Généralités sur le gisement solaire

Généralités sur le gisement solaire

Les énergies renouvelables et l’énergie solaire

Introduction:

L’énergie se considère comme un moteur de développement des sociétés et des pays. Aujourd’hui la politique énergétique est basée essentiellement sur le nucléaire et sur les énergies fossiles, alors que les menaces sur le climat sont pour une grande part dues à leur utilisation et que la consommation d’énergie ne cesse d’augmenter.D’autre part l’augmentation brutale du prix du pétrole survenue en 1973 a conduit une première fois l’homme à s’intéresser à des sources d’énergie renouvelables au premier rang parmi lesquelles l’énergie solaire. Les principales caractéristiques ayant suscité l’intérêt qu’on lui a porté à l’époque étaient sa gratuité, sa disponibilité sur une grande partie du globe terrestre et l’absence de risque d’épuisement connu par les sources d’énergie fossile.

Consommation d’énergie dans le monde 

Les besoins énergétiques de l’humanité n’ont cessé de croître avec son évolution : nous avons utilisé des ressources qui sont apparues avec le progrès scientifique telles que le charbon, le pétrole, le gaz ou encore le nucléaire.Actuellement les énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz) sont consommées bien plus rapidement qu’elles ne se forment dans la nature (figure II. 1), et il est estimé que les réserves mondiales seront épuisées vers 2030 si la consommation n’est pas radicalement modifiée, et au maximum vers 2100 si des efforts sont produits sur la production et la consommation.Etant donné que cette forme d’énergie couvre une grosse partie de la production énergétique actuelle, il s’avère nécessaire de trouver une autre solution pour prendre le relais.

Les énergies renouvelables

Définition 

Etant donnée l’absence de la définition unique, l’énergie renouvelable a une signification diverse pour différentes personnes.La définition de l’énergie renouvelable peut être largement comprise dans le nom même ; c’est une source d’énergie qui se régénère assez rapidement pour être considérée comme inexhaustible à l’échelle humaine.L’énergie renouvelable est une énergie qui est dérivée d’un approvisionnement rempli constamment et naturellement dans une période relativement courte.Il y en a plein autour de nous. Au-dessus de nos têtes et même sous nos pieds !On s’en sert depuis des milliers d’années et on continuera encore longtemps si on respecte bien la nature, les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la lune (marée) et la terre (énergie géothermique).Les énergies renouvelables constituant les moyens sur lesquels s’inscrit le futur des activités économiques, elle est appelée « Energie propre» dont l’impacte sur l’environnement est limité sur l’émission des gaz à effet de serre.Comparé aux énergies classiques (fossiles et nucléaires), les énergies renouvelables présentent le double avantage de ne pas être source d’émissions de gaz à effet de serre lors de leur utilisation et de présenter des gisements renouvelables donc inépuisables. Ce sont des énergies de flux, par opposition aux énergies dites de stock (gaz, fioul, charbon, uranium, ..) dont les gisements sont limités. Ce sont par ailleurs des énergies locales participant au développement local et créateur d’emplois.

Importance des énergies renouvelable 

L’intérêt des énergies renouvelables pour le monde tient à trois facteurs.
• L’augmentation du prix du pétrole:
En effet, peu de pays sont producteurs de pétrole et la plupart de ceux qui en produisent sont des producteurs marginaux. Les pays importateurs aux économies faibles peuvent difficilement faire face aux flambées des prix du pétrole.
• La crise des compagnies d’électricité:
La plupart des compagnies d’électricité du continent sont en crise ce qui conduit à un rationnement dans la fourniture et à des coupures intempestives d’électricité (surtout en Afrique). La nécessité de diversifier les sources de production de l’énergie électrique s’impose.
• La prise de conscience de l’impact des énergies fossiles sur l’environnement au niveau mondial: Les initiatives environnementales issues d’une part du programme Action 21 de la Conférence des Nations Unies sur l’environnement et le développement durable tenue à Rio de Janeiro en 1992 et d’autre part de la Convention des Nations Unies sur les changements climatiques ainsi que le protocole de Kyoto sur la réduction des gaz à effet de serre ont suscité la prise de conscience en Afrique de l’importance des énergies renouvelables pour la préservation de l’environnement.
C’est aussi très important de citer le facteur du comportement des consommateurs qui joue un rôle significatif étant donné que le caractère renouvelable d’une énergie dépend non seulement de la vitesse à laquelle la source se renouvelle, mais également de la rapidité à laquelle elle est consommée.

Les différents types d’énergies renouvelables 

Les sources renouvelables d’énergie sont désignées comme une énergie disponible, à partir de conversion énergétique permanent et naturel, économiquement exploitable dans les conditions actuelles ou dans un avenir prévisible. [13]
Les sources d’énergie renouvelables sont :

Energie éolienne 

l’énergie éolienne est l’énergie du vent et plus spécifiquement, l’énergie tirée du vent au moyen d’un dispositif aérogénérateur comme une éolienne ou moulin à vent. Elle peut être utilisée de deux manières : directe et indirecte.
 Conversation de l’énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule, pour pomper de l’eau (moulins de Majorque, éolienne de pompage pour abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d’un moulin.
 Transformation en énergie électrique : l’éolien est accouplée à un générateur électrique pour fabriquer un courant continu ou alternatif, la générateur est relié à un réseau électrique ou bien il fonctionne de manière autonome avec un générateur d’appoint (par exemple un groupe électrogène) ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d’énergie.
Figure II. 3: Une éolienne

Energie solaire 

le rayonnement solaire direct ou diffus parvenant sur une surface, rayonnement infrarouge. C’est l’énergie du soleil qui atteint la terre sous la forme du rayonnement d’onde courte, de lumière visible et de lumière ultra-violette proche. Après la pénétration dans l’atmosphère, une part de l’énergie chauffe la surface de la terre et l’autre part re-rayonnée retourne sous forme de rayonnement longue-onde qui est absorbé par la vapeur d’eau et le dioxyde carbonique dans l’atmosphère. [14]
L’énergie photovoltaïque peut être désignée comme l’énergie récupérée et transformée directement en électricité à partir de la lumière du soleil par des panneaux photovoltaïque.
Applications thermiques de l’énergie solaire : architecture solaire (ensemble des solutions architecturales permettant la collecte, le stockage et le distribution de l’énergie solaire incidente sur le bâtiment), chauffage solaire passif (système utilisant directement les composants du bâtiment, ex : fenêtres convenablement orientées et actif (système utilisant des capteurs solaires pour transférer une part de l’énergie solaire incidente sur un bâtiment à fluide caloporteur, l’énergie thermique ainsi collectée est stockée et redistribuée par un système de chauffage classique), chauffage eau solaire, bassin solaire, séchage solaire, cuisinière solaire, four solaire…etc.

Energie de l’eau (hydraulique) : on peut distinguer 

 Energie des vagues : utilise la puissance du mouvement des vagues.
 Energie marémotrice : issue du mouvement de l’eau crée par les marées (variations du niveau de la mer, courants de marrée).
 Energie hydrolienne : les hydroliennes utilisent les courants sous marins.
 Energie des océans : énergie qui peut être mise en œuvre par une exploitation de certaines caractéristiques physiques ou chimiques des mers ; énergie des marées, énergie des vague, courants marins…etc.
Ce type d’énergie est utilisé pour la production d’énergie mécanique ou électrique.

Energie géothermique 

courant de chaleur à l’intérieur de la terre vers la surface de cette dernière résultant des températures élevées régnant au sein des profondeurs terrestres qui sont provoquées par le magma, le pluton, la décomposition naturelle d’éléments radioactifs dans la croute terrestre.
Par rapport aux autres énergies renouvelables, la géothermie présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). Les gisements géothermiques ont une durée de vie plusieurs dizaines d’années
Figure II. 4: Energie géothermique

 Energie de la biomasse 

Masse de matière organique non fossile d’origine biologique, une partie de ce gisement peut être éventuellement exploitable à des fins énergétiques.Bien que les différentes formes d’énergies de biomasse soient classées comme renouvelables, il faut noter que leur taux de renouvellement est variable ; il est modulé par les cycles saisonnières et journaliers du flux solaire, les aléas climatiques, les techniques culturales ou le cycle de croissance des plantes, et peut être affecté par une exploitation trop intense.La biomasse est la fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, y compris les substances végétales et animales, de la sylviculture et des industries connexes ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers. [15]
On distingue :
 Biomasse primaire : ensemble de végétaux à croissance plus ou moins rapide utilisables directement ou après un processus de conversion pour produire de l’énergie.
 Biomasse secondaire : ensemble des résidus d’une première exploitation de la biomasse pour l’alimentation humaine ou animale, ou pour des activités domestiques ou agroindustrielles qui lui ont fait subir des transformations. Ces résidus sont principalement les fumiers, lisiers, boues d’épuration des effluents, déchets agricoles et déchets forestiers.

Les énergies renouvelables en Algérie 

Les questions de la disponibilité et du coût des énergies fossiles devenant problématiques, l’Algérie envisage leur substitution progressive par des sources d’énergie inépuisables. Le marché des énergies renouvelables est prometteur et leur promotion constitue l’un des axes de la politique énergétique et environnementale du pays.
Dans notre pays, les énergies renouvelables n’ont pas connu le développement que permet leur disponibilité, et qu’impose leur importance pour le développement économique et social.
Trois raisons principales plaident en faveur d’un développement des énergies renouvelables en Algérie :
Elles constituent une solution économiquement viable pour fournir des services énergétiques aux populations rurales isolées notamment dans les régions du Grand Sud.
Elles permettent un développement durable du fait de leur caractère inépuisable, et de leur impact limité sur l’environnement et contribuent à la préservation de nos ressources fossiles.
La valorisation de ces ressources énergétiques ne peut qu’avoir des retombées positives en matière d’équilibre régional et de création d’emplois.
La loi sur la maîtrise de l’énergie de juillet 1999 affiche la volonté des pouvoirs publics pour une redynamisation de la politique énergétique et fixe un nouveau cadre juridique pour la gestion et l’orientation de la demande d’énergie à tous les niveaux de la chaîne énergétique. [17]

L’énergie solaire 

L’énergie solaire est l’énergie que dégage le soleil sous forme de rayonnement, direct ou diffus. Sur terre l’énergie solaire est à l’ origine du cycle de l’eau et du vent, le règne végétal dont dépend le règne animal, l’utilise également en la transformant en énergie chimique par la photosynthèse. Grâce aux diverses exécutions, elle peut être transformée en une autre forme d’énergie utile pour l’activité humaine, notamment en chaleur, en électricité ou en biomasse. Par extension, l’expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l’électricité ou l’énergie thermique obtenue à partir du rayonnement solaire.
La source :
Le Soleil est à l’origine de nombreuses énergies renouvelables. Son rayonnement constitue en lui-même une énergie exploitable. Ce rayonnement donne aussi naissance à d’autres formes d’énergie, elle dépend de plusieurs facteurs :
 De la saison :
L’angle d’incidence des rayons solaires avec l’horizontale et la longueur du jour varie en cours d’année. Or la quantité d’énergie reçut par une surface dépend de l’angle d’incidence. La quantité d’énergie se répartit donc de façon inégale dans le temps, c’est la succession des saisons et dans l’espace, c’est le découpage du globe en grandes zones climatiques.
 De la localisation géographique :
Pour atteindre chaque point de la surface éclairage du globe (1/2 sphère) les rayons lumineux doivent traverser une couche atmosphérique d’épaisseur variable selon la position géographique du lieu.
La connaissance du nombre d’heures d’ensoleillement annuel en un point ne suffit pas à déterminer le potentiel solaire en ce point, car cet ensoleillement peut présenter des caractéristiques très variables selon l’heure et la saison (soleil plus ou moins bas sur l’horizon) et selon l’état de l’atmosphère.
 Elle dépend aussi de l’état du ciel :
Un ciel clair peu nuageux va présenter une bonne transmission de l’énergie à la surface du sol qu’un ciel couvert et gris.
L’énergie solaire est inépuisable, non polluante et gratuite, elle peut être captée et transformée en chaleur ou en électricité grâce à des capteurs adaptés. Alors on distingue deux types d’énergie solaire.

L’Algérie et l’énergie solaire

La situation géographique de l’Algérie dispose un gisement solaire élevé au monde ce qui conduit notre pays à utiliser cette source pour les énergies quotidiennes (chaleur, électricité, climatisation….).
La durée d’insolation sur le quasi totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et peut atteindre les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara). Cet avantage conduit notre pays à intégrer pleinement cette source d’énergie dans la stratégie de développement, notamment comme moyen de réduire les disparités économiques entre les différentes régions du pays.
Figure II. 5: Irradiation globale journalière reçue sur un plan horizontale au mois de juillet en Algérie.

Conclusion :

Dans le monde, la consommation d’énergie ne cesse de croître avec l’évolution de l’humanité. Nous avons commencé par une présentation de la quantité consommé d’énergie dans le monde, la quantité d’énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz), mais leurs consommation cause des problèmes pour notre planète (pollution, réchauffement climatique…) et leurs réserves mondiales sont limitées alors l’homme a cherché d’autres sources d’énergies propres et surtout gratuites pour les prochaine générations (énergie solaire, éolienne, biomasse, géothermique et hydraulique).
Nous avons présenté l’importance d’énergie solaire et à la fin on a démontré que notre pays l’ALGERIE dispose un grand gisement solaire

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I : Généralités sur le gisement solaire
I.1Introduction
I.2 Rappel sur le transfert de chaleur
I.2.1 La conduction
I.2.2 La convection
I.2.3 Le rayonnement
I.3 Aperçu sur la source du rayonnement (Le soleil)
I.4 Géométrie terre-soleil
I.4.1 Le système terre-soleil
I.4.2 La constante solaire
I.5 Sphère céleste
I.6 Coordonnées célestes
I.6.1 Coordonnées géographiques
I.6.2 Coordonnées horaires
I.6.3 Coordonnées horizontales
I.7 Temps solaire
I.7.1 Temps solaire vrai (TSV)
I.7.2 Temps solaire moyen
I.7.3 Temps civil
I.7.4 Temps universel
I.7.5 Temps légal
I.8 Estimation horaire de l’ensoleillement
I.8.1 Répartition du rayonnement solaire
I.8.2 Direction du rayonnement solaire
I.9 Caractéristiques géographiques de la ville de Tlemcen
I.10 Conclusion
Chapitre II : Energies renouvelables et énergie solaire
II.1 Introduction
II.2 Consommation d’énergie dans le monde
II.3 Les énergies renouvelables
II.3.1 Définition
II.3.2 Importance des énergies renouvelables
II.3.3 Les différents types d’énergie renouvelable
II.3.3.1 Energie éolienne
II.3.3.2 Energie solaire
II.3.3.3 Energie de l’eau (hydrolique)
I.3.3.4 Energie géothermique
II.3.3.5 Energie de la biomasse
II.4 Les énergies renouvelables en Algérie
II.5 L’énergie solaire
II.6 L’Algérie et l’énergie solaire
II.7 Conclusion
Chapitre III : Les capteurs solaires
III.1 Historique
III.2 Les effets de l’énergie solaire
III.3 Conversion photovoltaïque
III.3.1 La cellule photovoltaïque
III.3.1-1 Historique
III.3.1-2 Description
III.3.2 Principe de la conversion photovoltaique
III.3.3 Les différentes technologies
III.3.3-1 Cellule en silicium monocristallin
III.3.3-2 Cellule en silicium polycristallin
III.3.3-3 Cellule en silicium amorphe
III.3.4 Systèmes photovoltaique : avantes et limites
III.3.4-1 Avantages
III.3.4-2 Limites
III.4 Conversion thermique
III.4.1 Les capteurs solaires thermique
III.4.1.1 Définition
III.4.1.2 Le principe de fonctionnement d’un capteur thermique
III.4.1.3 L’effet de serre
III.4.2 Les types des capteurs solaires
III.4.2.1 Les capteur plans non vitrés dit ‘capteur moquette’
III.4.2.2 Les capteurs plans avec vitrage
III.4.2.3 Les capteurs sous vide
III.4.3 Les capteurs solaire plans
III.4.3.1 Description du capteur plan
III.4.3.1-1 Le vitrage (couvercle)
III.4.3.1-2 L’absorbeur
III.4.3.1-3 L’isolant
III.4.3.1-4 Le fluide caloporteur
III.4.3.1-5 Le boitier
III.5 Les paramètres influant sur le fonctionnement d’un capeur 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 Ryonnement solaire
III.5.2.3 Tempèrature
III.5.2.4 Vitesse du vent
III.6 Pertes thermiques dans un capteur solaire plan
III.6.1 Pertes par convection
III.6.2 Pertes par conduction
III.6.3 Pertes par rayonnement
III.6.4 Evaluation du coefficient des pertes vers l’avant
III.6.5 Evaluation du coefficient des pertes vers l’arrière
III.6.6 Evaluation du coefficient des pertes latérales
III.7 Capteurs solaire par concentration
III.7.1 Capteur solaire parabolique
III.7.2 Capteur solaire cylindro-parabolique
III.7.3 Centrale à tour
III.8 Conclusion
Chapitre IV : Chauffage solaire de l’habitat
IV.1 Introduction
IV.2 La production directe de chaleur pour l’habitat
IV.2.1 Le chauffe-eau solaire
IV.2.2 Le chauffage solaire des maisons
IV.2.3 Le mur Trombe-Michel
IV.3 Rudiment d’un système de chauffage solaire
IV.4 Systèmes de chauffage solaire passifs
IV.5 Systèmes de chauffage solaire actifs
IV.5.1 Système de chauffage solaire actif à eau/à air
IV.6 Système de capteurs solaires
IV.6.1 Installation des capteurs solaires
IV.6.2 Protection contre le gel
IV.7 Système de stockage
IV.7.1 Le stockage sous forme de chaleur de latente
IV.7.2 Le stockage sous forme de chaleur sensible
IV.7.3 Stockage journalier et stockage saisonnier
IV.8 Système de distribution
IV. 9 Quelques caractéristiques climatiques du site de Tlemcen
IV. 9. 1 L’humidité relative
IV. 9. 2 Vitesse de l’air
IV. 9. 3 Adaptation de la ressource aux besoins.
IV. 9. 4 La bâtisse à chauffer
IV. 10 Description de l’Installation étudiée
IV. 10. 1 Principe de fonctionnement
IV. 10. 1. 1 Système solaire
IV. 10. 1. 1. 1Différents organes de sous système solaire
IV.10. 1. 2 Système de distribution
IV. 10. 2 Bilans énergétiques des sous système
IV. 10. 2. 1 Sous système de captage solaire
IV. 10. 2. 1 Sous Système de stockage
Chapitre V : Simulation, interprétations des résultats et discussions
V. 1 Introduction
V. 2 Dévloppement du modèle TRNSYS
V. 3 Simulation
V. 3. 1 Hypothèses et simplifications
V. 4 Caractéristique des composants utilisés par TRNSYS16.
V. 4. 1 L’installation de chauffage sur le TRNSYS
V. 4. 2 Le capteur solaire plan
V. 4. 3 Le ballon de stockage
V. 4. 4 L’échangeur de chaleur
V. 4. 5 Structure multi-zone
V.5 Les étapes de simulation de TRNSYS
V. 6 Calcule des déperditions totales de cet habitacle
V. 6. 1 La déperdition volumique de la salle
V. 6. 2 Les besoins de chauffage
V. 7 Les résultats de simulation et interpretation
V. 7. 1 Les résultats de la production d’eau chaude pour l’habitat
V. 7. 2 Les résultats du chauffage de l’habitat
V. 8 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Résumé

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