Trajectoire apparente du soleil

Trajectoire apparente du soleil

Gisement solaire et modélisation de l’clairement solaire 

Les besoins énergétiques mondiaux ne cessent d’augmenter. Malgré son énorme potentiel, l’énergie solaire ne représente qu’une part négligeable de la production et de la consommation énergétique de l’Algérie. Cependant, l’exploitation du rayonnement solaire est compétitive à plusieurs niveaux par rapport aux autres sources d’énergie renouvelables. C’est la source d’énergie la plus répandue et la plus accessible sur terre. « Chaque jour, le soleil envoie à la Terre 10 000 fois la quantité totale d’énergie consommée à l’échelle mondiale ». De plus, la quantité d’énergie libérée par le soleil pendant une heure pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an [5]. Les diverses applications qui résultent de l’exploitation des rayons solaires sont innombrables. Les technologies solaires les plus répandues se retrouvent principalement dans le secteur immobilier : solaire thermique passif, solaire thermique actif, solaire thermique, solaire thermodynamique, solaire photovoltaïque et éclairage naturel. Et comme pour toutes les applications de l’énergie solaire, une bonne connaissance du gisement solaire est nécessaire à l’étude des systèmes énergétiques, une description détaillée du rayonnement solaire, sa modélisation ainsi que les paramètres géométriques nécessaires pour la modélisation, feront également l’objectif de ce chapitre.

Soleil Le Soleil est une « petite » étoile, une boule de gaz, dont le diamètre est de 1 391 000 km, et 2×1030 kg de masse, et qui est placée à 150 000 000 km de nous : – Quant à volume du soleil, presque 1 300 000 fois de la terre, et la masse 330 000 fois celle de la Terre (1,99.1030 kg ou 2 milliards de milliards de milliards de tonnes). Il est constitué principalement de 80% d’hydrogène, de 19% d’hélium, le 1% restant est un mélange de plus de 100 éléments. Sa luminosité totale, c’est-à-dire la puissance qu’il émet sous forme de photons, est à peu près égale à 4×1026 w. Seule une partie est interceptée par la terre, elle est de l’ordre de 1,7×1017 W [6, 7]. Il représente 99,867 % de la masse totale du système solaire, c’est-à-dire que l’ensemble de toutes les planètes et comètes ne représente que le millième du Soleil. Bien que sa lumière soit 600 000 fois plus élevée que celle de la Lune (son miroir), il n’est visible qu’à une distance de 60 al (année-lumière).

La figure I.1 représente une image du spectre solaire haute résolution : Figure I.1 : Spectre solaire haute résolution [8] Il n’a pas de surface en tant que telle, mais la température de rayonnement, si le Soleil est assimilé à un corps noir (Fig I.2), est de 5 700 K selon la loi de Stephan (0 Kelvin = – 273,15 °C. Il est le zéro absolu ; l’agitation moléculaire est arrêtée), ce qui lui donne sa couleur jaune. La couleur est directement liée à la longueur d’onde, qui est liée à la température. Ainsi, en analysant la couleur, on peut facilement obtenir sa température de rayonnement. Au centre, la pression est 220 millions de fois supérieure à la pression atmosphérique de notre Terre (un gros pétrolier à portée de main !) qui est de 1033 hectopascal au niveau de la mer, soit une température de 15 millions de K, et plusieurs millions de degrés dans les couches supérieures de son atmosphère (> 10 000 km à plusieurs millions km) [8].

Lumière

La lumière se réfère aux ondes électromagnétiques visibles à l’oeil humain, c’est-à-dire dans des longueurs d’onde de 0,38 à 0,78 micron (380 nm (violet) à 780 nm (rouge) ; le symbole nm désigne le nanomètre. La lumière est intimement liée à la notion de couleur. C’est Newton qui proposa pour la première fois au XVIIe siècle un cercle de couleurs chromatiques basé sur la décomposition de la lumière blanche. En plus de la lumière visible, par extension, d’autres ondes électromagnétiques, telles que celles des régions infrarouge et ultraviolette, sont parfois appelées « lumière ». Bien que certaines formes de vie au fond de l’océan puissent s’en passer, la lumière du soleil est la principale source d’énergie des écosystèmes terrestres par photosynthèse. Elle contrôle donc les cycles éco-géobiologiques et le stockage du carbone fossile tels qu’ils existent depuis 3,7 milliards d’années. Il joue également un rôle important dans le maintien de la couche d’ozone et la limitation de la prolifération des microbes sensibles aux rayons ultraviolets et/ou infrarouges.

Cette sensibilité est utilisée par certaines techniques de stérilisation. Elle contribue à certaines formes de pollution dites « photochimiques » (ozone troposphérique, oxydes d’azote) et inversement à la dégradation (photodégradation) de certains polluants de l’air, du sol ou des eaux de surface (certains pesticides présents dans l’air par exemple). C’est aussi la lumière qui corrige les horloges biologiques des animaux par la durée du jour, par la production de mélatonine, une hormone produite seulement la nuit, chez la plupart des animaux. Chez les plantes, la durée de la journée contrôle également, avec la température, l’apparition des bourgeons, des feuilles, des fleurs ou l’ouverture ou la fermeture des fleurs. Par conséquent, la présence de lumière artificielle dans l’environnement nocturne peut modifier le comportement ou les fonctions de certaines espèces ou de certains écosystèmes ; un phénomène généralement décrit comme la « pollution lumineuse » [17].

Etat de l’art sur les systèmes a cuisson solaires II.1. Introduction L’une des applications solaires les plus populaires et les plus répondues dans le monde est la cuisson solaire. En effet, elle est liée à une activité humaine fréquente et très régulière ; il s’agit de la préparation de l’alimentation saine. Dans les régions sahariennes isolées où l’approvisionnement en gaz butane est très difficile, l’être humain est contraint de se rabattre sur l’exploitation du bois des quelques arbustes restants comme l’acacia et le palmier pour assurer la cuisson de son alimentation. Le recours à la cuisson solaire apparaît comme une alternative intéressante pour répondre à ce besoin vital sans pour autant compromettre la biodiversité végétale saharienne et tout en limitant le dégagement des gaz à effet de serre [3]. Le développement et la vulgarisation des cuiseurs solaires en milieu saharien sont plus que nécessaires. Dans ce deuxième chapitre, une étude sur les cuiseurs solaires sera présentée, leur principe de fonctionnement, les différents types de cuiseurs existants notamment les cuiseurs boîtes, les cuiseurs paraboliques, les cuiseurs stockeurs d’énergie et les cuiseurs suiveurs du soleil. Les prototypes de cuiseurs développés et réalisés à travers le monde seront également abordés dans ce chapitre et leur impact environnemental sera étudié.

L’utilisation de l’énergie solaire dans diverses cultures à travers l’histoire commence beaucoup plus loin dans le temps. L’utilisation de l’énergie solaire sous sa forme la plus simple était connue chez les Grecs, les Romains et les Chinois, même si elle n’était pas utilisée pour la cuisine [23]. Avant l’âge de la civilisation, la cuisine des aliments était inconnue. Les gens mangeaient la nourriture dans l’état dans lequel ils l’avaient trouvée. C’était la première fois que le solaire chauffait des gaufrettes d’Esséniens, une des premières sectes de Juifs, pour créer une source de nourriture qui est extrêmement saine pour le corps humain. Horace de Saussure, naturaliste suisse, a été le premier à construire une boîte pour cuisiner des aliments à l’énergie solaire et a publié ses travaux en 1767. Il cuisinait des fruits dans un cuiseur solaire primitif qui atteignait une température de 88°C. ◦C Il était le grand-père de la cuisine solaire. À la même époque, en Inde, un soldat britannique a breveté un cuiseur solaire assez sophistiqué qui ressemblait beaucoup au Solar Chef. En 1894, la Chine ouvre un restaurant où l’on sert des plats cuisinés à l’énergie solaire.

Le design actuel des cuiseurs solaires a commencé à évoluer dans les années 1950. Nombre d’ingénieurs, de scientifiques et de chercheurs de haut niveau ont été embauchés pour étudier différents aspects de la conception de la cuisson solaire. Ces études ont conclu que les cuiseurs solaires bien construits non seulement cuisaient les aliments de façon complète et nutritive, mais qu’ils étaient aussi très faciles à fabriquer et à utiliser [24]. En 1945, Sri M. K. Ghosh a conçu un premier cuiseur solaire en forme de boîte comme produit commercial. Les scientifiques indiens ont conçu et fabriqué un certain nombre de cuiseurs et de réflecteurs solaires commerciaux en 1950, mais ils n’ont pas été facilement acceptés, en partie parce qu’il existait encore des solutions de rechange moins coûteuses [25].

Malgré ce succès, l’ONU (Organisation des Nations Unies) a conclu que les cuiseurs solaires n’étaient pas une option viable et tout financement pour les cuiseurs solaires a cessé. Beaucoup de ceux qui ont participé à cet effort précoce ont conclu que les études elles-mêmes étaient défectueuses. Ils ont estimé que les conceptions promues étaient trop complexes. Les cuiseurs étaient également trop chers pour les utilisateurs prévus. Ils ont estimé que plus de travail était nécessaire sur la conception des cuiseurs. Quelques-uns ont maintenu le potentiel des cuiseurs solaires vivant en poursuivant leur développement dans leur cour intérieure, bien exposée [24]. D’autres estimaient que les techniques de promotion utilisées dans les études de l’ONU étaient également imparfaites. Les spécialistes des sciences sociales, qui n’avaient jamais intégré la cuisine solaire dans leur propre vie, étaient responsables des études de l’ONU. Les cuiseurs étaient présentés comme une solution aux problèmes des pauvres, mais certainement pas comme des outils de cuisson qui seraient utiles dans les pays développés. Cela a amené les cuisiniers solaires à être considérés par ceux auxquels on demande de les utiliser comme des instruments de seconde classe. Les cuiseurs solaires cherchèrent de nouvelles méthodes pour promouvoir les cuisiniers solaires qui étaient davantage sensibles aux cultures auxquelles ils étaient confrontés [24].

Table des matières

Résumé Nomenclature
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction Générale
I.2. Introduction
I.2.1. Soleil
I.2.2. Caractéristiques générales
I.2.3. Trajectoire apparente du soleil
I.2.4. Sphère céleste
I.2.5. Cordonnées du soleil
I.2.5.1. Coordonnées équatoriales
I.2.5.2. Coordonnées horizontales du soleil
I.2.5.3. Coordonnées par rapport un plat incliné
I.3. Caractéristiques de la terre
I.3.1. Coordonnées terrestres
I.3.1.1. Longitude
I.3.1.2. Altitude
I.3.1.3. Latitude
I.3.2. Paramètre de l’atmosphère
I.4. Orientation et inclinaison d’une surface
I.4.1. Angle d’incidence
I.4.2. Angle d’inclinaison
I.5. Rayonnement solaire
I.5.1. Répartition spectrale du rayonnement solaire
I.5.2. Constante solaire
I.5.3. Types de rayonnements solaires
I.5.3.1. Rayonnement direct
I.5.3.2. Rayonnement diffus
I.5.3.3. Rayonnement global
I.5.3.4. Lumière
I.6. Eclairement et irradiation
I.6.1. Irradiation ou rayonnement
I.6.2. Eclairement ou irradiation
I.6.3. Situation de l’Algérie
I.6.4. Eclairement hors atmosphère
I.7. Conclusion
CHAPITRE II : Etat de l’Art Sur les Systèmes à Cuisson Solaires
II.1. Introduction
II.2. Historique
II.3. Types de cuissons solaires
II.3.1. Cuiseur de type boîte
II.3.2. Cuiseur à panneaux
II.3.3. Cuiseur parabolique
II.4. Facteurs essentiels pour la cuisson solaire
II.4.1. Températures de cuisson solaire
II.4.2. Temps de cuisson solaire
II.4.3. Localisation de la cuisson solaire
II.4.4. Moment d’utilisation du cuiseur solaire
II.4.5. Types de récipients utilisés pour la cuisson des aliments
II.5. Classification des cuiseurs solaires
II.5.1. Cuiseurs solaires sans stockage
II.5.1.1. Cuisson directe
II.5.1.2. Cuisson indirecte
II.5.2. Cuiseurs solaires avec stockage
II.5.2.1. Stockage de chaleur sensible
II.5.2.2. Stockage de chaleur latente
II.6. Conception et le développement des cuiseurs solaires à travers le monde
II.6.1. Cuiseurs solaires de type boîte
II.6.1.1. Cuiseurs boîtes sans et avec réflecteurs
II.6.1.2. Cuiseurs boîtes à usage multiple
II.6.1.3. Cuiseurs boîtes et récipients de cuisson
II.6.2. Cuiseurs solaires à concentration
II.6.2.1. Cuiseurs à concentration de type cylindro-parabolique
II.6.2. Cuiseurs à concentration de type parabolique
II.6.3. Cuiseurs suiveurs du soleil
II.6.4. Cuiseurs stockeurs d’énergie
II.6.4.1. Cuiseurs solaires boîtes
II.6.4.2. Cuiseurs solaires à concentration
II.6.4.3. Cuiseurs solaires indirects
II.7. Contribution des cuiseurs solaires à la réduction du dioxyde de carbone
II.8. Conclusion
Chapitre III : Etude Théorique et Expérimentale, Interprétation et Discussion des Résultats
III.1. Introduction
III.2. Présentation du lieu de stage
III.2.1. Site de Ghardaïa
III.2.2. Aperçu sur l’unité de recherche appliquée en énergies renouvelables (URAER)
III.2.3. Equipe Mini Centrales Thermodynamiques
III.3. Mesure du rayonnement solaire et données utilisées
III.3.1. Mesure du rayonnement solaire
III.3.1.1. Mesure du rayonnement direct (le Pyrhéliomètre)
III.3.1.2. Mesure du rayonnement diffus et global (le Pyranomètre)
III.3.2. Données utilisées
III.4. Méthodologies adoptées
III.4.1. Test du cuiseur solaire boîte
III.4.1.1. Détermination des ‘figures of merits’
III.4.1.2. Détermination de la puissance de cuisson
III.4.2. Test du cuiseur solaire parabolique
III.4.2.1. Tests suggérée par Mullick et al.
III.4.2.2. Tests suggérée par Funk
III.4.2.3. Détermination du rendement énergétique du cuiseur
III.5. Etude expérimentale des cuiseurs solaires
III.5.1. Description des cuiseurs solaires utilisés
III.5.1.1. Cuiseur solaire boîte
III.5.1.2. Cuiseur solaire parabolique
III.5.2. Schéma synoptique de la chaîne de mesure
III.5.3. Acquisition de données
III.6. Résultats obtenus et discussion
III.6.1. Tests et ajustement des cuiseurs
III.6.1.1. Description des tests effectués
III.6.1.2. Temps d’ajustement des cuiseurs
III.6.2. Tests standardisés des cuiseurs
III.6.2.1. Profils des températures de l’eau
III.6.2.2. Comparaison entre les deux types de cuiseurs
III.6.3. Tests caractérisant les deux cuiseurs
III.6.4. Puissance de cuisson
III.6.4.1. Puissance de cuisson tracée pour le cuiseur boîte
III.6.4.2. Puissance de cuisson tracée pour le cuiseur parabolique
III.6.5. Rendement des cuiseurs
III.6.5.1. Rendement calculé pour le cuiseur boîte
III.6.5.2. Rendement calculé pour le cuiseur parabolique
III.7. Conclusion
Conclusion Générale
Annexe
Bibliographie

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