Soutenance mémoire
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 desquelles l’énergie solaire. Aujourd’hui face à l’épuisement des énergies fossiles et un prix du pé trole qui a atteint des niveaux insupportables, notamment pour les pays en développement, les économies fragiles subissent d e graves perturbations pour leur approvisionnement en matière de carburant, gaz butane, , etc.….
Cette situation pousse les populations à recourir au charbon de bois pour la cuisson, ce qui favorise le déboisement et l’avancé du désert. Ainsi notre étude s’appuie sur cet ensemble de considérations pour apporter une solution afin de réduire la dépendance des sociétés vis-à-vis des énergies fossiles. Il concerne principalement l’étude de l’utilisation de l’énergie solaire pour la production de chaleur au sein d’un capteur à double vitrage ayant des faces latérales inclinées. La double couverture permet de limiter les déperditions par convection. Les faces latérales inclinées et recouvertes d’un mince film d’aluminium réfléchissent le rayonnement solaire incident sur l’absorbeur. Nous avons choisi d’étudier ce modèle de capteur plutôt que celui d’un capteur plan parce qu’il est susceptible d’être utilisé directement comme séchoir de produits agro-alimentaires ou comme stérilisateur dans le domaine médical. Ces applications présentent un intérêt important dans le monde rural.
GENERALITES SUR LES TRANSFERTS DE CHALEUR
La thermodynamique permet de prévoir la quantité d’énergie échangée entre un système et l’extérieur pour passer d’un état d’équilibre à u n autre. La thermique se propose elle de décrire quantitativement (dans l’espace et dans le temps) l’évolution de la température d’un système entre l’état d’équilibre initial et l’état d’équilibre final. Les transferts thermiques s’effectuent selon trois processus :
– la conduction,
– la convection,
– et le rayonnement.
DEFINITION
Champ de Température
Les transferts de chaleur sont déterminés à partir de l’évolution dans l’espace et dans le temps de la température : T= f(x, y, z, t). La valeur instantanée de la température en tout point de l’espace est un scalaire appelé champ de température. Nous distinguons deux cas :
● Champ de température indépendant du temps : régime permanent ou stationnaire,
● Evolution du champ de température avec le temps : régime variable ou instationnaire .
TRANSFERT PAR CONVECTION
La convection est un échange thermique entre la surface d’un solide (ou d’un liquide) et un fluide en mouvement. Les transferts de chaleur qui s’effectuent simultanément avec des transferts de masse volumique sont dits transferts de chaleur par convection. Selon la nature du mécanisme qui provoque le mouvement du fluide on distingue :
La convection naturelle ou libre
Le fluide est mis en mouvement sous l’effet de la différance de température à la surface et d’un champ de forces extérieures (pesanteur). Ici les équations de la dynamique et de la thermique sont fortement couplées puisque c’est la poussée d’Archimède née du champ de température qui génère l’écoulement et il n’existe pas à priori de vitesse de référence.
La convection forcée
Le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des différences de température (pompe, moteur, ventilateur, …). Dans ce cas-ci, il est souvent possible de découpler les équations de la dynamique et de celles de la thermique. On a deux situations :
✦ A faibles vitesses : Régime d’écoulement «Laminaire ». Les trajectoires des particules sont distinctes ; on peut définir à chaque instant et en chaque point la vitesse et la température du fluide.
✦ A partir d’une vitesse critique les trajectoires se coupent et se m élangent: on a un régime d’écoulement « Tourbillonnaire » ou « Turbulent ». Il n’est plus possible de prédire la vitesse et la température d’un fluide à un instant donné, seules leurs valeurs moyennes peuvent être connues.
En général :
• Petit diamètre : Régime Laminaire,
• Gros diamètre : Régime rapidement Turbulent.
N.B : Quel que soit le type de convection (libre ou forcée) et quel que soit le régime d’écoulement du fluide (laminaire ou turbulent) .
Les grandeurs physiques associées au rayonnement sont classées suivant deux critères :
─ La distribution spectrale du rayonnement : Directivité
• Si la grandeur caractérise une direction donnée de propagation, elle est dite directionnelle.
• Par contre si elle est relative à l’ensemble des directions de l’espace, elle est dite hémisphérique.
─La répartition spectrale du rayonnement : Monochromaticité
• Si la grandeur concerne un intervalle dλ autour d’une longueur d’onde, elle est dite spectrique
• Si elle est relative à l’ensemble du spectre, elle est dite totale.
ENERGIE SOLAIRE
Aspects géométriques
Le flux reçu par un plan incliné placé à la surface de la terre et orienté dans une direction fixée dépend des aspects géométriques du rayonnement solaire intercepté par la terre. La connaissance de ce flux est la base du dimensionnement de tout système solaire.
Temps solaire
Temps sidéral
Le temps sidéral est défini par rapport aux étoiles. Le jour sidéral correspond à la période de rotation de la terre sur elle-même. C’est le temps qui sépare deus passages consécutifs d’une étoile au méridien du lieu d’observation.
Temps solaire vrai TSV
Le temps solaire vrai est défini par rapport au soleil. Le jour solaire vrai est le temps qui s’écoule entre deux passages successifs du soleil au méridien d’observation. Les points situés sur le même méridien ont le même temps. L’origine de ce temps est prise lorsque le soleil est au zénith. Le jour solaire ainsi défini est variable en raison de la variation de la vitesse de la terre sur sa trajectoire autour du soleil. D’où la nécessité de définir un temps constant.
Temps solaire moyen TSM
Ce temps est définit par rapport à un soleil fictif autour duquel la terre se déplace à vitesse constante et qui passe chaque année, au même instant que le soleil réel au point vernal (intersection de l’écliptique et de l’équateur céleste). La journée solaire moyenne est donc constante (24 H). Son origine est midi comme tous les sidéraux.
Temps universel TU
C’est le temps solaire moyen du méridien de Greenwich pris comme origine. La terre est alors divisée en 24 fuseaux de 15° de longitude chacun, numérotés en heure vers l’Est de 0 à 23 et correspond à des décalages d’une heure par rapport au méridien 0.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES TRANSFERTS DE CHALEUR
I-1. Introduction
I-2. Définition
2-1. Champ de Température
2-2. Flux Thermique : Densité de flux thermique
I-3. Bilan thermique
3-1. Expression des flux d’énergie
3-1-1. Stockage d’énergie
3-1-2. Génération d’énergie
3-1-3. Conduction
3-1-4. Convection
3-1-5. Rayonnement
I-4. Transfert par convection
4-1. Généralités : Contact entre un milieu immobile et un fluide en mouvement
4-2. Définition
4-2-1. La convection naturelle ou libre
4-2-2. La convection forcée
4-3. Méthodes d’étude de la convection
4-3-1. Calcul du flux de chaleur en convection naturelle
4-3-2. Calcul du flux de chaleur en convection forcée
I-5. Transfert par rayonnement
5-1. Généralités
5-2. Définitions
5-2-1. Définitions relatives aux sources du rayonnement
5-2-2. Définitions relatives à un récepteur
5-2-3. Corps noir, Corps gris
5-3. Lois du rayonnement
5-3-1. Loi de Lambert
5-3-2. Lois physiques
5-4. Rayonnement réciproques de plusieurs surfaces
5-4-1. Facteur de forme
5-4-2. Echanges radiatifs entre corps noirs : Flux net perdu
5-4-3. Echanges entre surfaces grises
CHAPITRE II : ENERGIE SOLAIRE
II-1. Aspects géométriques
1-1. Temps solaire
1-1-1. Temps sidéral
1-1-2. Temps solaire vrai
1-1-3. Temps solaire moyen
1-1-4. Temps universel
1-1-5. Equation du temps
1-2. Coordonnées du soleil
II-2. Aspects énergétiques
2-1. Caractéristiques du rayonnement solaire
2-2. Rayonnement solaire à la traversée de l’atmosphère
2-2-1. Influence de l’atmosphère
2-2-2. Rayonnement de l’atmosphère
2-3. Rayonnement solaire reçu sur le sol
2-3-1. Le rayonnement direct
2-3-2. Le rayonnement diffus
2-3-3. Le rayonnement global
2-3-4. Notion d’albédo
2-4. Bilan énergétique
2-5. Estimation du rayonnement reçu par une surface
2-5-1. Eclairement direct
2-5-2. Eclairement diffus
2-6. Température extérieure
2-7. Mesure du rayonnement solaire
CHAPITRE III : CARACTERISATION THEORIQUE DU CAPTEUR SOLAIRE PLAN
III-1. Le modèle
III-2. Etude du champ thermique dans le capteur
2-1. Généralités
2-2. Bilans Energétiques
2-2-1. Bilan énergétique de la vitre externe
2-2-2. Bilan énergétique sur la vitre interne
2-2-3. Bilan énergétique de l’absorbeur
III-3. Résolution du problème par la méthode de discrétisation
CHAPITRE IV : APPLICATION AU CAISSON
IV-1. Description et étude des systèmes
1-1. Le coffre
1-2. Le bac intérieur
1-3. Le couvercle
1-4. L’isolation
IV-2. Etude du champ thermique dans le caisson
2-1. Bilan thermique de la couverture externe
2-2. Bilan thermique de la couverture interne
2-3. Bilan thermique de l’absorbeur
IV-3. Résolution du problème par la méthode de discrétisation
IV-4. Résolution numérique
IV-5. Résultat de la simulation
IV-6. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
