Soutenance mémoire
L’énergie solaire
Caractéristiques spécifiques de l’énergie solaire
Certaines particularités de l’énergie solaire doivent être prises en compte pour optimiser son utilisation, les principales caractéristiques sont la dilution et l’intermittence.
La dilution :
L’énergie du rayonnement solaire est un niveau d’énergie relativement réduit c’est ce qui est désigné connu sous le nom de dilution.
La dilution nécessite l’utilisation d’une surface importante de captation pour obtenir des puissances élevées ou bien de prévoir une concentration des rayons solaires pour obtenir des températures élevées.
L’intermittence :
L’intermittence du rayonnement solaire et l’autre Caractéristiques spécifiques de l’énergie solaire ainsi que sa variation journalière et même suivant l’année, en effet l’énergie solaire est asservie aux conditions météorologiques. Dans les régions à climat tempéré, le problème de l’intermittence est difficile à résoudre.
Une solution souvent employée est d’envisager des stockages d’importances très variables suivant les applications envisagées. Par exemple il est nécessaire de prévoir un stockage quotidien et de l’utiliser durant la nuit de même de prévoir le stockage nébuleux qui correspond à des passages nuageux accidentels.
Le rayonnement solaire
Le rayonnement émis par le soleil est la manifestation externe des interactions nucléaires qui se produisent au cœur du soleil et de l’ensemble des interactions secondaires qu’elles génèrent dans son enveloppe. Ce rayonnement constitue la quasi-totalité de l’énergie expulsée par le soleil .
Les réactions thermonucléaires produites au cœur du soleil génèrent des rayonnements corpusculaires et électromagnétiques se propageant dans toutes les directions du vide intersidéral avec une vitesse de 3.10 m/s et couvrant toutes les longueurs d’ondes depuis les rayons X et gamma jusqu’à l’I.R lointain. Cependant 99.9% de l’énergie se situe entre 0.2 et 8μm.
On pourra supposer avec une approximation acceptable que le soleil rayonne comme un corps noir porté à une température de 5762 K dite température apparente du soleil ne correspondant pas à la réalité physique.
Définition et principe d’un capteur solaire plan
Un capteur solaire est un dispositif qui absorbe le rayonnement solaire et le convertit en chaleur qui sera transmise à un fluide « fluide caloporteur ». Ce système de captage a pour base l’effet de serre où le rayonnement est capté dans le domaine du visible et du proche infrarouge (longueurs d’ondes comprises entre 0.3 et 3 μm), il traverse la vitre et il est piégé à l’intérieur où il est capté par la surface absorbante .
L’absorbeur émet du rayonnement thermique dans un domaine de l’infrarouge éloigné du visible (entre 4 et 30 μm). Ce rayonnement est totalement arrêté par la paroi du verre qui s’échauffe et rayonne par moitié vers la surface absorbante et par moitié vers l’extérieur. Le fluide qui circule sous cette paroi récupère par convection une partie de cette énergie absorbée et subit une élévation de température à la traversée du capteur .
Les types d’un capteur solaire thermique
Les capteurs plans non vitrés à revêtement sélectif
Sont des capteurs simples adaptés aux basses températures et peu sensibles à l’angle d’incidence du rayonnement, ils peuvent être utilisés pour le chauffage des piscines et le chauffage de l’eau chaude sanitaire.
Les capteurs plans vitrés
C’est un dispositif sans concentration dans lequel la surface de l’absorbeur est une plaque métallique sensiblement plane et noircie pour absorber le maximum de rayonnement.
Elle est recouverte d’une vitre sur la face avant et isolée sur les faces latérales et arrière . Les rayons solaires qui traversent la vitre sont absorbés par l’absorbeur qui s’échauffe et émet des rayons infrarouges. Ces derniers restent piégés dans le capteur à cause de la vitre (effet de serre) et de l’isolant sur les autres parois. Un liquide dans des tubes récupère la chaleur et la véhicule jusqu’au point d’utilisation .
Les capteurs à tubes sous vide
Un capteur solaire « sous vide » est composé d’une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de diamètre. Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l’énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l’absorbeur, celui-ci reçoit un traitement sélectif pour empêcher le rayonnement
Le capteur cylindro-parabolique
Les concentrateurs solaires utilisent des surfaces réfléchissantes (miroirs) paraboliques ou cylindro-paraboliques pour concentrer les rayons solaires respectivement dans le foyer ponctuel ou dans le foyer linéaire de ces surfaces. Dans le foyer ponctuel ou le long du foyer linéaire se trouvent les récepteurs (absorbeurs) qui captent la chaleur solaire ainsi concentrée. Naturellement, ces concentrateurs doivent suivre le mouvement du soleil
Le capteur CPC (Compound Parabolic Concentrator)
C’est un capteur plan ou à tubes sous vide avec un réflecteur « concentrateur à segments paraboliques » .Les réflecteurs CPC ont une géométrie qui permet au rayonnement solaire direct et diffus d’atteindre l’absorbeur, car la surface de l’absorbeur est cylindrique couvrant la totalité de la surface du tube intérieur. Ainsi, la partie face au soleil peut capter le rayonnement direct et la partie cachée peut capter le rayonnement par réflexion.
Le capteur moquette
C’est un capteur non vitré. Il consiste en un réseau de tubes noirs en matière plastique, accolés les uns aux autres. Pour chauffer l’eau d’une piscine, les capteurs peuvent être insérés dans le circuit de filtration. Ils sont ainsi directement parcourus par l’eau retournant au bassin. Le rendement du capteur moquette est très bon pour produire des températures proches de la température de l’air ambiant.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Etude bibliographique
I.1 Introduction
I.2 Recherches réalisées sur les capteurs solaires à seul passe
I.3 Recherches réalisées sur les capteurs solaires à double passe
I.3 Conclusion
Chapitre II : Le gisement solaire
II.1 Introduction
II.2 Le Soleil
II.2.1 Les grandes dates
II.2.2 Structure du Soleil
II.2.2.1 Le cœur ou noyau
II.2.2.2 La zone de radiation
II.2.2.3 La zone de convection
II.2.2.4 La photosphère
II.2.2.5 La couronne solaire
II.2.2.6 La chromosphère
II.2.2.7 L’héliosphère
II.3 Caractéristiques de la terre
II.3.1 L’atmosphère terrestre
II.4 Mouvement de la terre
II.5 L’énergie solaire
II.5.1 Énergie solaire photovoltaïque
II.5.2 Énergie solaire thermique
II.5.3 Caractéristiques spécifiques de l’énergie solaire
II.5.4 Paramètres de position
II.5.4.1 Les coordonnées géographiques terrestres
II.5.4.2 Les coordonnées horaires
II.5.4.3 Les coordonnées horizontales
II.5.5 Le temps solaire
II.5.5.1 Temps solaire vrai
II.5.5.2 Durée de jour
II.5.5.3 Equation de temps
II.5.5.4 Temps solaire moyen TSM
II.5.5.5 Temps universel (TU)
II.5.5.6 Temps légal TL
II.5.6 Le rayonnement solaire
II.5.7 Le spectre de la radiation solaire
II.5.8 Rayonnement solaire hors atmosphère
II.5.8.1 La constante solaire
II.5.9 Direction des rayons solaires par rapport à un plan
II.5.10 Atténuation du rayonnement solaire (rôle de l’atmosphère)
II.5.11 L’irradiation ou rayonnement solaire au sol
II.5.11.1 Le rayonnement direct
II.5.11.2 Le rayonnement diffus
II.5.11.3 Le rayonnement global
II.5.12 L’albédo
II.5.13 Mesure et calcul des rayonnements solaires
II.5.13.1 Le rayonnement direct
II.5.13.2 Le rayonnement solaire diffus
II.5.13.3 Le rayonnement global
II.5.14 Taux d’ensoleillement
II.6 Le gisement solaire en Algérie
II.7 Conclusion
Chapitre III : Les capteurs solaires
III.1 Introduction
III.2 Définition et principe d’un capteur solaire plan
III.3 Constituants d’un capteur solaire plan
III.3.1 Une couverture transparente
III.3.2 Partie absorbante
III.3.3 Le fluide caloporteur
III.3.4 L’isolation thermique
III.3.5 Le coffre
III.4 Les types d’un capteur solaire thermique
III.4.1 Les capteurs plans non vitrés à revêtement sélectif
III.4.2 Les capteurs plans vitrés
III.4.3 Les capteurs à tubes sous vide
III.4.4 Le capteur cylindro-parabolique
III.4.5 Le capteur CPC (Compound Parabolic Concentrator)
III.4.6 Le capteur moquette
III.5 Les paramètres influant sur le fonctionnement d’un capteur solaire
III.5.1 Les paramètres internes
III.5.1.1 La vitre
III.5.1.2 L’absorbeur
III.5.1.3 Forme et diamètres des pipes
III.5.1.4 La circulation du fluide caloporteur
III.5.1.5 L’isolation
III.5.1.6 L’orientation et l’inclinaison du capteur
III.5.2 Paramètres externes
III.5.2.1 Obstacles
III.5.2.2 Rayonnement solaire
III.5.2.3 Température
III.5.2.4 Vitesse du vent
III.6 Pertes thermiques dans un capteur solaire
III.6.1 Pertes par convection
III.6.2 Pertes par conduction
III.6.3 Pertes par rayonnement
III.7 Les différents modes de transferts thermiques dans un capteur solaire
III.7.1 La conduction
III.7.2 La convection
III.7.3 Le rayonnement
III.8 Système de Capteurs solaires
III.8.1 Installation des Capteurs solaires
III.8.2 Protection contre le gel
III.9 Conclusion
Chapitre IV : Modélisation mathématique du problème
IV.1 Introduction
IV.2 Géométrie du problème
IV.3 Les paramètres de fonctionnement d’entrée
IV.4 Propriétés thermophysiques des différents composants du capteur
IV.4.1 Propriétés thermophysiques de l’air
IV.4.2 Propriétés de La vitre
IV.4.3 Propriétés de L’absorbeur
IV.4.4 Propriétés de L’isolation
IV.4.5 Propriétés du milieu poreux
IV.5 Hypothèses simplificatrices
IV.6 Modèle mathématique
IV.6.1 Dans l’air
IV.6.2 Dans le milieu solide
IV.6.3 Dans le milieu poreux
IV.7 Conditions initiales et aux limites
IV.7.1Conditions initiales
IV.7.2 Conditions aux limites
IV.7.2.1 Aux frontières des parois
IV.7.2.2 A la sortie du capteur
IV.7.2.3 A l’entrée du capteur
IV.8 L’équation de la variation de l’intensité solaire en fonction de temps
IV.9 L’équation de la variation de température ambiante en fonction du temps
IV.10 Efficacité thermique du capteur solaire
IV.11 Conclusion
Chapitre V : Résolution numérique
V.1 Introduction
V.2 Le calcul numérique (modélisation et simulation)
V.2.1 Principe du calcul numérique
V.2.2 Rappel sur la méthode des volumes finis (MVF)
V.2.2.1 Subdivision du domaine d’étude (maillage)
V.2.2.2 L’équation de transport
V.3 Les différentes étapes de l’approche numérique
V.3.1 Présentation du logiciel Gambit
V.3.1.1 Description du panel général
V.3.1.2 Maillage de la géométrie
V.3.1.2.1 Choix de type de maillag
V.3.1.2.2 Techniques générales de génération du maillage
V.3.1.2.3 Qualité du maillage
V.3.1.3 Conditions aux limites et définition de domaines
V.3.2 Présentation du code FLUENT
V.3.2.1 Interface du code Fluent
V.3.2.2 Résolution du problème avec le code FLUENT
V.4 Conclusion
Chapitre VI : Présentation et interprétation des résultats
VI.1 Introduction
VI.2 Validation du modèle numérique
VI.3 Cas stationnaire
VI.3.1 Etude dynamique
VI.3.1.1 Présentation du contour de la vitesse axiale
VI.3.1.2 Présentation du contour des lignes de courant
VI.3.1.3 Profils de la vitesse axiale
VI.3.1.4 Influence du débit sur la vitesse axiale
VI.3.1.5 Profils de coefficient de friction
VI.3.1.6 Influence du débit sur le profil du coefficient de friction
VI.3.2 Etude thermique
VI.3.2.1 Présentation du contour de température
VI.3.2.1.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.1.2 Avec milieu poreux
VI.3.2.2 Effet du débit massique sur les températures des composants du capteur solaire
VI.3.2.2.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.2.2 Comparaison avec milieu poreux
VI.3.2.3 Effet du rayonnement solaire sur les températures des composants du capteur solaire
VI.3.2.3.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.3.2 Comparaison avec milieu poreux
VI.3.2.4 Influence de la porosité sur la température du fluide dans les deux passages, supérieur et inferieur du capteur solaire
VI.3.2.5 L’influence du rayonnement solaire et du débit massique sur l’efficacité thermique
VI 3.2.5.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.5.2 Avec milieu poreux
VI.3.2.6 L’influence de l’épaisseur de l’absorbeur sur les températures des composants du capteur
VI.3.2.6.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.6.2 Avec milieu poreux
VI.3.2.7 L’influence de la longueur de l’absorbeur sur les températures des composants du capteur solaire
VI.3.2.7.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.7.2 Avec milieu poreux
VI.3.2.8 L’influence de la hauteur de la conduite inférieure sur la température du fluide à la sortie du capteur solaire
VI.3.2.8.1 Sans milieu poreux
VI.3.2.8.2 Avec milieu poreux
VI.4 Cas instationnaire
VI.4.1 Sans milieu poreux
VI.4.2 Avec milieu poreux
VI.4.3 Comparaison entre les deux cas
VI.5 Conclusion
Conclusion générale
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