complémentaires[]
Stockage d’énergie: la batterie permet de cuisiner en dehors des heures d’ensoleillement; dans le cas d’un cuiseur sans batterie, un substitut serait le stockage d’énergie thermique pendant quelques heures, par exemple avec un matériau à changement de phase.
Noter aussi que le cuiseur avec céramiques peut parfaitement fonctionner… sur une batterie.
Fig 12. Convertisseur DC DC
Éclairage et téléphonie: en absence de batterie, la recharge de ces appareils peut s’effectuer avec un convertisseur DC DC (fig. 12), d’une valeur de quelques €, branché sur le panneau, et qui alimente téléphones et lanternes soit directement, soit par l’intermédiaire d’une petite "batterie USB Power Bank"
La qualité des interrupteurs, dits "rocker switchs", est très importante. Premièrement, la tension est faible, mais l’intensité est élevée. Après basculement, si les lames de contacts intérieures ne s’appliquent que médiocrement l’une sur l’autre, il y a échauffement; c’est de l’énergie perdue pour la cuisson, et c’est un risque d’accident. Certains fabricants d’interrupteurs de bonne qualité affichent une résistance de contact de 50 milliOhm maximum dans leurs «data sheet». Ne pas hésiter, après livraison, à contrôler cette valeur avec un ohmmètre.
Deuxièmement, une particularité du courant électrique continu est de provoquer un arc électrique lors des manœuvres de l’interrupteur, d’où une usure anormale des contacts qui renforce l’effet précédent. Il est possible d’y remédier facilement en insérant des diodes ordinaires dans le circuit, mais on s’éloigne ici de notre propos initial.
Un petit phénomène apparemment bizarre
Soit un cuiseur en fonctionnement, mais dont on enlève le récipient de cuisson; la plaque chauffante monte en température jusqu’au point de stagnation, puis le Wattmètre indique une puissance quasi-nulle, alors qu’il fait un beau soleil; mais il n’y a pas de dysfonctionnement.
Il suffit de remettre sur la plaque un récipient et d’y verser un verre d’eau froide…
Et pour conclure, quelques réflexions sur des aspects non techniques.
Le monde des énergies renouvelables est le royaume de la diversité. Premièrement parce que les disponibilités en énergie vont en se réduisant: il faut donc "faire feu de tout bois" – sans handicaper l’avenir. Deuxièmement, parce que les situations sont très diverses, il n’y a donc pas de solution unique en matière de cuisson; comme toujours, il faut utiliser l’outil adapté aux circonstances.
Tous les renseignements pour la construction et l’utilisation d’un cuiseur avec résistances céramiques se trouvent à l’adresse Web: Cuisson solaire photovoltaïque
Ils sont entièrement libres de droits.
À partir de ce modèle de base, il est possible de concevoir une multitude de cuiseurs différents.
Document rédigé par Jean Boubour, Brest - France, mail: Jean Boubour