Soutenance mémoire
La recherche d’une technologie meilleure et efficace est l’une des préoccupations majeures des scientifiques. De même à Madagascar, étant conscient des contextes et des situations locales, les contributions de chacun pour contourner ces problèmes sont fondamentaux.
Les séchages qui fonctionnent avec des combustibles fossiles nécessitent et consomment beaucoup d’énergie. Le prix du pétrole va grandissant ces dernières années et va apparemment continuer sa flambée, il est donc important de développer un système de séchage gratuit en énergie : le séchage solaire en est un. Il utilise uniquement l’énergie du soleil qui est gratuite et inépuisable. Les séchoirs solaires sont faciles à construire avec des outils et des matériaux localement disponibles et économiquement moins onéreux.
Le séchage nécessite de l’énergie et de la chaleur dépendant de la teneur en humidité de l’air, du système de séchage utilisé, de la température de séchage et des spécificités du produit concerné (épaisseur, superficie, et résistance à l’air) et de l’humidité contenu dans l’élément à sécher. Le fonctionnement du séchoir dépendra directement de la quantité d’irradiation et de l’humidité du lieu d’utilisation. C’est pourquoi ce présent mémoire intitulé « RECEUIL DES MODELES MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUES POUR TRAITER LES PROBLEMES D’UN SYSTEME SOLAIRE » qui est comme une interface entre la théorie et la pratique ce qui est déjà une contribution à la création d’un logiciel d’enseignement.
GISEMENT SOLAIRE
PRESENTATION
Depuis des millions d’années, le soleil est la source d’énergie naturelle, gratuite et non polluante. Les rayons solaires qui parviennent jusqu’à la terre en une journée pourraient couvrir la totalité de nos besoins énergétiques. L’énergie solaire grâce à ces multiples usages tend à être les ressources énergétiques majeures du 3ème millénaire, avec un gigantesque gisement solaire équivalent à 10000 fois la consommation énergétique de l’humanité entière. Par définition, le gisement solaire est un ensemble de données décrivant l’évolution du rayonnement solaire disponible au cours d’une période donnée. Il est utilisé pour simuler le fonctionnement d’un système énergétique solaire et faire un dimensionnement le plus exact possible compte tenu de la demande à satisfaire.
ESTIMATION DES IRRADIATIONS SOLAIRES EN PRESENCE DE L’ATMOSPHERE
L’atténuation de l’éclairement direct par les nuages dépend du type de nuage, leur épaisseur et le nombre des couches. La détermination théorique de l’éclairement direct et diffus est tout à fait difficile. Une telle tâche nécessite des données (rarement collectées) sur le type et les propriétés optiques des nuages qui sont la quantité, l’épaisseur, la position et nombre des couches des nuages. Toutefois, l’ensoleillement et la fraction de ciel couvert par des nuages sont largement disponibles pour la plupart des utilisateurs. Une approche commune est destinée au composant diffus à partir de l’éclairement global mesuré ou estimé. Les deux principaux objectifs sont de présenter les méthodes simples de prédiction du global et les méthodes d’estimation du diffus à partir du global.
ESTIMATION DES IRRADIATIONS GLOBALES HORAIRES EN MOYENNE MENSUELLE SUR UNE SURFACE HORIZONTALE
Liu et Jordan ont effectués des moyennes mensuelles et après avoir constaté que statiquement, les irradiations journalières sont symétriques par rapport au midi solaire, ils ont présentés les résultats de leurs travaux sous forme d’abaques que différents auteurs ont ensuite décrites à l’aide d’équations obtenues par lissage.
ESTIMATION DU RAYONNEMENT RECU SUR UNE SURFACE INCLINE
Afin de calculer le rayonnement solaire sur une surface inclinée, il est nécessaire d’estimer ses différents composants direct, diffus et réfléchi sur cette surface. Les rayonnements direct et diffus sont obtenus par simple calcul géométrique. Le rayonnement direct sur une surface est calculé à partir de la position géométrique du vecteur soleil par rapport à la surface.
Le calcul du rayonnement diffus est basé sur la visibilité de l’horizontal par rapport à la surface. L’estimation du rayonnement diffus est un peu plus compliqué selon le modèle à utiliser, vu le caractère anisotropique de ce dernier. Pour estimer l’énergie recue sur une surface incliné à partir des données concernant une surface horizontale, il faut :
– Séparer la composante directe et la composante diffuse puis ;
– Multiplier le rayonnement direct par le facteur d’inclinaison ;
– Tenir compte du fait que la surface ne voit qu’une partie de la voûte céleste mais qu’elle peut capter une partie du rayonnement diffus par le sol.
Notons que la méthode de LIU et JORDAN ne donne aucune information sur l’évolution du rayonnement solaire au cours d’un mois puisque celui-ci est ramené à 30 (ou 31) jours.
CAPTEURS SOLAIRES
DEFINITION
Les capteurs solaires sont des systèmes, qui captent et transforment l’énergie du rayonnement solaire en énergie thermique. Cette transformation est obtenue à l’aide des collecteurs thermiques. Dans le cas d’un séchage solaire, l’énergie calorifique peut être utilisée, pour sécher, à traiter ou à conserver des produits.
PRINCIPE
Le capteur solaire thermique transforme le rayonnement solaire qu’il reçoit en énergie calorifique utilisable. L’énergie est utilisée par un fluide caloporteur dont les plus utilisés sont l’eau et l’air. L’air est généralement utilisé pour le séchage et l’eau pour la climatisation. L’énergie solaire est captée par la surface absorbante du capteur solaire. Le fluide caloporteur absorbe et transmet une partie de l’énergie captée par l’absorbeur.
TYPES DES CAPTEURS PLANS
Les capteurs plans absorbent le rayonnement solaire à l’aide d’une plaque noire dit absorbeur et munie de fines conduites destinées au fluide caloporteur. La température de ce dernier, lorsqu’il traverse les conduites, augmente en raison de la chaleur reçue par la plaque absorbante. Il est constitué d’une couverture transparente en polycarbonate ou vitré, qui piège le rayonnement solaire thermique absorbé par la plaque noire qui chauffe les fluides caloporteurs à des températures inférieures à 100°C avec un rendement variant de 40% à 80 %.
Il existe différents types de capteurs solaires :
CAPTEURS PLANS SANS VITRAGE
Ils sont faits de plastique polymère noir et sont posés sur un support en bois ou sur un toit. Ces capteurs absorbent bien l’énergie solaire et les pertes thermiques vers l’environnement augmentent rapidement avec la température extérieure. Ils sont la plupart du temps utilisés pour des applications nécessitant une basse température (piscines, chaleur industriel,…) .
CAPTEURS PLANS AVEC VITRAGE
L’énergie solaire est emprisonnée dans le capteur à cause du vitrage (effet de serre). Ils sont utilisés pour des applications à température modérée (chauffage de l’eau sanitaire, chauffage des produits locaux,…).
CAPTEURS A TUBES SOUS VIDES
Ces capteurs solaires sont composés d’un absorbeur revêtu d’une surface sélective et enfermé sous vide dans un tube de verre. Le vide d’air dans les tubes réduit les pertes par convection et par conduction. Pour le reste, ces capteurs fonctionnent comme un capteur plan. Ils sont utilisés pour des applications nécessitant des températures moyennes ou hautes (eau chaude domestique, chauffage de locaux et applications de chauffage industriel pour des températures de 60°C à 80°C selon la température extérieure) .
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Table des matières
INTRODUCTION
1. PRESENTATION
2. ESTIMATION DES IRRADIATIONS SOLAIRES EN PRESENCE DE L’ATMOSPHERE
2.1 ESTIMATION DES IRRADIATIONS GLOBALES HORAIRES EN MOYENNE MENSUELLE SUR UNE SURFACE HORIZONTALE
2.1.1 Rayonnements globale, diffus et direct sur un plan horizontal
2.1.2 Calcul des valeurs journalières du rayonnement global
2.1.3 Les rapports du rayonnement
2.1.4 Algorithme pour simuler les rayonnements globaux et diffus horaires sur un plan horizontal
2.2 CALCUL DE L’ANGLE D’INCIDENCE DU SOLEIL SUR UN PLAN INCLINE ET D’ORIENTATION QUELCONQUE
2.3 ESTIMATION DU RAYONNEMENT RECU SUR UNE SURFACE INCLINE
2.4 RESULTATS ET INTERPRETATIONS
1. DEFINITION
2. PRINCIPE
3. TYPES DES CAPTEURS PLANS
3.1 CAPTEURS PLANS SANS VITRAGE
3.2 CAPTEURS PLANS AVEC VITRAGE
3.3 CAPTEURS A TUBES SOUS VIDES
4. CARACTERISTIQUES DES CAPTEURS PLANS
5. CALCUL DE LA PUISSANCE SOLAIRE TRANSMISE ET EFFECTIVEMENT ABSORBEE PAR L’ABSORBEUR
5.4 CALCUL DU COEFFICIENT DE TRANSMISSION-ABSORPTION DES RAYONNEMENTS DIRECT ET DIFFUS
5.5 LA PUISSANCE ABSORBEE
6. CALCUL GENERAL DES COEFFICIENTS D’ECHANGE THERMIQUE DES DIVERS ELEMENTS DU CAPTEUR
6.1 HYPOTHÈSES PARTICULIÈRES
6.2 CALCUL DES COEFFICIENTS D’ÉCHANGES THERMIQUES
7. MODELISATION DU CAPTEURS PLANS A AIR A SIMPLE VITRAGE
7.1 REPRESENTATION DE LA CAPTEUR
7.2 METHODE DE CALCUL
7.3 ANALOGIES ELECTRIQUES
7.4 DEMARCHES MATHEMATIQUES
7.5 APPLICATION
8. TRAITEMENTS INFORMATIQUES
8.1 LES SOUS-PROGRAMMES POUR LES CALCULS DE L’INSOLATEUR
8.2 EXEMPLE DES DONNEES POUR LES CALCULS DE L’INSOLATEUR
8.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
CONCLUSION
