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La Machine solaire de M. Mouchot

Ch. Bontemps, La Nature N°137 - 15 Janvier 1876

Mis en ligne par Denis Blaizot le lundi 1er novembre 2010

Il ne suffit plus à l’activité de notre époque de répandre la pensée par le télégraphe et par la presse, d’unir les hommes par les voyages : un nouveau problème s’impose, pour lequel les solutions abondent ; nous voulons parler de la diffusion de la force.

La force, ce mystère que la philosophie n’a pas éclairci et que la physique étudie, se révèle à nous sous une forme tangible, le travail. Il y a de ce terme une définition mathématique qui n’est pas aussi éloignée qu’on le pense généralement de répondre à la définition usuelle. Une force ne vaut que lorsqu’elle exécute un travail ; celui-ci se mesure par le produit de l’intensité de la force par le chemin qu’elle fait parcourir à l’obstacle. Une force, quelque grande qu’elle soit, si elle ne déplace pas la résistance, est une force vaine. On s’explique comment tant d’investigateurs cherchent à utiliser toutes les forces perdues, à les assouplir à nos besoins, en leur faisant produire un travail utile.

Pour envisager le problème dans toute sa généralité, nous aurions à suivre les tentatives faites pour utiliser la chaleur solaire, pour mettre à profit les vents et les marées. Dans ce domaine, il est vrai, la nature jusqu’ici ne s’est guère laissé surprendre, elle nous étonne par son opulence et garde ses trésors peut-être destinés à nos successeurs. Nous nous bornerons aujourd’hui, à envisager les faits relatifs à l’utilisation de la chaleur solaire.

M. Mouchot, dans une communication faite à l’Académie des sciences, le 4 octobre 1875, a appelé l’attention sur les machines solaires, dans lesquelles sent appliquées les propriétés des miroirs. Nous allons reprendre avec lui l’étude de cette question, qui a préoccupé les savants dès l’antiquité.

L’usage des miroirs ardents semble avoir été connu des prêtres d’Héliopolis et de Thèbes. Plutarque nous apprend aussi qu’à Rome on se servait de miroirs ardents pour rallumer le feu sacré, lorsqu’il venait à s’éteindre. La forme de ces miroirs était celle d’un cône droit à base circulaire, engendré par la révolution d’un triangle rectangle isocèle autour d’un des côtés de l’angle droit. C’est là, on le démontre en optique, la meilleure disposition qu’on puisse adopter pour les réflecteurs coniques. Le premier ouvrage qui traite des miroirs ardents est « l’Optique » d’Euclide, qui vivait à Alexandrie 300 ans avant l’ère chrétienne. On suppose qu’Archimède suivit les leçons d’Euclide, et apprit de ce maître le secret de la fabrication des merveilleux engins avec lesquels à incendia, dit-on, la flotte romaine assiégeant Syracuse. Cet événement a donné lieu à de nombreux commentaires de la part des auteurs. Anthénius, de Tralles, l’architecte de la basilique de Sainte-Sophie à Constantinople, indique la combinaison de miroirs plans à laquelle dut recourir Archimède pour réaliser l’effet produit.

Au moyen-âge les Arabes, pour opérer certaines distillations au soleil, se servirent de miroirs concaves d’acier poli fabriqués à Damas, C’est peut-être, dit M. Mouchot, d’un pareil miroir qu’il s’agit dans le passage suivant de l’Histoire naturelle publiée en 1551, par Adam Lonicer : - Moyen par lequel on peut faire infuser dans l’eau diverses fleurs, de façon qu’elle en retienne l’odeur et les vertus. - « Présente un miroir concave à un soleil ardent, puis place entre l’astre et le miroir le vase de verre où est renfermée la substance, de telle sorte que les rayons solaires se réfléchissent du miroir an verre, comme le montre la figure 1. »

Plusieurs savants construisirent ensuite de grands miroirs, avec lesquels on put fondre à distance des fragments des divers métaux.

Le débat engagé sur l’expérience d’Archimède, contestée par les uns acceptée par les autres, se trouva définitivement vidé par l’intervention de Buffon. Le miroir construit par le grand naturaliste était formé de 360 glaces portées par un châssis rectangulaire de 2,27m de largeur sur 2m,60 de hauteur. Les glaces étaient séparées les unes des autres et mobiles en tous sens. Il fallait une demi-heure pour les disposer de manière à faire coïncider les diverses images qu’elles donnaient du soleil. À 16 mètres, le foyer avait 0,16 de diamètre ; à 42 mètres, il avait 0,43.

Voici quelques uns des résultats constatés par Buffon : A 49 mètres, le 10 avril 1747, 128 glaces mirent le feu à une planche de sapin goudronnée. A 6,50m, le 11 avril, 12 glaces enflammèrent des matières combustibles. Ces expériences démontraient la possibilité du fait attribué par les anciens à Archimède. Buffon serait arrivé encore à des résultats plus remarquables s’il se fut servi de miroirs dé métal au lieu de miroirs étamés.

Avant d’aborder les applications industrielles plus récentes, nous l’appellerons d’abord quelques principes physiques relatifs aux propriétés des vitres, qui se laissent traverser par les rayons émanant du soleil, mais qui retiennent et emprisonnent la chaleur obscure. Les serres en offrent un frappant exemple.

La terre peut être considérée comme une serre chaude relativement aux espaces célestes, et c’est l’eau qui lui assure ce rôle. La vapeur dans l’atmosphère constitue l’écran remplaçant la vitre. La chaleur dans les organismes animaux et dans les machines sert à la diffusion de la force. La production du combustible à la surface du globe est encore l’œuvre du soleil.

Les conditions propres à obtenir un récepteur de la radiation solaire seront donc les suivantes : 1° choisir un bon conducteur et le recouvrir de noir de fumée, pour obtenir l’absorption ; 2° le poser sur un corps isolant ; l’enfermer sous une ou plusieurs vitres, avec interposition d’une ou plusieurs couches d’air ; 3° concentrer les rayons solaires réfléchis par un miroir.

Saussure, en 1767, avait construit l’héliothermomètre (thermomètre solaire) ; cet appareil comprenait une série de compartiments formés de couches d’air séparées par des lames de verre parallèles, étagées en cloisons à l’intérieur d’une caisse de bois. En exposant au soleil la face de verre formant couvercle, on obtenait des températures croissantes à l’intérieur de chaque compartiment ; ces températures atteignaient quelquefois le point d’ébullition de l’eau. Ducarla perfectionna l’héliomètre de Saussure en le constituant de cloches de verre concentriques, en plaçant sous la dernière cloche un réservoir noirci, et enfin, en l’isolant à l’aide de mauvais conducteurs.

Il restait à étudier la radiation solaire. J. Herschell reconnut en 1834, au Cap de Donne-Espérance, que l’effet calorifique d’un soleil vertical au niveau de la mer suffisait à fondre une épaisseur de 0,1915 de glace par minute. Vers la même époque, Pouillet, par une autre méthode, trouvait qu’à Paris, le soleil par un beau jour pourrait y fondre en une minute, une épaisseur de glace de 0,1786.

La radiation solaire est plus forte sur les montagnes que dans les plaines. L’atmosphère absorbe en partie l’effet de la radiation solaire ; suivant Forbes, dans nos climats, il ne nous arrive que les 0,53 du nombre des rayons émanant de l’astre. Plus on s’élève dans l’atmosphère, plus on est frappé du contraste entre l’ardeur du soleil et le froid glacial de l’air à l’ombre. La même cause qui favorise l’intensité de la radiation (le défaut d’absorption) empêche aussi l’air de s’échauffer. Ce fait est bien connu des excursionnistes et des aéronautes. L’air humide est beaucoup moins perméable que l’air sec aux rayons du soleil.

L’intensité de la chaleur solaire, d’après le P. Secchi, dans une même hauteur de l’astre au-dessus de l’horizon, est deux fois plus grande au solstice d’hiver qu’au solstice d’été.

Les expériences de Pouillet indiquent que chaque mètre carré normalement exposé aux rayons du soleil reçoit à Paris environ 10 calories par minute, ce qui correspond approximativement au travail d’un cheval-vapeur. Ce travail n’est pas utilisable actuellement sans une grande perte ; néanmoins il faut reconnaitre avec M. Mouchot qu’il y a là une source de force qui n’est pas à dédaigner.

Nous arrivons à présent aux recherches personnelles de M. Mouchot. Profitant de l’expérience de ses devanciers, il combine un réflecteur solaire composé : 1° D’un miroir ou réflecteur cylindrique en plaqué d’argent [1] ; 2° d’une chaudière en cuivre noirci installée au foyer du miroir, sur un corps mauvais conducteur ; 3° d’une seule cloche de verre ou d’un châssis vitré recouvrant la chaudière, afin d’y retenir comme dans un piège, les rayons du soleil et ceux que rassemble le réflecteur.

Après avoir construit des appareils pour utiliser l’action des rayons solaires sur l’air confiné en vue de construire des machines industrielles, l’auteur aborda les applications culinaires. Dans ce domaine il a produit un dispositif remarquable dont nous lui empruntons la description.

« J’ai pris, dit-il, un bocal en verre dont la paroi latérale n’était guère plus épaisse qu’une vitre et dans lequel je pouvais facilement introduire un vase cylindrique en cuivre ou en fer battu, dont les bords s’appuyaient sur ceux du bocal, puis, j’ai mis sur le tout un couvercle en verre ; au foyer du réflecteur en plaqué d’argent, elle faisait bouillir en une heure et demie trois litres d’eau à la température initiale de 15°. Comme celte nouvelle chaudière était d’une forme assez commode, je m’en suis servi pour différents essais. Elle m’a permis, par exemple, de confectionner au soleil un excellent pot-au-feu, formé d’un kilogramme de bœuf et d’un assortiment de légumes. Au bout de quatre heures d’insolation, le tout s’est trouvé parfaitement cuit, malgré le passage de quelques nuages sur le soleil ; et le consommé a été d’autant meilleur que l’échauffement de la marmite s’était produit avec une grande régularité. Voici pour plus de clarté, fig. 2, le dessin de l’appareil mis en expérience :

« Le cylindre extérieur est le bocal en verre ; le cylindre noir intérieur est le vase métallique noirci, dont les bords reposent sur les siens ; le tout est surmonté d’un couvercle en verre ; enfin, à la droite de la figure, on voit le réflecteur en plaqué d’argent. Comme je l’ai déjà dit, ce réflecteur est cylindrique : sa hauteur est de cinquante centimètres, sa base est un arc de cercle dont la corde a un mètre. Il est incliné de manière à concentrer les rayons du soleil sur la marmite, et l’on juge, sans difficulté, que celle-ci est bien au foyer par la lueur qui se forme sur la paroi noircie.

Pour transformer cette même marmite en un four, il m’a suffi de couvrir la chaudière d’un disque de fer battu placé sous le couvercle en verre. J’ai pu de cette façon faire cuire en moins de trois heures un kilogramme de pain. Ce pain ne présentait aucune différence avec celui que donnent les fours de boulanger. Enfin, en remplaçant les deux couvercles par un chapiteau d’alambic à tête de Maure s’adaptant exactement à la chaudière, je me suis procuré, sans plus de frais, un appareil très propre à la distillation de l’alcool au soleil. Le chapiteau ayant été mis en communication avec un serpentin plongé dans un courant d’eau froide, tandis que le vase métallique, contenant deux litres de vin, était placé dans le bocal, au foyer du réflecteur, j’ai recueilli l’alcool au bout de quarante minutes d’insolation. Comme l’appareil s’échauffait lentement et d’une manière continue, cet alcool était très concentré et possédait un arôme des plus agréables. En installant devant ce réflecteur une broche garnie d’une pièce de bœuf, de veau ou de mouton, j’obtenais en moins de trois heures un rôti de très bonne apparence, et dont la cuisson ne laissait rien à désirer. Malheureusement il n’en était pas de même du goût que ces viandes avaient contracté, malgré leur fraicheur ; les rayons chimiques de la lumière semblaient y avoir déterminé comme un commencement de fermentation putride ; les rôtis dans la préparation desquels entrait le beurre contractaient, dans les mêmes circonstances, un goût insupportable. Il est donc nécessaire d’éliminer en pareil cas les rayons chimiques, et l’on y parvient en plaçant devant la rôtissoire une vitre jaune ou rouge. »

Citons une autre forme de la marmite solaire, représentée fig. 3.

« Un miroir sphérique de médiocre étendue est fixé par un genou à coquilles à l’une des branches du support qui doit soutenir la chaudière. Ce miroir peut donc être facilement dirigé vers le soleil et maintenu dans une position qui lui permette de recevoir d’aplomb la chaleur incidente. A l’autre branche du support est fixée par une vis une tige mobile qui supporte la chaudière et permet de l’installer au foyer même du miroir. Quant à la chaudière elle-même, elle est formée d’un vase de verre ou de cristal surmonté de son couvercle et d’un autre vase noirci à l’extérieur et dont les bords reposent sur ceux du premier. »

Après avoir décrit ces premières expériences de M.Mouchot, nous ne croyons pas devoir aller plus loin sans passer en revue quelques antériorités, pour montrer l’importance qu’attribuaient à la solution du problème de l’utilisation de la chaleur solaire les plus remarquables chercheurs des temps anciens.

Héron d’Alexandrie (100 av. J.-C.) avait indiqué déjà une pompe solaire. Notons aussi qu’Héron, pour dévoiler une supercherie des prêtres de l’Égypte, décrit deux machines au moyen desquelles les portes d’un temple semblent s’ouvrir spontanément dès que le feu s’allume ou s’éteint sur l’autel. Ces appareils sont des applications simples des propriétés des gaz et des liquides. Porta, le savant napolitain (1550-1615), reprend l’application d’Héron, mais Torricelli n’est pas encore venu détruire la croyance dans l’horreur du vide, aussi les conceptions des physiciens se ressentent-elles singulièrement du vague des notions scientifiques. Salomon de Caux (1576-1626), l’ingénieur français dont Arago a remis les travaux en lumière à propos des origines de la machine à vapeur, donne dans ses Raisons des forces mouvantes, publiées la première fois en 1615, la description de la première machine élévatoire fonctionnant à l’aide du soleil. Ajoutons avec M. Mouchot, que Salomon de Caus, en désignant sa découverte sous le nom de fontaine continuelle, comprend fort bien que l’appellation de fontaine perpétuelle serait impropre, la machine n’étant pas la réalisation du mouvement perpétuel, puisqu’elle est mue par l’action des rayons solaires. Parmi les savants mêmes que nous aurons encore à citer, il en est qui ne se sont pas toujours élevés à des considérations aussi saines, et qui auraient pu faire leur profit des réflexions suivantes de notre auteur :

« II y a plusieurs hommes lesquels se sont travaillés à la recherche d’un mouvement qu’ils ont appelé (sans le connaître) perpétuel ou sans fin, chose assez mal considérée et mal entendue, d’autant que tout ce qui a commencement est sujet à avoir une fin, et il faut appliquer ce mot perpétuel et sans fin à Dieu seul, lequel comme il n’a eu commencement, ne pourra aussi avoir fin ; tellement que c’est folie et orgueil aux hommes de se vouloir faire accroire de faire des œuvres perpétuelles, vu que eux-mêmes sont mortels et sujets à une fin, ainsi seront toutes leurs œuvres. »

Nous devons dire encore que Salomon de Caus indique à la fin de son ouvrage la construction d’un orgue solaire, et qu’il essaie par là d’expliquer la tradition relative à l’antique statue de Memnon, dont les sons harmonieux saluaient chaque matin le retour du soleil.

Martini, vers 1640, indique une application de la chaleur solaire pour faire marcher une horloge ; mais il reste dans le domaine de ses prédécesseurs, et la solution qu’il propose est incomplète. Il eut pour continuateur dans ce genre le jésuite allemand Kircher (1602-1680) ; les appareils que ce dernier construisit existent encore tians un musée de Rome.

Bélidor (1697-1761), qui s’est illustré par « l’Architecture hydraulique », s’occupa aussi de perfectionner la fontaine continuelle de Salomon de Caus ; il la construisit et en donna une théorie conforme aux principes de la physique moderne.

Après avoir sommairement indiqué les essais infructueux que les anciens ont entrepris pour utiliser la chaleur du soleil, nous pouvons aborder la description du moteur solaire récemment présenté à l’Académie par M. Mouchot. Rappelons-nous qu’une surface d’un mètre carré exposée normalement aux rayons du soleil reçoit par minute environ 15 calories, soit par heure, 900 calories. La quantité de chaleur employée à faire marcher pendant une heure une bonne machine à vapeur de la force d’un cheval est d’environ 2 kilogrammes, dont la combustion représente 15,000 calories ; la moitié seulement, soit 7,500 calories, est effectivement employée à la vaporisation de l’eau. Puisqu’avec un mètre carré de surface on obtient 900 calories, un calcul facile montre qu’avec huit mètres carrés environ, on obtiendra les 7,500 calories requises pour développer le travail correspondant à un cheval-vapeur pendant une heure.

Le générateur solaire est représenté fig. 4 : le miroir a la forme d’un tronc de cône à bases parallèles, ou, si l’on veut, d’un abat-jour, tournant son ouverture vers le soleil. La génératrice de ce tronc de cône fait avec l’axe un angle de 45 degrés ; c’est, comme l’a prouvé Dupuis au siècle dernier, la meilleure forme qu’on puisse donner à ces sortes de miroirs, parce que les rayons incidents parallèles à l’axe se réfléchissent alors normalement à cet axe, et donnent un foyer d’intensité maximum pour une même ouverture du miroir, la paroi réfléchissante se compose de douze secteurs, en plaqué d’argent, supportés par un châssis de fer dans lequel ils glissent à coulisse. Cette disposition permet d’enlever chaque secteur pour le nettoyer et, par suite, de substituer au plaqué d’argent le laiton poli qui produit le même effet. Le diamètre d’ouverture du miroir est de 2,60m ; celui du fond est de 1 m, d’où il suit que la surface d’insolation normale de l’appareil est de 4 mètres carrés.

Le fond du miroir est un disque en fonte ajusté pour diminuer l’effet du vent. Au centre de ce disque s’élève la chaudière, dont la hauteur est celle du miroir. Elle est en cuivre, noircie extérieurement, et se compose de deux enveloppes concentriques, en forme de clocher, reliées à leur base par une bride de fer. La plus grande enveloppe a 80 centimètres de haut, la plus petite, 50 centimètres ; leurs diamètres respectifs sont de 28 et 22 centimètres. L’eau d’alimentation se loge entre ces deux enveloppes, de manière à former un cylindre annulaire de 5 centimètres d’épaisseur. Le volume du liquide ne doit guère excéder 20 litres, afin de laisser 10 litres environ pour la chambre de vapeur.

L’enveloppe interne reste vide ; elle est terminée par un tube de cuivre, qui s’ouvre d’un côté dans la chambre de vapeur, et communique, de l’autre, par un tuyau flexible, soit avec le moteur, soit avec le fourneau d’un alambic. Un second tuyau flexible, partant du pied de la chaudière, sert à l’alimentation. Enfin, sur la conduite de vapeur sont fixés les appareils de sûreté.

Quant à l’enveloppe de verre, c’est une cloche de 85 centimètres de haut sur 40 centimètres de diamètre et 5 millimètres d’épaisseur. Elle laisse donc un intervalle constant de 5 centimètres entre ses parois et celles de la chaudière, et n’est adhérente que par son pied au fond du miroir.

« Ainsi disposé, le générateur doit tourner de 15 degrés par heure, autour d’un arbre parallèle à l’axe du monde, et s’incliner graduellement sur cet arbre, eu égard à la déclinaison du soleil.

« Pour atteindre ce double but, l’appareil s’appuie par des tourillons sur un arbre perpendiculaire à leur axe, et cet arbre forme, du nord au sud, avec l’horizon, un angle égal à la latitude du lieu. De là résultent deux mouvements, qui permettent au générateur de suivre le cours du soleil, quelle que soit la position apparente de ce dernier. Ces deux mouvements s’effectuent chacun au moyen d’un engrenage à vis sans fin et n’exigent qu’un coup de manivelle, le premier de demi-heure en demi-heure, le second tous les huit jours. Le mouvement d’orient en occident peut même, sans trop de dépense, devenir automatique. »

L’appareil que nous venons de décrire n’a jusqu’ici fonctionné qu’au soleil de Tours. Voici quelques-uns des résultats précis qu’il a fournis à diverses époques :

Le 8 mai, par un beau temps ordinaire, 20 litres d’eau à 20 degrés, introduits dans la chaudière à 8 h50’ du matin, ont mis, après purge d’air, quarante minutes pour produire de la vapeur à deux atmosphères, c’est-à-dire à 121 degrés. Cette vapeur s’est ensuite élevée rapidement à la pression de 5 atmosphères, limite qu’il eût été dangereux de franchir, malgré la régularité de chauffe, les parois de la chaudière n’ayant que 5 millimètres d’épaisseur et l’effort total supporté par ces parois étant alors de 40 000 kilogrammes. Vers le milieu du jour, avec 15 litres d’eau dans la chaudière, la vapeur à 100 degrés s’élevait en moins de quinze minutes à la pression de 5 atmosphères, ou, en d’autres termes, à la température de 155 degrés.

Le 22 juillet, vers une heure de l’après-midi, par une chaleur exceptionnelle, l’appareil a vaporisé 5 litres par heure, ce qui répond à un débit de vapeur de 140 litres par minute.

Faute d’un moteur approprié à l’appareil, M. Mouchot s’est d’abord servi d’une grande machine de démonstration, sans détente ni condenseur, dont le corps de pompe était d’un tiers de litre. Cette machine battait, par un beau temps, 80 coups à la minute, sons pression constante d’une atmosphère effective : elle marchait encore par un soleil légèrement voilé. Tout récemment, il la remplaça par une petite machine rotative Behrens ; celle-ci fonctionnait à merveille et faisait marcher à grande vitesse une pompe élévatoire, qui s’est trouvée trop faible pour le générateur et s’est disloquée.

Enfin, il a suffi de faire arriver la vapeur de l’appareil dans un fourneau surmonté d’un alambic pour distiller 5 litres de vin dans un quart d’heure. Cette même vapeur cuisait rapidement, et en abondance, les légumes, la nourriture du bétail, etc.

Des résultats qui précèdent, on peut conclure que l’appareil utilise, en moyenne, dans nos régions, de de 8 à 10 calories par minute et par mètre carré. Ce n’est là, toutefois qu’une approximation, parce que l’intensité de la chaleur réfléchie allant constamment en croissant de la base au sommet de la chaudière, la température de celle-ci n’est pas uniforme. Encore est-il bon d’ajouter que les lames de plaqué, n’ayant qu’un quart de millimètre d’épaisseur, n’envoient à la chaudière, à cause de leurs boursoufflures, qu’une trop faible partie de la chaleur incidente.

Nous terminerons en concluant, avec M. Mouchot, que cette application de la chaleur solaire, intéresse au plus haut point l’avenir des contrées où le ciel reste longtemps pur, et dont le soleil est la plus précieuse ressource.

Ch. Bontemps


[1Les miroirs affectant la forme parabolique qui concentrent sur une ligne les rayons parallèles tombant sur la surface entière sont très parfaits et fort simples de construction. Les miroirs d’argent sont les plus propres à réfléchir la lumière, lorsqu’on les construit en plaqué d’argent ; leur prix reste très modéré. M. Mouchot préfère les miroirs aux lentilles ; celles-ci ayant l’inconvénient l’absorber une grande partie de la chaleur incidente.