Les Applications du Solaire Thermique Basse Température

AFRICA SOLAR 2015 25-27 juin 2015 OUAGADOUGOU Les Applications du Solaire Thermique Basse Température Siaka TOURE Laboratoire d Energie Solaire, Université Félix Houphouët-Boigny Abidjan Cocody Côte d Voire e-mail :siakaahtoure@yahoo.fr

PLAN DE L EXPOSE I INTRODUCTION II - LE SYSTEME SOLEIL TERRE ET LA PUISSANCE RADIEE VERS LA TERRE III LE PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOTHERMIQUE IV LES CAPTEURS SOLAIRES V APLICATIONS VI DIMENSIONNEMENT VII - CONCLUSION 2

I INTRODUCTION Au moins trois facteurs militent aujourd hui en faveur des énergies renouvelables: la consommation sans cesse croissante d énergie au niveau mondial, l épuisement programmé des sources d énergie fossile (charbon, pétrole, gaz ) et la nécessité de la prise en compte des préoccupations mondiales au niveau environnemental qui ont été suscitées par le réchauffement climatique. L humanité, dans son ensemble, s oriente vers les énergies propres, celles dont l exploitation ne crée pas de gaz à effet de serre additionnel. LA SOURCE PRINCIPALE DE TOUTE ENERGIE DISPONIBLE SUR NOTRE PLANETE TERRE EST LE SOLEIL 3

II - LE SYSTEME SOLEIL TERRE ET LA PUISSANCE RADIEE VERS LA TERRE le soleil, notre étoile, rayonne vers l espace une énorme puissance. 4

Dans Le SYSTEME SOLEIL TERRE, le soleil radie vers la terre dans un cône indiqué ci-dessous Soleil Wt Ws Terre 5

L Energie rayonnée par le soleil est Ws tandis que celle reçue sur terre est Wt. Ces énergies se calculent à partir des puissances suivantes: PUISSANCE RAYONNEE QUOTIDIENNEMENT PAR LE SOLEIL DANS L ESPACE: Ps = 3,86.10 26 Watts PUISSANCE RECUE SUR TERRE :Pt = 17,4476.10 16 Watts ENERGIE SOLAIRE RECUE SUR TERRE EN 24 HEURES : Wt = 4,19.10 15 KWh 6

Une faible fraction de l énergie émise par le soleil parvient sur terre. Cette fraction transporte cependant une énorme puissance. L ENERGIE QUE NOUS RECEVONS DU SOLEIL EST 25.000 FOIS L ENERGIE CONSOMMEE PAR L HUMANITE Cette énergie est inégalement répartie sur la surface terrestre. Il faut donc faire une évaluation de l énergie solaire disponible sur chaque site. L Afrique est le continent le plus ensoleillé avec des éclairements qui dépassent en moyenne 700 Watts par m². L irradiation journalière varie en moyenne de 4,5 à plus de 6 Kwh/m²/jour. Le rayonnement solaire annuel dans le monde est donné sur la carte ci-dessous 7

Rayonnement solaire annuel dans le monde Cette carte, qui montre les ressources annuelles d énergie solaire dans le monde, indique bien que le gisement solaire en Afrique est le plus abondant, avec des ressources variant de 1700 à plus de 2300 KWh/m²/an. 8

III LE PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOTHERMIQUE La conversion thermique est le mode de conversion qui transforme l énergie solaire en chaleur. Cette conversion se fait à travers un capteur solaire ou capteur héliothermique Dans certains cas, un fluide caloporteur (air, eau, huile ) est utilisé pour amener la chaleur produite au niveau du collecteur vers la distribution. Cette chaleur peut dans certains cas, être envoyée dans un stockeur avant d être acheminée vers la distribution. Le schéma ci-dessous résume les éléments qui peuvent intervenir dans le système de conversion 9

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IV LES CAPTEURS SOLAIRES Le capteur reçoit le rayonnement solaire, dans une bande de longueurs d onde 0,15 µm< λ< 0,30 µm, le spectre visible allant de 0,40 à 0,75 µm Le capteur comporte un absorbeur, qui est une surface noircie pour accroître sa capacité d absorption de l énergie solaire. Si c est une surface sélective, son absorptivité α > 0,9 et son émissivité ε <0,1. L absorbeur chauffé émet de l infrarouge. Une isolation est utilisée pour limiter les pertes thermiques du capteur. On utilise des matériaux dont la conductivité thermique est très faible. Un vitrage est utilisé pour créer l effet de serre, ce qui a pour effet d augmenter la température de l absorbeur. Le schéma ci-après montre une coupe d un capteur plan avec un vitrage. 11

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V- APPLICATIONS Les applications du solaire thermique basse température sont nombreuses. On peut citer entre autres: -Le distillateur solaire - le chauffe-eau solaire - le séchoir solaire - le réfrigérateur solaire photothermique V-1 Les distillateurs solaires La disponibilité de l eau potable est aujourd hui une préoccupation majeure de l humanité. La terre est recouverte d eau à 71%, mais 98% de ce volume a une concentration en sel trop élevée. Cette eau n est donc pas potable. Elle ne peut pas non plus être utilisée dans l irrigation ou dans l industrie. 13

La distillation permet de débarrasser l eau impure non potable (eaux saumâtres tirées du sous-sol, eau de mer) de ses impuretés pour obtenir de l eau potable. Les distillateurs classiques utilisent les sources d énergies thermiques habituelles, qui contribuent au réchauffement climatique. V-1-1 Les dispositifs de distillation pour le dessalement de l eau saumâtre On distingue les distillateurs à simple effet et les distillateurs à multiple effet V-1-1-a Les distillateurs à simple effet Un exemple est donné ci-dessous 14

C est un vieux procédé : l anglais Harding installa sur le plateau d Atacama, au Chili, 4700 m² de distillateur solaire destinés à la production d eau potable, en 1872

Le fluide de chauffage peut être couplé à un capteur solaire. Le système tire alors son énergie du soleil 16

V-1-1-a Les distillateurs à multiple effet Figure : Distillateur à multiple effet (MED) V-1-2 Les distillateurs d eau classiques Les distillateurs solaires peuvent être à simple ou à multiple effet. Le couvercle vitré peut être plan ou sphérique 17

Un distillateur à simple effet est représenté ci-dessous. Le couvercle vitré sert de condenseur Figure :Distillateur solaire à simple effet à vitre plane 18

Un distillateur à double compartiments de notre conception est représenté ci-dessous. Il est adapté à la distillation alcoolique DISTILLATEUR SOLAIRE ADAPTE A LA DISTILLATION ALCOOLIQUE : DISTILLATEUR A DOUBLE COMPARTIMENTS solution à distiller absorbeur Vitre 2 Vitre 1 joint battant fente couvercle en contreplaqué Vitre 3 joint battant récepteur 2 récepteur 1 isolation thermique 1 Compartiment A Compartiment B Coupe transversale du distillateur DISTSOL.DC Figure : Coupe transversale du distillateur à double compartiments adapté à la distillation alcoolique 19

Un distillateur à vitre sphérique est représenté ci-dessous. Figure : Distillateur solaire sphérique Source: Thèse HALLOUFI OUAHID 20

Un autre type de distillateur solaire est le distillateur à cascade représenté ci-dessous Figure : distillateur solaire à cascade Source: Thèse HALLOUFI OUAHID 21

On utilise aussilen distillateur à mèche qui est schématisé ci-dessous. Figure : Distillateur solaire à mèche pour le dessalement de l eau saumâtre 22

V-2 Le chauffe-eau solaire Il existe plusieurs types de chauffe-eau solaires Dans certains cas, la circulation du fluide caloporteur ( l eau ) est naturelle et le stockage est situé au-dessus du capteur solaire. Le système comporte une boucle thermique avec un échangeur situé au cœur du ballon de stockage et le capteur est plan Dans d autres cas, le ballon de stockage est situé au-dessous du capteur Le système ne comporte alors ni boucle thermique, ni échangeur 23

Certains types de chauffe-eau solaires fonctionnent en convection forcée. Ils sont alors munis d une pompe qui impose le débit du fluide caloporteur Le chauffe-eau solaire permet d obtenir de l Eau Chaude Sanitaire (ECS). Le système peut être un Chauffe-eau Solaire Individuel (CESI) ou un Système Solaire Combiné (SSC) qui combine le chauffage et la production d eau chaude D autres types de chauffe-eau utilisent des capteurs du type à tubes sous vide Ce type est souvent utilisé pour les applications au-dessus de 80 C 24

TECHNOLOGIE SOMMAIRE DU CHAUFFE-EAU SOLAIRE Le capteur solaire convertit le rayonnement solaire en chaleur La chaleur produite est extraite par un fluide caloporteur et stockée dans un ballon de stockage Dans le système thermosiphon schématisé ci-dessous, la circulation du fluide caloporteur est naturelle DUREE TECHNIQUE : 20 ANS POUR LES BONS SYSTEMES 25

Figure: Schéma du système thermosiphon Ce système thermosiphon est le plus utilisé. Comme l indique la figure ci-dessous, un échangeur est utilisé pour communiquer la chaleur venant du capteur au ballon de stockage 26

Figure: Un exemple de Chauffe-eau Solaire Individuel (CESI) avec échangeur Pour obtenir de l eau chaude sanitaire, on peut se passer du ballon de stockage. La chaleur est directement stockée à l intérieur du capteur dans le tube contenant le fluide caloporteur. Un exemple est donné sur la figure suivante: 27

Figure: Un type de chauffe-eau solaire sans ballon de stockage V-3 La piscine solaire, chauffage solaire et le plancher chauffant L énergie solaire est aussi utilisée pour chauffer les piscines. On estime, pour une piscine équipée d une couverture la nuit, qu il faut 0,50 m² de capteur solaire par m² de plan d eau. Le schéma de principe de la piscine solaire est donné ci-dessous 28

Figure : Schéma de principe de la piscine solaire pour le chauffage solaire, l eau chaude venant du ballon de stockage est envoyée dans le radiateur à l aide d une pompe. Pour les planchers chauffants, l énergie solaire provenant du ballon de stockage est stockée dans une dalle ou Plancher Solaire Direct (PSD) dont l épaisseur varie de 12 à 15 cm 29

V-4 Les séchoirs solaires Il existe plusieurs types de séchoirs solaires V-4-1 Le séchoir solaire direct Il est schématisé ci-dessous Figure : Coupe d un séchoir solaire direct 30

Le séchoir solaire est généralement un capteur plan La chaleur est transférée aux produits à sécher(qui sont installés sur les claies) par convection et par rayonnement La circulation d air dans le séchoir se fait par thermosiphon ( tirage naturel ) AVANTAGES : Lair de séchage est plus chaud que l air ambiant Les produits sont protégés contre les mouches, les autres insectes et les animaux en divagation 31

V-4-2 LES SECHOIRS SOLAIRES INDIRECTS Figure : Schéma du séchoir solaire indirect Le capteur solaire(générateur d air chaud) et la cellule de dessiccation sont séparés par une conduite 32

Le tirage de l air chaud est soit naturel (effet de cheminée), soit forcé(utilisation d une pompe ou d un ventilateur) V-4-3 AUTRES TYPES DE SECHOIRS SOLAIRES SECHOIRS SOLAIRES MIXTES : combinent les séchoirs solaires directs et indirects SECHOIRS SOLAIRES HYBRIDES:énergie solaire et une autre forme d énergie (appoint ) 33

LE REFROIDISSEMENT SOLAIRE Le réfrigérateur solaire à adsorption est utile sur des sites isolés CARACTERISTIQUE PRINCIPALE : absence d électricité TECHNOLOGIE SOMMAIRE DU REFRIGERATEUR PHOTOTHERMIQUE 34

REFRIGER ATEUR PHOTOTHERMIQUE Ces réfrigérateurs utilisent des couples adsorbant - adsorbât frigorigène 35

Exemples de couples Couple Zéolithe 13X - eau : pour des températures entre 0 et 8 C Couple charbon actif - méthanol : pour températures au-dessous de 0 C AUTRES CARACTERISTIQUES : La production de froid est généralement intermittente avec production de froid la nuit et régénération de l adsorbant pendant la journée C est un système à cycle quadritherme

Tdes = Température de désorption de l adsorbant Tcond = Température du condenseur Tev = Température de l évaporateur Tads = Température de réadsorption au petit matin Le fluide frigorigène subit donc 4 changements de phase VI DIMENSIONNEMENT Les données d irradiation sont indispensables, pour tout travail de dimensionnement. L énergie solaire, c est gratuit, mais on l exploite à travers un système de conversion qui a son rendement. La taille du système installé doit être en adéquation avec la puissance utile consommée. Le dimensionnement est donc nécessaire. Prenons par exemple le cas d un chauffe-eau solaire. On veut installer un capteur pour satisfaire le besoin de Vu litres d eau à la température Tu par jour.

Nous en déduisons la surface minimale Sc du capteur à installer selon le schéma suivant: Vu Tu Energie utile Qu Rendement du capteur Irradiation journalière Surface minimale de capteur à installer Sc Nombre Nm de modules à installer, avec Nm = Sc/Sm, Sm étant la surface d un module L irradiation journalière interviendra de la même manière dans le dimensionnement de tout système de conversion de l énergie solaire. 38

VII - CONCLUSION Les applications du solaire thermique basse températures sont assez nombreuses et concourent à la satisfaction de très nombreux besoins dans le domaine de l agriculture, de la santé et de l amélioration de la qualité de la vie. La cuisson solaire, qui sort du cadre des basses températures, n est pas abordée ici. Signalons cependant que c est un important domaine qui contribue aussi à la qualité de la vie et à la préservation de l environnement 39

NOUS VOUS REMERCIONS POUR VOTRE AIMABLE ATTENTION LABORATOIRE D ENERGIE SOLAIRE UFR SSMT UNIVERSITE FHB DE COCODY ABIDJAN