Présentation générale du soleil
Le soleil est un astre de forme pseudo-sphérique comparable à une immense boule gazeuse qui se compose de 80% d’atomes d’hydrogène, de 19 % d’atomes d’hélium et le 1 % restant est composé de plus de 100 éléments chimiques.
La puissance lumineuse rayonnée par cet astre est de l’ordre de 4.1023 kW dont seulement 1,7 1017 W parvient à la surface de la terre sous forme d’onde électromagnétique.
Le soleil est une étoile de taille moyenne qui représente 99,9 % de la masse du système solaire. Cet étoile solaire est non homogène et est constitué de trois zones principales : l’intérieur, la photosphère, la chromosphère et la couronne solaire.
L’intérieur qui contient 40 % de sa masse et dans lequel ils se passent les réactions thermonucléaires produisant 90 % de l’énergie sous forme de rayons gamma et RayonX. Cette zone se répartie en 3 sous-zones : le noyau, la zone radiative et la zone convective.
Le noyau ou le cœur du soleil caractérisé par une température de 15 million de degré Celsius, une densité de 1015, une pression de 109 atm et d’une épaisseur de 25 104 km
La zone radiative dans laquelle diffuse la chaleur produite ; elle présente les propriétés suivantes : une épaisseur de 244160 km, une température variant de 10. 106 à 50.104°C.
La zone convective, siège d’une convection turbulente. Elle se caractérise par une température de l’ordre de 50.104 à 6400 °C, d’une épaisseur de 199758 km.
La photosphère est la couche gazeuse qui enveloppe le soleil. Elle absorbe le rayonnement de l’intérieur et réémet presque 99% sous forme de spectre continu de radiations qui couvrent le visible. Sa température à la surface décroit de 6400 °C à 4500°C ; son épaisseur est de l’ordre de 500 km.
La chromosphère est la couche gazeuse qui surmonte la photosphère .Elle représente avec la couronne l’atmosphère solaire et émet un rayonnement de faible intensité. Elle s’étend de 2000 km et sa température est comprise entre 4200 °C à 10000 °C.
Transfert de chaleur par convection
La convection est un transfert de chaleur entre la surface d’un corps solide (ou liquide) et un fluide. Ce mode de transfert d’énergie est dû au mouvement du fluide en contact avec la surface du solide. On distingue deux types de convection :
La convection naturelle : Dans ce cas, le mouvement du fluide est engendré par la variation de densité du flux de chaleur dû aux variations de température ou de concentrations au sein du fluide. La convection forcée : le mouvement du fluide est provoqué par une action externe ne dépendant pas de la différence de température au sein du fluide. Exemple : l’action d’une pompe, d’un ventilateur etc.
Selon l’intensité de la vitesse de mouvement du fluide, on peut distinguer deux régimes d’écoulement : Le régime dit laminaire pour de faibles vitesses et pour lequel on peut définir à chaque instant et en chaque point la vitesse et la température du fluide.
Le régime dit turbulent pour de grandes vitesses, les valeurs instantanées ne sont plus accessibles; seules les valeurs moyennes de la vitesse et de la température sont mesurables.
Présentation de la méthode numérique de programmation dans le logiciel Mathcad
En physique, il nous est souvent nécessaire de prédire ou d’interpréter les phénomènes dès l’instant que nous connaissons un certain nombre de grandeurs physiques qui régissent la modélisation mathématique du système étudié.
En général, les systèmes d’équations algébriques qui définissent les phénomènes de transfert de chaleur dans les capteurs sont non-linéaires et difficiles à résoudre par voie analytique. On fait recours aux méthodes numériques de résolution de ces équations pour ensuite faire une programmation numérique par usage d’un logiciel.
Nous nous sommes proposé de faire une simulation numérique sur le rendement instantané de ce prototype de cuiseur solaire dont nous connaissons les propriétés thermo-physiques et optiques des différents composants.
Dans le cadre de cette simulation, nous nous servir du logiciel de programmation Mathcad pour avoir nos résultats.
Présentation du logiciel de programmation Mathcad : Nous disposons actuellement de quelques logiciels de programmation numériques comme Mathcad 15.0. C’est un logiciel qui permet de réaliser des calculs scientifiques. Son interface permet de réaliser des rapports, c’est-à-dire des documents formatés qui mêlent des calculs et des textes nécessaires à la compréhension d’un projet d’ingénierie. Avec son interface bloc-notes unique, le logiciel intègre dans une même feuille de calcul les notations, textes et graphiques mathématiques standards. Il contient des fonctions de calcul numérique et de calcul formel. Le logiciel Mathcad 15.0 admet diverses opérations que nous pouvons combiner dans une même feuille de calcul :
Permet d’y entrer les données réelles ou paramètres variables; Permet d’y saisir les relations mathématiques (équations) quelques soit leur complexité; Permet d’y tracer des courbes à partir des données entrées; Permet d’y saisir des textes ou d’y mettre des images.
Programmation dans logiciel Mathcad 15.0 : La programmation dans un logiciel de calcul consiste à décrire les différents étapes à suivre pour faire entrer les données réelles, les paramètres variables et saisir les équations dans le but de les exploiter pour en déduire les résultats (tracé des courbes et interprétations).
Ainsi, dans le cadre de notre travail nous avons procédé par les étapes ci-dessous, dans le logiciel Mathcad 15.0 pour faire notre programmation :
Affichage de la page d’accueil du logiciel. Déclaration des données réelles. Déclaration des paramètres variables. Saisir l’équation qui est fonction de tous les paramètres variables déclarés. Faire varier les paramètres variables dans l’équation et calculer les valeurs numériques correspondantes. Activer le logo du graphe et lancer le tracé des courbes. Ajuster la gamme de valeurs choisies pour avoir les bonnes allures des courbes.
Exploitation du rayonnement solaire
Le rayonnement solaire arrivant au sol peut être transformée par différentes méthodes en d’autres formes d’énergie utiles pour la vie quotidienne. On peut citer :
Le solaire thermique, produit par transformation du rayonnement en chaleur utilisable ; soit pour le chauffage solaire, la cuisine, le séchage de produits agro-alimentaires ; soit pour la production d’électricité (central solaire thermodynamique).
L’énergie solaire photovoltaïque : Grace à l’effet photovoltaïque, une photopile transforme une partie du rayonnement en électricité.
Une photopile est un dispositif constitué d’une jonction de matériaux semi-conducteurs dont le plus employé dans la technologie de fabrication est le silicium.
Le rayonnement solaire : L’énergie électromagnétique produit au cœur du soleil par des réactions thermonucléaires est un rayonnement corpusculaire qui se propage dans toutes les directions et qui couvre toutes les longueurs d’ondes. La quasi-totalité de son énergie (99 ,9 %) se situe dans une gamme de longueur d’ondes comprise entre 0 ,2 µm et 0,8 µm. Le rayonnement solaire est principalement caractérisé par deux grandeurs physiques : la constante solaire et la répartition spectrale.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur le soleil, les modes de transfert de chaleur et état de l’art des capteurs solaires plans
Introduction
I-1/ Généralités sur le soleil
I-1-1/ Présentation générale du soleil
I-1-2/ La source de l’énergie solaire
I-1-3/ Exploitation du rayonnement solaire
I-1-3-1/ Le rayonnement solaire
I-1-3-2/ Le rayonnement solaire direct
I-1-3-3/ Le rayonnement solaire diffus
I-1-3-4/ Le rayonnement solaire global
I-2/ Les modes de transfert de chaleur
I-2-1/ Transfert de chaleur par conduction
I-2-1-1/ La loi de Fourier
I-2-1-2/ Equation de chaleur
I-2-2/ Transfert de chaleur par convection
I-2-2-1/ Définition
I-2-2-2/ La loi de Newton
I-2-3/ Transfert de chaleur par rayonnement
I-2-3-1/ Définition
I-2-3-2/ Loi de Stefan-Boltzmann
I-3/ Etat de l’art des capteurs plans
Conclusion
Chapitre II : Etude théorique et numérique du bilan thermique du capteur solaire
Introduction
II-1/ Présentation du modèle du capteur
II-1-1/ Le coffre
II-1-2/ La double couverture
II-1-3/ L’absorbeur
II-1-4/ L’isolation thermique
II-2/ Modélisation mathématique du bilan thermique de chaque composant
II-2-1/ Hypothèses simplificatrices
II-2-2/ Le bilan thermique de la couverture externe
II-2-3/ Le bilan thermique de la couverture interne
II-2-4/ Le bilan thermique de l’absorbeur
II-2-5/ Le bilan thermique de l’isolation
II-3/ Expression du rendement instantané du capteur
II-4/ Exploitation des paramètres liés aux composant du capteur
II-5/Présentation de la méthode numérique de programmation dans le logiciel Mathcad
II-5-1/ Présentation du logiciel de programmation Mathcad
II-5-2/ Programmation dans le logiciel Mathcad
Conclusion
Chapitre III : Résultats et Interprétation
Introduction
III-1/ Etude de l’effet de quelques paramètres sur le rendement instantané du cuiseur solaire
III-1-1/ Validation de notre méthode numérique
III-1-2/ Variation rendement instantané
III-1-3/ Effet de quelques paramètres externes
III-1-4/ Effet de quelques paramètres de construction du capteur
III-1-4-1/ Couverture transparente en vitre
III-1-4-2/ L’absorbeur
III-1-4-3/ L’isolation thermique
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
