Laboratoire Thermodynamique Thermique et Combustion

Depuis les révolutions industrielles, le monde entier se basait sur l’exploitation des sources d’énergie fossiles telles que le pétrole, le gaz naturel ou encore le charbon. Ces 3 ressources représentaient, à eux seuls, 80 % des énergies consommées dans le monde. Si on prend le cas du pétrole, surnommé l’or noir, sa consommation a augmenté de 11 %après le premier choc pétrolier (1973) jusqu’ au début des années 2000 en dépit de l’augmentation de son prix. Et on estime que cette consommation va encore augmenter de 30 à 40 % à l’horizon 2030 en dépit de sa production qui est à son sommet en ce moment. [1] Mais étant des énergies fossiles, leur utilisation provoque une émission de CO2 dans la nature. Ce qui constitue la principale cause de propagation des Gaz à Effet de Serre (GES) dans notre atmosphère (GES).Pour Madagascar, les coûts du pétrole et du gaz naturel sont très onéreux, ce qui rend encore leur utilisation hors portée des ménages locaux. C’est pourquoi la plupart des populations, bien que ruraux ou urbains, utilisent le charbon de bois notamment pour l’énergie domestique. Ainsi, Madagascar est parmi les pays les plus exposés au réchauffement climatique. Pour remédier à cela, on doit tourner vers des nouvelles sources d’énergies, dites renouvelables et qui préservent l’environnement terrestre. Nous pouvons citer, entre autres, l’énergie solaire, l’éolienne, la géothermique, la marée motrice ou encore la biomasse. En ce qui concerne Madagascar, on possède un peu de tous les potentiels de ces nouveaux types d’énergie même si c’est le solaire qui prédomine vu notre position géographique. Le soleil étant une étoile ayant une source d’énergie colossale, l’homme essaie de l’exploiter au fil de son histoire en l’utilisant pour différentes raisons, à savoir la cuisson, le séchage dans les civilisations archaïques. Mais plus tard, on l’exploite pour produire de l’électricité même si son coût d’exploitation est nettement supérieur à ceux d’autres sources d’énergie malgré son abondance.

Laboratoire Thermodynamique Thermique et Combustion

Ce mémoire a été réalisé dans le Laboratoire de Thermodynamique, Thermique et Combustion (LTTC) de la Mention Physique et Applications du Domaine Sciences et Technologies de l’Université d’Antananarivo où nous avons fait notre stage de fin d’étude en partenariat avec le Laboratoire d’Énergétique de l’Institut pour la Maîtrise de l’Énergie (IME) de l’Université d’Antananarivo Le Laboratoire LTTC est l’un de sept (07) laboratoires de recherche de la Mention Physique et Applications du Domaine Sciences et Technologies de l’Université d’Antananarivo. Différentes activités de recherche y sont effectuées. Mais de manière générale, ledit laboratoire permet aux étudiants et chercheurs de réaliser leur projet de fin d’étude et de développer leurs travaux de recherche. Ce laboratoire est placé sous la responsabilité par Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur Titulaire à l’Université d’Antananarivo.

Arduino

Présentation d’Arduino
Arduino est un projet créé par une équipe de développeurs composée de six individus : Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis et Nicholas Zambetti. Cette équipe a créé le « système Arduino ». C’est un outil qui va permettre aux débutants, amateurs ou professionnels de créer des systèmes électroniques plus ou moins complexes.

But et utilité
Le système Arduino nous donne la possibilité d’allier les performances de la programmation à celles de l’électronique. Plus précisément, nous allons programmer des systèmes électroniques. Le gros avantage de l’électronique programmée : c’est qu’elle simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la réalisation, mais aussi la charge de travail à la conception d’une carte électronique. L’utilité est sans doute quelque chose que l’on perçoit mal lorsque l’on débute, mais une fois que l’on est rentré dans le monde d’Arduino, on est fasciné par l’incroyable puissance dont il est question et des applications possibles.

Applications
Le système Arduino nous permet de réaliser un grand nombre de choses qui ont une application dans tous les domaines. Effectivement, l’étendue de l’utilisation d’Arduino est gigantesque. Nous avons quelques exemples de ses utilisations :
• Contrôler les appareils domestiques,
• Fabriquer son propre robot,
• Faire un jeu de lumières,
• Communiquer avec l’ordinateur,
• Télécommander un appareil mobile (modélisme).

Avec Arduino, nous pouvons faire des systèmes électroniques tels qu’une bougie électronique, une calculatrice simplifiée, un synthétiseur, etc. Tous ces systèmes sont conçus avec pour base une carte Arduino et un panel assez large de composants électroniques.

Outils Arduino
À présent, nous allons expliquer « l’utilisation » du système Arduino et voir comment il se présente. Il est composé de deux choses principales qui sont : le matériel et le logiciel. Avec ces deux outils réunis, il nous est possible de faire n’importe quelle réalisation, une fois que son fonctionnement est clair. Il s’agit d’une carte électronique basée autour d’un microcontrôleur Atmega du fabricant Atmel.

Constituants de la carte

Les composants importants de la carte Arduino sont tels que :
• Microcontrôleur : le cerveau de la carte (1). C’est lui qui va recevoir le programme créé en le stockant dans sa mémoire pour l’exécuter par la suite. Grâce à ce programme, il va savoir faire des choses qui peuvent consister à : faire clignoter une LED, afficher des caractères sur un écran, envoyer des données à un ordinateur, etc.
• Alimentation : pour fonctionner, la carte a besoin d’une alimentation. Le microcontrôleur fonctionnant sous 5V, la carte peut être alimentée en 5V par le port USB (2) ou bien par une alimentation externe (3) qui est comprise entre 7V et 12V. Cette tension doit être continue et peut, par exemple, être fournie par une pile 9V. Un régulateur se charge ensuite de réduire la tension à 5V pour le bon fonctionnement de la carte.
• Visualisation : les trois « points blancs » entourés en rouge (4) sont en fait des LEDs dont la taille est de l’ordre du millimètre. Ces LEDs servent à deux choses : celle tout en haut du cadre est connectée à une broche du microcontrôleur et va servir pour tester le matériel. Quand on branche la carte au PC, elle clignote quelques secondes. Les deux LEDsen bas du cadre servent à visualiser l’activité sur la voie série (une pour l’émission et l’autre pour la réception). Le téléchargement du programme dans le microcontrôleur se faisant par cette voie, on peut les voir clignoter lors du chargement.
• Connectique : la carte Arduino ne possédant pas de composants qui peuvent être utilisés pour un programme, mis à part la LED connectée à la broche 13 du microcontrôleur, il est nécessaire de les rajouter. Mais pour ce faire, il faut les connecter à la carte. C’est là qu’intervient la connectique de la carte (en 5a et 5b). Par exemple, on veut connecter une LED sur une sortie du microcontrôleur. Il suffit juste de la connecter, avec une résistance en série, à la carte, sur les fiches de connections de la carte. Cette connectique est importante et a un brochage qu’il faut respecter. C’est avec cette connectique que la carte est « extensible » et l’on peut y brancher tout type de montage et de module Par exemple, la carte Arduino Uno peut être étendue avec des shields, comme le « Shield Ethernet » qui permet de connecter cette dernière à internet.
• Logiciel : le logiciel permet de programmer la carte Arduino.

Énergie solaire 

Origine 

L’énergie solaire est à l’origine des cycles de l’eau, du vent et de la photosynthèse réalisée par les végétaux dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. Le Soleil est à l’origine de la plupart des énergies sur Terre à l’exception de l’énergie nucléaire et de la géothermie profonde. Les conditions résidantes au cœur du Soleil favorisent l’interaction des différents atomes d’hydrogène qui subissent une réaction de fusion thermonucléaire. Le résultat de ce processus, lorsqu’il se répète, est la fusion de quatre noyaux d’hydrogène en un noyau d’hélium avec émission d’énergie sous forme de rayonnements gamma et X. Chaque seconde, 564 millions de tonnes d’hydrogène se transforment en 560 millions de tonnes d’hélium, cette différence de 4 millions de tonnes par seconde correspond à la différence d’énergie de liaison entre les protons d’hydrogène et ceux d’hélium donnant une énergie sous forme de rayonnement, estimée à 3.7.10²⁶J/s, [9].

Caractéristiques particulières 

L’énergie solaire est la seule source d’énergie externe de la Terre ET elle présente les propriétés suivantes
• Elle est universelle, sa densité de puissance maximale est de 1kW/m2 à midi par ciel bleu sur toute surface terrestre.
• La densité de puissance maximale reçue au niveau du sol (1kW/m2 ) est peu dense, on parle alors d’énergie diffuse.
• Elle est abondante, notre planète reçoit plus de 104fois l’énergie que l’humanité consomme par jour.
• Elle est intermittente et variable à cause de l’alternance du jour et de la nuit, des variations saisonnières et quotidiennes de l’ensoleillement.
• L’énergie reçue par une surface donnée n’est pas récupérable en totalité ceci est dû aux pertes d’énergie sous formes conductrice, convective ou rayonnante.
• Elle est propre.[9].

Ressource solaire
L’énergie solaire vient de la fusion nucléaire qui se produit au centre du Soleil. Elle se propage dans le système solaire et dans l’Univers essentiellement sous la forme d’un rayonnement électromagnétique de photons et d’un rayonnement infrarouge. Le rayonnement solaire global quotidien moyen en kWh/m² pendant l’année au maximum est d’environ1900kWh/m² par an, [7].

Transferts thermiques 

Conduction (diffusion thermique) 

Nous distinguons les deux exemples suivants :
• Cuillère métallique dont une extrémité est plongée dans de l’eau bouillante,
• Déperdition de chaleur à travers une fenêtre en plein hiver.
Dans ces deux cas, le transfert thermique considéré a lieu à travers un milieu matériel macroscopiquement au repos et c’est au niveau microscopique que le transfert d’énergie s’effectue de proche en proche. On parle de conduction (ou diffusion) thermique. Les métaux sont bons conducteurs thermiques (cela est dû aux électrons libres qui participent à l’échange microscopique d’énergie). Le bois, le verre, la laine de verre sont des solides mauvais conducteurs de la chaleur (et sont isolants électriques). Les liquides et les gaz présentent également une conductivité thermique, beaucoup plus faible dans le cas des gaz. La diffusion thermique, au même titre que la diffusion de particules et la conduction électrique, sont des exemples de « phénomènes de transport ».

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : THERMOCOUPLE, DS1820 ET ARDUINO UNO
1.1Laboratoire Thermodynamique Thermique et Combustion
1.2Arduino
1.2.1.Présentation d’Arduino
1.2.2.But et utilité
1.2.3.Applications
1.2.4.Outils Arduino
1.3Capteurs de température
1.3.1.DS18B20
1.3.2.Thermocouple Max
1.4Montage thermocouple, DS1820 et Arduino Uno
1.4.1.Thermocouple Max
1.4.2.Test
Chapitre 2 : THERMIQUE SOLAIRE ET CUISEUR SOLAIRE
2.1.Soleil
2.1.1Caractéristiques du soleil
2.1.2Présentation générale du soleil
2.2.Énergie solaire
2.5.1Origine
2.5.2Caractéristiques particulières
2.5.3Ressource solaire
2.5.4Gisement solaire en Afrique
2.3.Transferts thermiques
2.3.1Conduction (diffusion thermique)
2.3.2Convection thermique
2.3.3 Rayonnement thermique
2.4.Thermique solaire
2.5.Cuiseur solaire
2.5.1Définition
2.5.2Principe de cuiseur solaire
2.5.3Différents types de cuiseur solaire
Chapitre 3 : CONCEPTION D’UN CUISEUR SOLAIRE
3.1 Matériels de construction
3.2 Outils physico-mathématiques
3.3 Construction
3.3.1.Concentrateur
3.3.2.Support en bois
3.3.3.Traverses
3.3.4.Fixateur
3.3.5.Panneau à marmite
3.3.6.Schéma du montage
3.4 Résultats
3.4.1 Etude du point foyer
3.4.2 Prélèvement de données
3.5 Analyse de données
3.6 Calcul du rendement
3.7 Discussions
CONCLUSION GENERALE

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