Production d Énergie. Le Solaire

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1 Production d Énergie Le Solaire 1

2 Énergies renouvelables Caractéristiques des énergies renouvelables prélevées sur des flux naturels et non extraites de stocks qui nécessitent des millions d'années pour se constituer; (comme le pétrole et le charbon). Les énergies renouvelables résultent de processus de conversion de l'énergie fournie à la Terre par le Soleil. 2

3 Transformation de l'énergie solaire 3

4 Pourquoi les énergies renouvelables intérêt de l énergie solaire sa gratuité (????) sa disponibilité sur une grande partie du globe terrestre l absence de risque d épuisement connu par les sources d énergie fossile. En fait, l énergie solaire n est pas tout à fait gratuite : investissement de départ souvent lourd budget de maintenance des équipements important. 4

5 Utilisation de l'énergie solaire conversion thermique : basse température, production de chaleur (bâtiment, agro-alimentaire), haute température, source chaude d'un cycle thermodynamique production d'électricité (centrales héliothermiques). Conversion directe du rayonnement en électricité à l'aide de cellules photovoltaïques (voir cours spécifique). 5

6 Solaire (historique 1) Trudaine de Montigny, en 1774, fabriqua un four solaire pour fondre du platine,. En 1839, Edmond Becquerel, physicien français, découvre l'effet photovoltaïque En 1878, Auguste Mouchot créa une machine à vapeur fonctionnant grâce à un miroir parabolique permettant d actionner une presse une presse. 6

7 Solaire (historique 2) En 1900, plus de 1600 chauffe-eau fonctionnaient en Californie du Sud depuis le début du siècle, au Mexique, de nombreuses maisons "bioclimatiques" utilisant l'énergie solaire En 1912, le Nord-Américain Schumann a construit en Egypte une station de pompage de l'eau. 7

8 Solaire (historique 3) En 1953, un four solaire de 75 kw est installé au Mont-Louis dans les Pyrénées. C'est le premier four solaire double réflexion. Le four d'odeillo, bâti en 1970, permet d'atteindre des températures de 3500 C. La centrale solaire expérimentale Themis fut exploitée par EDF de juin 1983 à septembre 1986 sur le site de Targasonne (Pyrénées-Orientales France). 8

9 L'énergie du soleil Le soleil : Sphère gazeuse composée au trois quart d'hydrogène et pour un cinquième d'hélium. Son diamètre est de km (100 fois celui de la Terre), sa masse est de l ordre de tonnes. L énergie du Soleil provient de réactions thermonucléaires. Elles transforment l hydrogène en Hélium, la différence de masse est dissipée en énergie ( E = mc 2 ), ce qui représente une puissance de kw. 9

10 L'énergie du soleil A notre échelle le Soleil peut être considéré comme une source d'énergie pratiquement illimitée (durée de vie supérieure à 4 milliards d années). 10

11 Le Rayonnement Solaire sur la Terre Il faut entre et 1 million d'années pour que l'énergie émise au cœur du soleil atteigne sa surface.. Ensuite, la lumière ne met que 8 minutes pour franchir les quelques 150 millions de kilomètres qui séparent le Soleil de la Terre. 11

12 Cycles de Milankovic Excentricité Obliquité - Précessions Distance Terre - Soleil 129 à millions de km Cycle de ans Variations de 20 à 30% d'énergie Inclinaison de l axe polaire Cycle de ans Différences + ou - marquées entre les saisons Changement d orientation de l axe de rotation Cycle de ans 12

13 Aspects Géométriques La terre décrit une ellipse qui a le Soleil pour foyer Cette ellipse est caractérisée par une faible excentricité, puisque les demi-axes ne diffèrent que de ± 1,7 % du rayon moyen de sa trajectoire (distance moyenne annuelle entre la Terre et le Soleil). 13

14 Répartition spectrale du rayonnement Répartition spectrale du rayonnement solaire : 98% du rayonnement solaire est émis dans des longueurs d onde inférieures à 4 m. En première approximation, le rayonnement solaire peut être assimilé au rayonnement d un corps noir à une température d environ 6000 K. 14

15 Le Rayonnement Solaire sur la Terre L énergie émise par le soleil, en s éloignant, perd de son intensité et lorsqu'elle atteint les limites de l'atmosphère terrestre elle représente un certain apport énergétique par unité de surface : L énergie reçue par une surface de 1m 2 perpendiculaire aux rayons du soleil au niveau de la terre mais hors atmosphère, que l on appelle la «constante solaire» est d environ 1367 W/m 2. Le flux effectivement absorbé par la Terre est seulement une fraction de cette valeur, soit environ: 400 W/m 2 en moyenne 15

16 Rayonnement extra-terrestre La distance terre-soleil varie suivant la période de l année. Elle est maximale au solstice d été (21 juin) et minimale au solstice d hiver (22 décembre). Cette variation influe sur la valeur de l éclairement hors atmosphère qui peut être modélisé par l expression suivante : ' I (1 0,034 cos(0,986 n2)) (W.m -2 ) où «n» est le numéro du jour dans l année. NB: La valeur maxi est de 1413 W.m -2 (janvier), La valeur mini est de 1321 W.m -2 (Juillet). 16

17 Déclinaison du soleil L'angle formé par la direction des rayons du Soleil et le plan équatorial est appelé déclinaison du Soleil, notée. Il varie, tout au long de l'année, entre deux valeurs extrêmes : - 23,45 et + 23,45 environ. 17

18 Mouvements de rotation de la Terre Équinoxe de printemps : 21 mars (=0 ) Solstice d'été : 22 juin (= ') Equinoxe d'automne : 23 septembre (=0 ) Solstice d'hiver : 22 décembre (= ') Approche maximale (périhélie) : 2 janvier Eloignement maximal (aphélie) : 2 juillet Déclinaison La formule d approximation suivante permet de calculer les variations au cours de l année : 23, 45 sin(360/ 365*( n 284)) En degrés avec n, numéro du jour dans l année. 18

19 Latitude Latitude () Angle (en degré) donnant la position du lieu par rapport à l équateur. On compte positivement les latitudes de l hémisphère Nord (0 à l équateur et 90 au pole Nord), et négativement pour le pole sud. Par exemple : Latitude de Lorient : 47,75 N 19

20 Longitude Longitude Méridien du lieu étudié (en degré). Un méridien est pris comme référence : c est le méridien de Greenwich = 0 Il faut donc préciser si on se trouve à l ouest ou à l est de ce méridien. Par exemple : Longitude de Lorient : 3,36 Ouest 20

21 Durée du jour le jour sidéral : c'est la durée de la rotation de la Terre sur elle-même (environ 23 heures 56 minutes et 4 secondes) le jour solaire vrai : c est l intervalle de temps séparant deux levers, deux couchers ou deux passages du Soleil au méridien. Il varie de 23 h 59 min 39 s à 24 h 0 min 30 s, Le jour solaire vrai est plus long que le jour sidéral à cause du mouvement de la Terre autour du Soleil. le jour solaire moyen : moyenne du jour solaire vrai = 24 heures. On définira donc le Temps Solaire Moyen (TSM) 21

22 Durée du jour (2) Temps Solaire Vrai (TSV) Temps donné par la position du soleil par rapport au midi solaire ( 12h) du lieu étudié. Il sera relié à l angle horaire (voir définition ultérieure). Temps Universel (TU, ou UT en anglais, et anciennement «temps GMT») Temps solaire vrai (au méridien de Greenwich) pris comme référence universelle. Temps légal (temps «officiel» fixé par chaque pays = fuseau horaire plus décalage saisonnier éventuel (heure d été par exemple) 22

23 Fuseaux horaires Temps légal (parfois noté TC). Temps officiel du lieu étudié. Dépend du faisceau horaire et d éventuels décalages Ainsi, en France, le temps légal en hiver est actuellement le temps universel augmenté de 1 heure (T = TU + 1), alors qu'en été, le décalage est de 2 heures. 23

24 Équation du temps Lorsque la Terre, sur sa trajectoire elliptique, se rapproche du Soleil, son déplacement angulaire quotidien autour du Soleil s'accélère et prend de l'avance sur le déplacement angulaire annuel moyen. Le phénomène inverse est observé durant les périodes d'éloignement. Cet écart t entre le temps solaire moyen TSM et le temps solaire vrai TSV (déterminé par la position réelle du Soleil), est désigné par le terme «équation du temps». Formule d approximation: t = TSV - TSM t 9.9sin 2 360/365 n sin 360/365 n 2 (correction telle que 20 min < t < +20min) La figure ci-après donne les variations de t durant l'année. 24

25 Équation du temps (graphique) 25

26 Angle horaire (AH ou ) L'angle horaire du soleil, est le paramètre repérant la position du Soleil sur sa trajectoire diurne. Il est directement relié à la date, l heure et le méridien du lieu de l observation. Angle horaire du soleil 0L angle horaire du Soleil a son lever 0C angle horaire du Soleil à son coucher 26

27 Angle horaire (AH ou ) La rotation de la Terre sur elle-même, autour de l'axe passant par les pôles, détermine la succession des jours et des nuits. Une rotation complète de la Terre (360 ) correspond donc, en moyenne, à 24 heures, par définition du jour moyen. 360 en 24h donc 1 heure = écart angulaire en longitude de 15, soit 4 minutes de temps par degré de longitude. On détermine l angle horaire en posant comme référence (0 pour le midi solaire (12h), -90 pour 6h solaire et +90 pour 18h solaire). 27

28 Calcul de TSV (Exemple) Calcul du temps solaire vrai à Lorient le 17/06/12 à 17h45. Numéro du jour dans l année étudiée : 168 (année bissextile) Temps légal = 17h 45 min =17,75 h Décalage du temps légal avec Greenwich =1 h +1 (car heure d été) Lorient 3.3 à l Ouest de Greenwich h t (j=168)= h TSV(Lorient,17/06/08,17h45)= = Soit TSV (Lorient,17/06/12 à17h45) = 15h 31 min. 28

29 Hauteur Solaire C'est l'angle h formé par le plan horizontal du lieu d'observation et la direction du Soleil. : 29

30 Hauteur Solaire La hauteur angulaire du Soleil h est donnée par la formule: sin( h) sin( ).sin( ) cos( ).cos( ).cos( ) est la latitude du lieu considéré est la déclinaison du soleil l angle horaire 30

31 Hauteur solaire maximale La hauteur solaire maximale, (c est-à-dire au midi solaire), est donnée par : Es h h - 90 h h = 90 - φ +δ 31

32 A partir de la formule vue précédement, Durée du jour sin( h) sin( ).sin( ) cos( ).cos( ).cos( ) on peut déduire l angle horaire (et donc l heure) de lever et de coucher du soleil en posant h=0 D où cos( ) tg( ). tg( ) 0 La durée du jour est donc de 2 durée ( en heures).arccos tg( ). tg( ) 15 32

33 Azimut Solaire L'Azimut solaire a (noté parfois ) est l'angle compris entre le méridien du lieu et le plan vertical passant par le Soleil. Conventions: l origine 0 des azimuts correspond à la direction Sud dans l hémisphère Nord (latitudes positives) et à la direction Nord dans l'hémisphère Sud (latitudes négatives) les azimuts sont comptés positivement vers l'ouest et négativement vers l'est. 33

34 Azimut Solaire L'azimut (a) du Soleil peut-être exprimée par l une des formules suivantes : sin a cos( ) sin( ) cos( h) cos( a).cos( h) sin( ).cos( ).cos( ) cos( ).sin( ) cos( a).cos( h). cos( ) sin( ).sin( h) sin( ) tg( a) sin( ) sin( )cos( ) cos( ). tg( ) 34

35 Diagramme solaire Les formules précédentes permettent le tracé des trajectoires apparentes du soleil dans le ciel, pour une latitude donnée en fonction du temps solaire vrai ldu lieu. Diagramme solaire pour la latitude 49 N Hauteur Solaire Heures TSV 21 Juin 21 Décembre 22 Mars 21 Septembre Azimut 35

36 Masques solaires 36

37 Diagramme Solaire horizontal Le diagramme solaire horizontal est la projection de la sphère céleste locale sur le plan horizontal. 37

38 Éclairement au sol 38

39 Bilan radiatif de la terre Le rayonnement infrarouge ré-émis par le sol est en grande partie piégé par l'atmosphère, qui l'emprisonne. Ce phénomène est appelé effet de serre. RAYONNEMENT (ULTRAVIOLET) repoussé par la couche d ozone ABSOPTION & REDIFFUSION d une partie du rayonnement infrarouge, réchauffant la terre et l atmosphère RAYONNEMENT SOLAIRE RAYONNEMENT REEMIS par la terre RAYONNEMENT ABSORBÉ par la terre ACCUMULATION de gaz à effet de serre 39

40 «Nombre air-masse» L épaisseur de l atmosphère traversée par le rayonnement varie avec la position relative du soleil. On introduit donc un coefficient m appelé «masse atmosphérique» ou «nombre d air masse» défini par jour. P mbar 1 z m exp 1013mbar sin A 7, 8 1 si z 0 et conditions normales m sin A Avec p (mbar) la pression, A ( ) =h l élévation du Soleil sur l horizon et z (km) l altitude. Ainsi lorsque le Soleil est au zénith, on dit que l on a les conditions AM1 car les rayons lumineux traversent une épaisseur d atmosphère unité (7,8 km). Avec un Soleil à 30 sur l horizon, on obtient les conditions AM2 (2=1/sin(A)). Hors atmosphère ou à haute altitude, on définit les conditions AM0. 40

41 Nombre d air masse AM=Air Mass Mesure d épaisseur de masse d air traversée 41

42 Variations Annuelles 42

43 rayonnement solaire direct A cause de l atmosphère le rayonnement reçu au niveau du sol est plus faible que ce qui arrive hors-atmosphère. L affaiblissement dépend du degré de pollution du site et du trouble. On peut estimer le flux (W/m²) reçu au niveau du sol par une surface perpendiculaire aux rayons par les formules empiriques suivantes: I 1230.exp * 1 3,8.sin( h 1,6) pour des conditions normales I I 1210.exp * exp 6.sin( h 1) * 1 2,3.sin( h 3) pour un ciel très pur pour une zone polluée 44

44 Azimut et inclinaison de la surface étudiée Azimut de la surface étudiée () C'est l'angle que fait la projection de la normale à la surface sur le plan l horizontal, avec la direction sud. Conventions: l origine 0 des azimuts correspond à la direction Sud dans l hémisphère Nord (latitudes positives) et à la direction Nord dans l'hémisphère Sud (latitudes négatives) les azimuts sont comptés positivement vers l'ouest et négativement vers l'est. Inclinaison (s) C'est l'angle que fait le plan de la surface étudiée avec le plan horizontal (0= horizontale et 90 verticale) 45

45 Angle d incidence des rayons du soleil (i) L angle d incidence (i) est l'angle que fait la direction des rayons du soleil avec la normale à la surface. tg( ) cos( i) cos( s). sin( h) sin( s).sin( ).sin( ).cos( ) sin( s).cos( ).cos( ).sin( ). cos( ) tg( ) Avec : s l inclinaison de la paroi l azimut de la paroi l angle horaire La déclinaison La latitude du lieu Si i est l angle entre la direction des rayons du soleil et la normale à la surface, le flux incident (W/m²) vaut * I I *. cos( i) 46

46 Éclairement diffus (surface horizontale) Pour des conditions de ciel «normales» et pour une surface horizontale, on utilise la formule empirique suivante : D 125 (sin h) * 0.4 H D* est multiplié par 4/3 pour un ciel de zone polluée, et par 3/4 dans le cas d un ciel très pur. Ces valeurs sont directement utilisables dans le cas de surfaces réceptrices de faible inclinaison (i<10 ). 47

47 Eclairements (calculs) 48

48 Bilan radiatif de la terre Le rayonnement solaire qui traverse l'atmosphère et qui n est pas absorbé par celle-ci et les nuages, atteint le sol par lequel il est en partie absorbée, mais une petite partie est réfléchie vers l'atmosphère. Cette réflexion dépend de la nature du sol (eau, terre, forêt, neige, villes ). L'albédo caractérise la fraction du rayonnement qui est ainsi réfléchi, et qui est de : 4 à 10 % pour les océans 20 à 30 % pour les prairies et terres cultivées 60 à 80 % pour la neige C est pour cela que de l espace la terre apparaît comme un corps brillant (comme la lune). 49

49 Éclairement diffus (surface inclinée) Lorsque l inclinaison de la surface est supérieure à 10, il convient aussi de prendre en compte la part de rayonnement direct réfléchi par le sol en fonction de son albédo D* s exprime alors : 1cos( s) 1cos( s) D....sin( ) 2 DH 2 I h D * * * * H où * D H est l éclairement diffus sur une surface horizontale, I * est l éclairement aux rayons du soleil direct sur une surface perpendiculaire l albédo du sol environnant. 50

50 Éclairement global Par définition, G I D * * * H H H Des formules empiriques permettent d estimer directement le rayonnement global, sur une surface horizontale, : Pour des conditions normales h 1,22 G * sin( ) H Pour des conditions de ciel très pur h 1,15 G * sin( ) H Pour des conditions de ciel pollué h 1,25 G * 995. sin( ) H 51

51 Bilan radiatif de la terre (Schéma) Bilans du rayonnement solaire et du rayonnement terrestre 52

52 Irradiation L énergie (ou irradiation) directe, diffuse, globale, reçues par une surface sur un jour, un mois, une année sont calculables par l intégration des formules vues précédemment. Cependant, des formules empiriques, permettent des calculs un peu plus simples. 53

53 Irradiation journalière Exemple de formule (formule très approchée) : Irradiation journalière d une surface horizontale par ciel clair en Wh.m -2 Applicable pour des latitudes comprises entre 30 et 60 N G tg 0, cos( ) H

54 Irradiation journalière Autre formule :Irradiation journalière d une surface horizontale par ciel clair Une autre formule envisageable est : G H 4 0 3, cos( ).cos( ). sin( ) -.cos( ) Où ω 0 (angle horaire du coucher du soleil) est en degré et G H en kj.m -2 Et la moyenne mensuelle de la déclinaison 55

55 Rapport direct /global Le direct peut alors être estimé en considérant le rapport Pour des conditions normales I 1 0,96.exp 7,2cos( 2) G Pour des conditions de ciel très pur I 1 0,96.exp 11cos( 1) G Pour des conditions de ciel pollué I 1 1,04.exp 3,3cos( 1) G 56

56 Rapport direct /global On peut aussi utiliser : A partir de la mesure de l irradiation journalière globale G, on évalue l irradiation journalière diffuse D par la corrélation de Collares-Pereira et Rabl : (G 0 = G H dans cette formule) 57

57 58

58 59

59 Cartes solaires Les relevés expérimentaux effectués par les stations météorologiques depuis de nombreuses années ont servi à établir des cartes solaires donnant les valeurs moyennes d ensoleillement par site, région ou pays. Intérêt : pouvoir évaluer le potentiel solaire d un site (à affiner en fonction des conditions locales spécifiques). 60

60 en kwh/m²/jour 61

61 L énergie solaire incidente sur un plan horizontal, en France métropolitaine, varie de : 1100 kwh/m²an (Nord de la France)...à kwh/m²an (Sud de la France) 62

62 Zones Solaires en France (juillet) Orientation Sud avec pente égale à la latitude Rayonnement solaire global quotidien moyen en kwh/m2 pendant le mois de juillet (Valeurs moyennes ) 63

63 Zones Solaires en France (Janvier) Orientation Sud avec pente égale à la latitude Rayonnement solaire global quotidien moyen en kwh/m2 pendant le mois de janvier (valeurs moyennes ) 64

64 L énergie solaire dans le monde 65

65 Autres paramètres Durée d ensoleillement : c est la durée sur la journée durant laquelle il y a effectivement eu du direct (donc un rayonnement global supérieur au diffus à savoir environ 300 W/m²) Le taux d ensoleillement est le rapport de la durée d ensoleillement précédente par la durée théorique maximale du jour 66

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