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1 Rappel du Plan du cours 1. Généralités et données climatiques 3. Rappels sur les transferts de chaleur 4. Capteur Solaire Plan 5. Application à la production d eau chaude sanitaire (ECS) 6. Bibliographie et liens web 1

2 Plan du chapitre 2 et données climatiques i. Le soleil et la distribution spectrale du RS ii. Quelques définitionsd iii. iv. a. Constante solaire; b. Direct, Diffus et RéflR fléchi / Albédo; c. Mesure du RS Potentiel solaire: a. Cartographie du gisement national b. Potentiel solaire mondial Aspects géomg ométriques a. Déclinaison δ b. Repérage et mouvement apparent du soleil c. Sources web de données météo. m 2

3 Gisement solaire: aperçu de la ressource Soleil = étoile sphère gazeuse composé d Hydrogène Diamètre φ = km (100 fois celui de la Terre), Température de surface du soleil 5800 K sa masse est de l ordre de tonnes.(92.1% H ; 7.8% He ) Énergie phénoménale du Soleil provient de réactions thermonucléaires: (cycle de Bethe): Une partie de l énergie produite sert à maintenir sa température, le reste est rayonné dans l espace sous forme d ondes électromagnétiques de courte longueur d ondes (fig. 1) 3

4 Gisement solaire: aperçu de la ressource Quelques ordres de grandeur de dimensions solaires : Age : 4,5 x 10 9 ans Durée de vie estimée : ans Distance à la Terre : 150 x 10 6 km Diamètre : 1,4 x 10 6 km (Terre = km) Masse : 2 x kg (Terre = 6 x kg) Masse volumique : 1,41 g.cm-3 (eau = 1 g.cm -3 ; Terre = 5,5 g.cm -3 ) Puissance rayonnée : 4 x W Énergie reçue par la Terre : 1353 J.m -2.s -1 Température au centre : 15 x 10 6 K Température de surface : K 4

5 Gisement solaire: aperçu de la ressource Soleil = étoile sphère gazeuse composé d Hydrogène La fusion de 4 noyaux Hydrogène donne un noyau d Hélium dont la masse est de 0.7% inférieure à la somme des masses des 4 noyaux d Hydrogène. ( M(H) = ; M(He) = ) Ainsi pour chaque réaction de fusion 0.7% de la masse des noyaux d Hydrogène est convertie en énergie: Quantitativement chaque 1 kg des noyaux d Hydrogène convertis en Hélium libère 1 Million de Milliard de Joule. Sa luminosité indique que 600 Millions de tonnes d Hydrogène doivent fusionner par seconde et produire 150 Millions de tonnes d hélium libérant ainsi une énergie équivalente à 4.3 millions de tonnes d hydrogène par seconde. sa masse est de l ordre de tonnes (suffisamment d Hydrogène) Et une durée de vie estimée à 10 Milliards d années. 5

6 Gisement solaire: aperçu de la ressource Transfert d énergie par rayonnement 6

7 spectre en longueur d onde 7

8 Aperçu de la ressource: le rayonnement solaire (RS) Répartition spectrale du rayonnement solaire hors atmosphère. 98% du RS est émis dans les longueurs d ondes < 4 µm. En première approximation le RS est assimilé au rayonnement d un corps noir à 5777 K. Rappel: le rayonnement visible possède des longueurs d ondes entre 0,4 et 0,75 µm 8

9 Aperçu de la ressource: la constante solaire La valeur moyenne du flux solaire reçu par une surface perpendiculaire aux RS placée à la limite de l atmosphère terrestre (~ 80 km d altitude) varie au cours de l année avec la distance Terre/Soleil. Sa valeur moyenne E 0 est appelée la constante solaire, elle vaut E 0 = 1400 W/m 2. Au niveau du sol, la puissance maximale perpendiculairement au RS est de 1000 W par temps ensoleillé alors qu'elle est de de 1400 W hors atmosphère. La puissance incidente par une unité de surface sur un plan donné est appelée irradiance. Elle est donnée en W/m². Par intégration des irradiances sur un intervalle de temps donné, on accède aux irradiations correspondantes, usuellement données en J/m² ou en kwh/m². 9

10 Aperçu de la ressource: exercice Exercice : 'Énergie émise par le Soleil' Sachant que la puissance provenant du Soleil reçue par la Terre au niveau des nuages est de 1360 W m-2 (la fameuse "constante solaire"), et sachant que le Soleil est à 150 millions de km de la Terre, en déduire la puissance rayonnée par le Soleil? Questions Indication: Le rayonnement solaire se propage suivant une sphère, dans toutes les directions. Plus le rayon de cette sphère augmente, plus le rayonnement par unité de surface de cette sphère diminue. 10

11 Aperçu de la ressource: exercice Solution de l exercice : 'Énergie émise par le Soleil' Le RS est un rayonnement électromagnétique par conséquent la puissance rayonnée par le soleil ne se dissipe pas pendant sa propagation dans l espace. D où: Si C sol. Est la constante solaire au niveau du Soleil (à la limite du rayon Rs) A la distance Terre-Soleil d cette puissance totale sera distribuée sur une sphère de rayon d P tot = Csol x Surface(soleil) = C X Surface (sphere_d) Solution Csol = C x (d/rs)² A.N.: Csol = 1360 x (150x10 6 km/0.7x10 6 km)² Csol.= 6.4 x 10 7 W/m² Enfin : P tot.= 6.4x10 7 x4πx( )² = 3.94 x10 26 W 11

12 Aperçu de la ressource: Direct, Diffus et réfléchi Pour pouvoir dimensionner une installation solaire, il est nécessaire de connaître la quantité d'énergie disponible. Dans un plan donné, l'irradiation incidente, appelée irradiation globale, est la somme de trois composantes : - l'irradiation directe (kwh/m²/j), qui provient directement du soleil. Cette composante est nulle lorsque le soleil est caché par des nuages ou par un obstacle (bâtiment, masque lointain) - l'irradiation diffuse (kwh/m²/j) qui correspond au rayonnement reçu de la voûte céleste, hormis le rayonnement direct. - l'irradiation réfléchie (kwh/m²/j) qui correspond au rayonnement renvoyé par le sol et l'environnement. Cette composante est nulle sur un plan horizontal. 12

13 Aperçu de la ressource: Albédo L'albédo du système Terre Atmosphère est la fraction de l'énergie solaire qui est réfléchie vers l'espace. Sa valeur est comprise entre 0 et 1. Plus une surface est réfléchissante, plus son albédo est élevé. Les éléments qui contribuent le plus à l'albédo de la Terre sont : les nuages, les surfaces de neige et de glace et les aérosols. Par exemple, l'albédo de la neige fraîche est de 0,87, ce qui signifie que 87 % de l'énergie solaire est réfléchie par ce type de neige. 13

14 Aperçu de la ressource: mesure du RS l'irradiation globale reçue sur une surface horizontale. Elle se mesure avec un solarimètre ou pyranomètre. Principe: Les pyranomètres délivrent une tension directement proportionnelle à l'irradiation. Cette tension provient d'une thermopile dont la partie supérieure s'échauffe par exposition à l'irradiation solaire alors que la partie inférieure protégée de cette irradiation sert de référence. Ce sont des appareils coûteux : il y a donc peu de stations météorologiques qui en utilisent 14

15 Aperçu de la ressource: mesure du RS Autre sonde de mesure de l irradiation solaire. 15

16 Aperçu de la ressource: potentiel solaire La durée d'insolation est mesurée par des héliographes. La carte d'insolation du Maroc (fig. 24) nous montre: Le soleil se montre plus volontiers dans le sud et l est du pays que dans le nord. Le Maroc dispose d un gisement solaire de presque 320 jours/an et d un potentiel moyen 5.5kWh/m².jour. N O E S Kilomètres Moins de 4,7 KW h/m2 Entre 4,7 & 5,0 KW h/m2 Entre 5,0 & 5,3 KW h/m2 Entre 5,3 & 5,5 KW h/m2 Plus de 5,5 KW h /m2 Fig.24 : Cartographie du gisement solaire au Maroc. 16

17 Aperçu de la ressource: potentiel solaire Janvier Mars Mai Juillet Out Octobre Déc. Agadir 3,66 5,54 6,82 6,64 6,03 4,94 3,13 Casablanca 2,7 4,79 6,39 6,89 6,36 4,04 2,38 Laayoune 3,63 5,71 6,96 6,8 6,51 5 3,49 Essaouira 3,3 5,12 6,36 7,06 6,57 4,42 2,97 Fès 2,87 4,54 6,55 7,61 7,04 4,24 2,62 Marrakech 3,45 5,16 6,67 7,58 7,01 4,62 3,19 Nador 3,69 4,6 6,62 7,47 7,11 4,27 2,35 Ouarzazate 2,86 6,01 7,56 7,51 6,87 5,05 3,58 Oujda 2,89 4,69 6,67 7,65 6,65 4,3 2,67 Rabat salé 2,79 4,56 6,59 7,12 6,62 4,2 2,55 Safi 3,12 5,11 6,92 7,3 6,86 4,46 2,89 Tanger 2,53 4,48 6,78 7,62 7,08 4,11 2,3 Tableau donnant les Irradiations globales moyennes journalières de quelques villes du royaume en kwh/m² (Source: Météorologie Nationale). 17

18 Aperçu de la ressource: potentiel solaire mondial La carte ci-dessus montre les valeurs annuelles moyennes de l irradiation globale, en kwh/m². L'énergie solaire disponible diffère d'une zone géographique à à l'autre, mais aussi au fil de l'année. Dans les zones désertiques proches de l'équateur, les valeurs d'irradiation annuelle peuvent atteindre les kwh/(m².an). 18

19 Aperçu de la ressource: récapitulons Les variations de l énergie reçue sont fonction de plusieurs paramètres: durée d ensoleillement; masse d atmosphère traversée par les RS; inclinaison des RS; nébulosité (nuages, brouillards, ) Les caractéristiques qualitatives et quantitatives d ensoleillement d un site sont des données essentielles pour tout concepteur d installations solaires. Nous allons nous intéresser dans la suite aux aspects géométriques du rayonnement solaire intercepté par la Terre. 19

20 Aspects géométriques: repérage du soleil la déclinaison δ: La trajectoire de la Terre autour du Soleil est une ellipse dont le Soleil est l un des foyers. Le plan de cette ellipse est appelé l écliptique. La Terre tourne également sur elle-même autour d un axe appelé l axe des pôles. Le plan perpendiculaire à l axe des pôles et passant par le centre de la Terre est appelé l équateur. On appelle déclinaison δ l angle formé par la direction du Soleil avec le plan équatorial. Elle varie au cours de l année entre -23,45 et +23,45. Elle est nulle aux équinoxes (21 mars et 21 septembre), maximale au solstice d été (21 juin) et minimale au solstice d hiver (21 décembre). La valeur de δ est calculée par: Où j est le numéro du jour de l année. 20

21 Aspects géométriques: repérage du soleil la déclinaison δ: 21

22 Aspects géométriques: repérage du soleil position du soleil : Pour repérer la position du soleil dans le ciel, on utilise deux angles : la hauteur h : angle entre la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal; l'azimut a : angle entre cette projection et la direction du Sud : a est compté positivement vers l'ouest et négativement vers l'est. Ces deux angles sont fonction de : - La latitude L du lieu -La datej (numéro du jour de l année) - L heure solaire TS dans la journée. 22

23 Aspects géométriques: repérage du soleil position du soleil : Figure 30 : Repérage de la position du Soleil. On définit le jour comme le temps mis par la Terre pour effectuer un tour sur elle-même. Un jour a été divisé en 24h et on a défini l heure solaire TS en fixant TS = 12h lorsque la hauteur du Soleil est maximale (le Soleil est à son «zénith»). 23

24 Aspects géométriques: repérage du soleil Mouvement apparent du soleil : Le mouvement apparent du Soleil vu par un observateur fixe en un point de latitude L au nord de l équateur est représenté sur la figure 2.3 Au midi solaire, l angle que fait la direction du Soleil avec la verticale du lieu est égal à (L δ). La durée du jour est de 12h aux équinoxes, elle est inférieure à 12h entre le 21 septembre et le 21 mars, supérieure à 12h entre le 21 mars et le 21 septembre. Figure 31 : Mouvement apparent du Soleil observé d un point de latitude L 24

25 Aspects géométriques: repérage du soleil position du soleil : Application Question 25

26 Aspects géométriques: repérage du soleil position du soleil : Application Exemple : Calculer l angle fait par la direction du Soleil avec la verticale au midi solaire à Agadir le 27 mai. La latitude L d Agadir est L = 30,4 N (longitude -9,6 ).? Nous avons : j = ( ) = 147 d où Question L angle fait par la direction du Soleil avec la verticale du lieu au midi solaire a pour valeur : L δ = 30,4 20,78 = 9,62 >0. A Agadir le 27 mai, le Soleil passe donc au Sud de la verticale à midi. 26

27 Aspects géométriques: repérage du soleil Relation entre Temps légal TL et temps solaire TS : Toutes les relations ayant rapport au mouvement du soleil utilisent le temps solaire TS qui diffère généralement du temps légal TL du lieu considéré. Cette différence est liée à 3 facteurs: à) différence de longitude entre le lieu considéré et la longitude de référence au temps légal (L lieu L ref ); prise positive pour les longitudes est et négative pour les long. Ouest. b) Correction due à l équation du temps ET et qui tient compte des perturbations du au mouvement de la terre; c) Correction due au changement d heure légal entre l été et l hiver C. TS = TL + ET + (L lieu L ref )/15 + C (2.1) Ou l équation du temps est donnée par ( j: numéro du jour de l année; J = j): ET = cos J cos 2J cos 3J sin J sin 2J sin 3J (2.2) La correction due à (2.2) étant inférieure à ±15 mn, il est souvent superflu d en tenir compte. Les valeurs des autres termes sont plus élevés. En France par exemple: C = -2h en été et C=-1 en hiver (GMT +2) et (GMT + 1) 27

28 Aspects géométriques: repérage du soleil Exercice : Temps légal TL et temps solaire TS : Quelle heure est-il à la montre d une personne située à Grenoble à midi solaire? En hiver? En été? Grenoble : Latitude N ; Longitude 5 43 E ; Hiver GMT+1 ; Eté GMT+2 Questions Si on considère la terre comme étant ronde. Pour en faire le tour, il faut faire Le soleil fait le tour de la terre en 24 heures. Donc pour se déplacer de 1, le soleil met 4 minutes (24 h x 60 mn / 360 ) 2. Grenoble est situé à dans l hémisphère nord à 5 43 Est de Greenwich mn simplifié à 5,7 en mesure décimale, nous fait un décalage de 5,7 x 4 mn = 22,8 minutes, disons 23 mn. 3. Le soleil se levant à l Est et se couchant à l Ouest, il est midi solaire à Grenoble, avant qu il ne soit midi solaire à Greenwich. Donc en hiver [GMT + 1] quand il est midi solaire à Grenoble il est 12h37 à la montre Et en été [GMT + 2] quand il est midi solaire à Grenoble, il est 13h37 à la montre 28

29 Aspects géométriques: repérage du soleil position du soleil : Chaque jour, le soleil décrit une trajectoire dont les deux principales coordonnées, l'azimut et la hauteur, sont représentées sur le graphique. Ce dernier permet également de faire figurer l'azimut et la hauteur des obstacles possibles se dressant devant une installation solaire déterminée. Ce graphique permet par conséquent de déterminer les périodes de temps et les jours au cours desquels l'installation solaire ne recevra pas directement le rayonnement solaire direct. 29

30 Aspects géométriques: repérage du soleil position du soleil : Ce graphique illustre les valeurs approximatives du rayonnement solaire global parvenant sur une surface horizontale en fonction du temps. De toute évidence, les niveaux de rayonnement sont élevés lorsque le ciel est dégagé (ceci dépendant aussi de l'époque de l'année), et peuvent atteindre 800 à W/m², tandis que, par temps très couvert, la surface ne reçoit plus que 200 W/m²,. Un jour de grand soleil estival, l'irradiation peut atteindre des valeurs de l'ordre de 7 kwh/m². 30

31 Sources de données météo : On peut obtenir auprès de la Météorologie Nationale des données mesurées payantes : - Durées d'ensoleillement - Températures extérieures journalières - Moyennes mensuelles d irradiation globales, etc Autres sources de données gratuites : - NASA : (1) - Joint Research Center : (1) Le logiciel RETScreen développé par les chercheurs Canadiens permet d'évaluer la viabilité des projets en énergie renouvelable. Il aide ses utilisateurs à prendre une décision éclairée, aussi bien sur le plan technique (choisir la technologie appropriée) que financier (détermination des économies que l'utilisateur réaliserait s'il optait pour des énergies renouvelables).il est possible de télécharger gratuitement ce programme ( qui est offert par le gouvernement du Canada. 31

32 Sources de données météo : Bases de Données de rayonnement solaire pour 1195 de sites météo terrestres de 30 ans (à partir de ) : World Radiation Data Centre (WRDC). Satellites dédiés aux données climatiques et météo. 32

33 Sources de données météo : 33

34 Sources de données météo : 34

35 Sources de données météo : Latitude 30 / Longitude -10 was chosen. 35

36 36

37 FIN Chap.2 37

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