Soutenance mémoire
Le soleil et ses principales caractéristiques
Vénus est l’astre le plus brillant du ciel après le soleil et la lune. Elle gravite autour du soleil en 255 jours et reçoit un rayonnement solaire presque deux fois plus intense que la terre . C’est la deuxième planète du système solaire que l’on rencontre en s’éloignant du soleil. Le passage de vénus devant le soleil donne une idée sur quelques principales caractéristiques du soleil.
Le soleil forme avec ces huit planètes gravitant autour de lui, le système solaire dont il constitue à lui seul les 99,86% de sa masse [13]. C’est une grosse étoile assez proche de nous (8 minutes lumière, 150.10⁶ Km). Il montre un diamètre apparent sur le ciel d’un demi-degré ce qui permet de l’étudier en détails. Le soleil est constitué d’une sphère de gaz chaud de diamètre 14.10⁵ Km et de masse 2.10³⁰ Kg. Il est composé de 74% d’hydrogène et de 24% d’hélium. Tous les autres éléments (métaux) sont présents mais sont sous forme de trace [13]. Au centre du soleil s’effectuent les réactions thermonucléaires de fusion qui transmutent l’hydrogène en hélium avec la production d’énergie et le rayonnement de notre étoile.
Principe de base de la géométrie terre-soleil
Le repérage d’un site à la surface de la terre
Le repérage d’un site à la surface de la terre est caractérisé par le système de coordonnées géographiques. Ce système permet à chaque emplacement sur la terre d’être spécifié par l’intermédiaire de deux angles qui sont la longitude et la latitude . Ainsi l’angle formé par le plan méridien du lieu considéré et le plan méridien origine est appelé longitude. En effet cet angle de longitude 0°, passe par l’observateur de Greenwich Mine Time. Les longitudes qui se trouvent à l’Est (0° et 180°) et à l’Ouest (-180° et 0°) du méridien sont respectivement positives et négatives [16]. La latitude est l’angle que fait la verticale du lieu avec le plan équatorial. Elle permet de repérer la distance angulaire d’un point quelconque à l’équateur. Ainsi l’angle compris entre 0° et 90° est appelé hémisphère Nord et celui compris entre -90° et 0° est appelé hémisphère Sud [16]. L’altitude souvent exprimée en mètre, est la distance verticale entre le point considéré et une surface de référence théorique (niveau de la mer) .
La rotation complète de la terre s’effectue en 24 heures. C’est le temps au cours duquel chaque point de la surface terrestre traverse une zone éclairée et une zone non éclairée correspondant au jour et à la nuit [16]. Elle se fait sous un angle de 360° dont chaque heure représente 15° d’écart de longitude et donc chaque degré de longitude représente 4 minutes.
Le repérage du soleil à la surface de la terre
La rotation de la terre autour de son axe provoque les variations diurnes du rayonnement. La position de l’axe par rapport au soleil est la cause des variations saisonnières du rayonnement solaire. Le plan de l’orbite terrestre autour du soleil s’appelle plan écliptique. La terre tourne sur elle-même autour de l’axe polaire, qui est incliné à 23,45° par rapport à la perpendiculaire avec le plan écliptique tout au long de l’année [18]. Ainsi, l’angle compris entre la ligne reliant les centres du soleil et de la terre d’une part et le plan équatorial d’autre part change constamment [18]. La distance terre-soleil varie durant l’année, elle est maximale au début du mois de Juillet et minimale au début de Janvier. Pendant le solstice d’été (vers 21 Juin), la terre est placée sur son orbite de sorte que le Pôle Nord soit incliné à 23,45°vers le soleil, alors que pendant le solstice d’hivers le Pôle Sud est incliné à -23,45° vers le soleil (vers le 21 Décembre) . Ainsi, pour les équinoxes du printemps (21 Mars) et de l’automne (21 Septembre), les durées du jour et de la nuit sont égales. Le soleil traverse le plan équatorial et sa déclinaison est alors nulle.
Le tracé de la course du soleil s’obtient en joignant les différentes localisations du soleil à différents moments de la journée. Le trajet du soleil peut être ainsi tracé pour n’importe quel jour de l’année. Depuis longtemps, le soleil était considéré comme un objet qui est en mouvement à cause de la rotation de la terre. En réalité, il ne s’agit que du mouvement apparent du soleil au cours duquel il semble se lever à l’Est, s’élever dans le ciel, puis se coucher à l’Ouest.
La constante solaire
Le rayonnement hors atmosphère est constitué seulement par la composante directe. Pour une distance moyenne entre la terre et le soleil, l’irradiation émise aboutit à une intensité presque fixe dite constante solaire. Elle est de 1360 W/m² [20]. La constante solaire est l’énergie reçue par unité de surface d’une superficie perpendiculaire à la direction de la propagation du rayonnement [21]. La terre reçoit pratiquement toute son énergie du soleil, sous la forme d’un rayonnement électromagnétique. Son contenu total de chaleur ne change significativement pas avec le temps. Ce qui montre en général un équilibre entre le rayonnement solaire absorbé et le flux de rayonnement diffus émis par la planète [20].
Le rayonnement solaire du sommet de l’atmosphère au sol et ses composants
Le rayonnement solaire est l’ensemble des ondes électromagnétiques émises par le soleil. Il est composé de toute la gamme des rayonnements, de l’ultraviolet lointain comme les rayons gamma aux ondes radio en passant par la lumière visible [16]. Ce rayonnement solaire dit global avec une répartition angulaire hétérogène est schématiquement décomposé en une somme de trois éclairements .
L’éclairement direct provenant de l’angle solide du disque solaire est le rayonnement du sommet de l’atmosphère au sol sans aucune modification [12]. Ces rayons atteignant le sol directement restent parallèles entre eux et peuvent être concentrés par des miroirs. L’éclairement diffus provenant de l’angle solide du ciel vu par la surface est constitué par la lumière diffusée par l’atmosphère (air, nébulosité, nuage, eau, aérosols et autres obstacles) [20]. La diffusion est le phénomène qui répartit un faisceau lumineux en une multitude de faisceaux partant dans toutes les directions. L’éclairement réfléchi provenant de l’angle solide du sol vu par la surface est la partie réfléchie par le sol ou l’albédo. Il dépend de l’environnement du site .
Principe de la mesure du rayonnement solaire incident
Les appareils diffèrent selon qu’ils mesurent le rayonnement direct (pyrhéliomètre), le rayonnement global (pyranomètre) et le rayonnement diffus (pyranomètre diffus). En effet, une définition spécifique de quelques appareils de mesure du rayonnement sera citée ci-dessous.
Le luxmètre
Le luxmètre est un capteur permettant de mesurer l’éclairement dans le spectre visuel. Il est basé sur la transformation d’une grandeur lumineuse en une grandeur électrique. Cette transformation est réalisée par le récepteur de lumière qui est le plus souvent une cellule PV [20]. Un circuit intégré reçoit une certaine quantité de lumière (photons constituant le signal qui est une énergie de rayonnement) et la transforme en signal électrique. Ce signal est visualisé par le déplacement d’une aiguille, l’allumage d’une diode .
Le pyranomètre
Un pyranomètre est un appareil (figure 1-7) qui sert à mesurer la quantité d’énergie solaire en lumière naturelle. En d’autre terme, il mesure la puissance du rayonnement solaire global en W/m2 . Il est sensible dans le domaine spectral de 300 μm à 3000 μm .
Le pointeur solaire
Cet appareil permet de mesurer les trois types de rayonnement (global, diffus et direct). Le principe consiste à monter deux pyranomètres sur un suiveur solaire qui suit en permanence la course du soleil. Un pyranomètre est utilisé pour l’acquisition du rayonnement global et le second, pour le rayonnement diffus grâce à un objet situé entre celui-ci et le soleil qui obstrue le rayonnement direct. La puissance du rayonnement direct est alors calculée en soustrayant la puissance du rayonnement diffus à celle du rayonnement global .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITE SUR L’ENERGIE SOLAIRE ET SES APPLICATIONS
I.1. Introduction
I.2. Le soleil et ses principales caractéristiques
I.3. Principe de base de la géométrie terre-soleil
I.3.1. Le repérage d’un site à la surface de la terre
I.3.2. Le repérage du soleil à la surface de la terre
I 4. La constante solaire
I.5. Le rayonnement solaire du sommet de l’atmosphère au sol et ses composants
I.6. Principe de la mesure du rayonnement solaire incident
I.6.1. Le luxmètre
I.6.2. Le pyranomètre
I.6.3. Le pointeur solaire
I.6.4. Le Pyrhéliomètre
I.6.5. L’héliographe
I.7. Le gisement solaire mondial et en Afrique
I.8. Le gisement solaire au Sénégal
I.9. Les applications de l’énergie solaire
I.10. Conclusion
CHAPITRE II : PRESENTATION DES DIFFERENTS EQUIPEMENTS D’UN KIT PHOTOVOLTAÏQUE ET DU SYSTEME DE POMPAGE SOLAIRE
II.1. Introduction
II.2. Les cellules solaires
II.2.1. Principe de fonctionnement des cellules solaires
II.2.2. Les différents types de cellules photovoltaïques
II.2.3. Les caractéristiques des cellules solaires
II.3. Les composants d’un kit photovoltaïque
II.3.1. Les panneaux solaires
II.3.1.1. Le raccordement des panneaux en série
II.3.1.2. Le raccordement des panneaux en parallèle
II.3.1.3. Techniques d’installation des panneaux photovoltaïques
II.3.2. Les batteries
II.3.2.1. Les modèles de batteries
II.3.2.2. Caractéristiques des batteries
II.3.3. Les régulateurs de charges
II.3.3.1. Les régulateurs de charge de type Shunt
II.3.3.2. Les régulateurs de type série
II.3.3.3. Les régulateurs de charge de type MLI (Modulation de la Largeur d’Impulsion)
II.3.3.4. Les régulateurs MPPT (Maximum Power Point Tracking)
II.3.4. Les onduleurs
II.3.5 Les câbles
II.4. Le système de pompage d’eau
II.4.1. Le pompage solaire et ses composants
II.4.1.1. Quelques types de pompes
II.4.1.2. Exemple de types de moteurs
II.5. Les différents types de systèmes des installations photovoltaïques
II.6. Conclusion
CHAPITRE III : METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT D’UN KIT SOLAIRE DOMESTIQUE ET D’UNE POMPE SOLAIRE
III.1. Introduction
III.2. Dimensionnement d’un kit solaire domestique
III.2.1. Les panneaux solaires
III.2.2. Les batteries
III.2.3. Les régulateurs
III.2.3.1. Caractéristiques d’entrée
III.2.3.2. Caractéristiques de sortie
III.2.4. Les onduleurs
III.2.5. Les câbles
III.3. Dimensionnement du système de pompage solaire
III.3.1. Evaluation des besoins en eau
III.3.2. Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire
III.3.3. Choix du mois de dimensionnement
III.3.4. Le générateur photovoltaïque
III.3.5. Choix de la pompe
III.3.6. Dimensionnement des tuyauteries
III.3.7. Conclusion
CHAPITRE IV : RESULTATS ET DISCUSSIONS
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation de notre zone d’étude
IV.2.1. Situation géographique et pôle énergétique
IV.2.2. Activité agricole et caractéristique physique de la région de Thiès
IV.3. Visite de terrain et entretien
IV.4. Dimensionnement de la ferme
IV.4.1. Le kit solaire domestique
IV.4.1.1.Plan de la maison et choix des appareils
IV.4.1.2. Applications et Résultats pour le kit solaire domestique
IV.4.2. Le système de pompage solaire
IV.4.2.1 Cahier de charge et estimation des besoins en eau
IV.4.2.2. Applications et Résultats pour le système de pompage solaire
IV.5. Etude financière
IV.5.1. Coût initial du kit solaire domestique et du système de pompage PV
IV.5.2. Etude comparative du pompage solaire et du pompage électrogène
IV.5.2.1. Coût d’investissement du pompage PV et du pompage électrogène
IV.5.2.2 Coût d’exploitation du pompage par groupe électrogène
IV.5.3. Plan de financement et techniques de remboursement des emprunts
IV.6. Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE
ANNEXES
