Gisement solaire et phénomènes de conversion thermo-solaire

Gisement solaire et phénomènes de conversion thermo-solaire

Le soleil

Le soleil est une sphère de matière gazeuse intensément chaude avec un diamètre de 1,39×109 m et est, en moyenne, à 1,5 x 1011 m de la terre. Comme on le voit de la terre, le soleil tourne sur son
axe environ une fois toutes les 4 semaines. Cependant, il ne tourne pas comme un corps solide ;
L’équateur prend environ 27 jours et les régions polaires prennent environ 30 jours pour chaque rotation.
Le soleil a une température efficace de corps noir de 5777 K. La température dans les régions intérieures centrales est estimée de manière variée à 8 × 106 à 40 × 106 K et la densité est estimée à environ 100 fois celle de l’eau. Le soleil est, en effet, un réacteur de fusion continu avec ses gaz constitutifs comme «récipient» retenu par les forces gravitationnelles. Plusieurs réactions de fusion ont été suggérées pour alimenter l’énergie rayonnée par le soleil. Celui considéré comme le plus important est un procédé dans lequel l’hydrogène (c’est-à-dire quatre protons) se combine pour former de l’hélium (c’est-à-dire un noyau d’hélium) ; La masse du noyau d’hélium est inférieure à celle des quatre protons, la masse ayant été perdue dans la réaction et convertie en énergie.

Rayonnement solaire sur un plan incliné

Généralement, sous diverses conditions les capteurs solaires sont installés suivant une inclinaison et une orientation fixes. Cette dernière est choisie vers le sud ou le nord, suivant la situation géographique du site considéré par apport à l’équateur. Ceci étant, pour que les capteurs puissent absorber le maximum d’énergie au voisinage de midi, temps solaire vrai (TSV), là où la hauteur du soleil est au zénith et les valeurs de l’éclairement solaire sont maximales. Par ailleurs, pour pouvoir répondre aux besoins énergétiques et optimiser le rendement global du système, le champ de capteurs doit d’une part avoir une surface suffisante et d’autre part des caractéristiques thermomécaniques devant être les meilleurs possibles ainsi de capter le maximum d’énergie solaire durant la journée. Les paramètres permettant de satisfaire cette dernière condition sont l’inclinaison et l’orientation du champ de capteurs. Une des meilleures solutions proposées, c’est d’orienter le champ de capteurs vers le sud (hémisphère nord) et d’incliner sa structure suivant un angle optimale pré calculé pour le site considéré. Par conséquent, les concepteurs de système ont besoin des données de l’ensoleillement solaire sur les surfaces inclinées ; mesurées ou estimées les données de l’éclairement solaire, cependant, sont la plupart du temps disponibles sur les surfaces normales ou sur les surfaces horizontales. Par conséquent, on a un besoin de convertir ces données sur les surfaces inclinées.

Capteur solaire plan

Un collecteur solaire est un échangeur de chaleur spécial qui transforme l’énergie radiante solaire en chaleur. Un collecteur solaire diffère à plusieurs égards des échangeurs de chaleur plus conventionnels. Ces derniers effectuent habituellement un échange fluide-fluide avec des taux de transfert de chaleur élevés et avec un rayonnement comme facteur sans importance. Dans le collecteur solaire, le transfert d’énergie provient d’une source éloignée d’énergie rayonnante vers un fluide. Le flux de rayonnement incident est, au mieux, d’environ 1100 W / m2 (sans concentration optique), et il est variable. La plage de longueur d’onde est de 0,3 à 3 μm, ce qui est considérablement plus court que celui du rayonnement émis par la plupart des surfaces absorbantes. Ainsi, l’analyse des collecteurs solaires présente des problèmes uniques de flux d’énergie faible et variable et l’importance relativement importante du rayonnement.
Les capteurs solaire plan peuvent être conçus pour des applications nécessitant une livraison d’énergie à des températures modérées, jusqu’à peut-être 100°C au-dessus de la température ambiante. Ils utilisent le rayonnement solaire et le rayonnement solaire diffus, ne nécessitent pas de suivi du soleil et nécessitent peu de maintenance.

Capteur solaire à concentration

Un capteur à concentration est un capteur solaire comportant un système optique (réflecteur, lentilles, …) destiné à concentrer sur l’absorbeur le rayonnement ayant traversé l’ouverture.
Un capteur cylindro-parabolique est un capteur à concentration à foyer linéaire utilisant un réflecteur cylindrique de section parabolique. Image Un capteur paraboloïde est un capteur à concentration utilisant un réflecteur en forme de paraboloïde de révolution.
Un capteur CPC (Compound Parabolic Concentrator) 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.
Un héliostat est un instrument comportant un miroir plan ou légèrement concave qui permet de réfléchir les rayons du Soleil dans une direction fixe malgré le mouvement diurne.
Un four solaire est un dispositif dont l’élément essentiel est un miroir concave de grand diamètre qui concentre le rayonnement solaire et permet d’obtenir des températures très élevées au foyer.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Gisement solaire et phénomènes de conversion thermo-solaire
Introduction
1. Le soleil
1.1. La constante solaire
2. Définition
3. Direction de rayonnement
4. Rayonnement solaire sur un plan incliné
4.1. L’angle d’incidence du rayonnement direct sur un plan incliné
5. Capteur solaire plan
5.1. Description du capteur solaire plan
5.2. Applications des capteurs solaires plans à air
6. Amélioration des performances des capteurs solaires plans
6.1. Capteur solaire à concentration
6.2. Coefficient de concentration géométrique
6.3. Géométrie de base
7. Application des CPC à des dispositifs solaires
7.1. Tube sous vide
7.2. Capteur Photovoltaïque
8. Potentiel solaire en Algérie
Conclusion
Chapitre 2 : Recherche bibliographique
Introduction
1. Capteur solaire plan à air avec vitrage
2. Capteur solaire plan à air sans vitrage
3. Capteur solaire plan à air d’un seul passe avec cavité
4. Capteur solaire plan à air de double passe avec un seul vitrage
5. Concentrateur parabolique composé
Conclusion
Chapitre 3 : Formulation mathématique de capteur solaire plan à air couplé avec CPC
1. Modèles géométriques
2. Hypothèses simplificatrices
2.1. Schémas des échanges thermiques
2.1.1. Capteurs solaire plan sans CPC
2.1.2. Capteur solaire plan avec CPC
3. Bilan énergétique
3.1. Capteurs plans sans CPC
3.2. Capteurs plans avec CPC
4. Calcul des Coefficients de transfert de chaleur
5. Rendement thermique et Optique
6. Discrétisation
7. Méthode de résolution et linéarisation
8. Algorithme de calcul et organigrammes
Chapitre 4 : Résultats, discussions et interprétations
1. Validation de programmation
2. L’effet du CPC
3. Etude paramétrique
3.1. Influence de coefficient de concentration (??)
3.2. Influence du débit massique
3.3. Influence de profondeur de canal

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