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La transformation chimique et physique des différentes matières nécessite souvent une concentration de chaleur à températures élevées. Un four est un appareil accumulateur de chaleur déjà utilisé depuis le moyen âge destiné à cette fin. Une technique moderne met au point un four à énergie solaire. Une telle machine permet d’atteindre les hautes températures et de produire de l’électricité sans pour autant infecter l’environnement.
Le soleil est l’une des sources d’énergie non polluant disponible sur terre. Il est l’étoile située à une distance moyenne voisine de 150 millions de km de notre planète. Son énergie provient des réactions thermonucléaires de fusion de l’hydrogène en hélium. Il a une température superficielle moyenne estimée à 5800 K. Son rayonnement met à peu près 8 minutes pour atteindre la surface externe de la terre. La quantité d’énergie solaire reçue est environ 0,9 kW/h/m² pendant la journée. Elle est également en fonction de l’orientation du récepteur.
Un premier modèle d’une tour solaire a été proposé par un militaire espagnol, le colonel Isidoro Cabanyes en 1903. Après, en 1964, l’ingénieur français Edgard Nazare a avancé dans son brevet une technique artificielle pour créer une circulation atmosphérique tourbillonnaire à l’intérieur d’une tour. En 1981, l’ingénieur allemand Jörg Schlaich a construit le premier prototype à Manzanares en Espagne. Il mesurait 194 m de hauteur, 5 m de diamètre, 15 hectares de serre au sol et produisait une puissance de 50kW.
En principe, deux types de fours solaires existent : une tour solaire et une cheminée solaire.
La technologie du premier type consiste à concentrer le rayonnement solaire dans une enceinte réfractaire pour obtenir de la vapeur d’eau chaude. Ceci entraîne une turbine par la suite. Un récepteur est ainsi installé par lequel l’énergie est transmise au fluide, au moyen d’une série de miroirs qui peuvent être mobiles.
Par contre, une cheminée solaire utilise l’effet de serre pour actionner des turbines. La méthode met en œuvre des toits transparents qui sont des collecteurs et une tour de cheminée solaire. L’air s’élève à l’intérieur de la cheminée passant par les turbines. Des générateurs récoltent l’énergie mécanique pour fournir de l’électricité.
L’énergie mise en jeu dans ces procédés est une énergie renouvelable, exploitable pour un grand nombre d’années.
Sur le plan international, la situation énergétique a été toujours d’une tendance unique à caractère de rentabilité immédiate comme le tout-pétrole après tout charbon puis vers un passage éventuel du tout-nucléaire. Pourtant cette solution est en équilibre fragile et perpétuellement instable. D’ailleurs, l’émission de certaines substances provenant de l’utilisation du pétrole, du charbon,… comme source d’énergie a un effet destructif sur la concentration stratosphérique de l’ozone. En 2003, la mesure du trou dans la couche d’ozone sur l’Antarctique a donné une valeur de 11 million miles² d’élargissement. Le réchauffement climatique est estimé de 2 à 5°C jusqu’en 2100 .
Une cheminée solaire est un édifice énergétique produisant de l’électricité à partir de l’énergie solaire.
L’étude de la cheminée solaire consiste à traiter le problème de la convection naturelle interne. La résolution du problème se repose sur huit principales hypothèses : la linéarité des variations de la masse volumique du fluide avec la température, l’incompressibilité de l’écoulement du fluide, la constance de la masse volumique par rapport à toutes autres grandeurs, la constance des propriétés physiques du fluide, la négligence de la puissance volumique dissipée et du flux de dissipation visqueuse de la chaleur et l’inexistence de l’échange par rayonnement au sein du fluide. Le problème a été aussi considéré permanent, laminaire et bidimensionnel.
Les équations qui traduisent le phénomène d’écoulement de l’air dans la cheminée sont les équations de conservations. Elles ont été formulées en coordonnées hyperboliques.
L’établissement du modèle numérique a fait intervenir l’application de la méthode des volumes finis présentée par Patankar et du procédé des différences centrées.
Les résultats par simulation numérique ont prouvé la faisabilité d’une telle construction pour générer de l’électricité. Pour une optimisation sur l’efficacité énergétique, la hauteur de la tour et le diamètre du toit de collecteur sont à augmenter autant que possible. Le nombre de Rayleigh influe aussi de façon considérable sur le rendement.
La réalisation expérimentale d’un prototype d’un four solaire est nécessaire pour compléter en entier le travail de recherche .La comparaison des résultats permet de réévaluer l’authenticité du modèle numérique que nous avons adopté.
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