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1 Introduction Les besoins énergétiques de l’humanité n’ont pas cessé de croîtr

1 Introduction Les besoins énergétiques de l’humanité n’ont pas cessé de croître avec son évolution: on a utilisé d’abord des ressources naturelles telle que le charbon, le bois et par la suite avec le progrès scientifique, le pétrole, le gaz, l’énergie hydraulique et l’énergie nucléaire. Actuellement les énergies fossiles sont consommées bien plus rapidement qu’elles ne se forment dans la nature et selon les estimations, les réserves mondiales seront épuisées vers 2030 si la consommation n’est pas radicalement modifiée, et au plus tard vers 2100 si des efforts sont fournis concernant la production et la consommation nécessaire. Cette forme d’énergie étant limité dans le temps, il s’avère nécessaire de trouver une autre solution pour prendre le relais, la contrainte imposée est d’utiliser d’autres sources d’énergies, tout en tenant compte des factures économiques et environnementales. L’énergie solaire qui est l’objectif de notre étude se caractérise par une absence de pollution et une disponibilité exceptionnelle. D’autre part, les systèmes d’exploitation qui utilisent cette forme d’énergie demandent une légère maintenance et présentent une bonne fiabilité de fonctionnement, une autonomie de plus en plus accrue, une résistance extrême au conditions naturelles (température, humidité, vent, corrosion,........etc.), et donc une grande longévité, il apparaît dès lors que l’énergie solaire peut apporter de réelles solutions. Cette source d’énergie est utilisée de manières différentes, par exemple; dans les systèmes thermiques (chauffes-eau solaires), pour la production d’eau chaude, domaine où elle connaît un développement considérable particulièrement dans le secteur de l’habitat. Le dimensionnement des systèmes à chauffe-eau solaires occupe une fonction déterminante, en effet la gestion de cet élément est fonction de plusieurs paramètres : - Les besoins de l’utilisateur en quantité d’eau chaude ; - La température de l’eau chauffée ; - Les conditions climatiques locales ; - Les performances du système à capteurs plans. 2 1. Généralités 1.1. Les énergies renouvelables Les énergies dites renouvelables sont celles qui proviennent directement ou indirectement du soleil. Elles ne sont pas limitées dans le temps, tant que le soleil brillera (c'est-à-dire encore pendant 5 milliards d’années environ). Elles sont par contre limitées en puissance disponible. Le soleil, l’eau, le vent, le bois et les autres produits végétaux sont autant de ressources naturelles capables de générer de l’énergie grâce aux technologies développées par l’homme [01]. Leur relatif, faible impact, sur l’environnement en fait des énergies d’avenir face au problème de la gestion des déchets du nucléaire et aux émissions de gaz à effet de serre. La consommation d’énergie ne cessant d’augmenter, il semble néanmoins peu probable que les énergies renouvelables remplacent les autres ressources énergétiques dans un avenir proche. 1.2. L’énergie solaire L'énergie solaire présente certains avantages non négligeables sur les autres sources énergétiques, elle est : locale, gratuite, propre, silencieuse et durable. Les premières tentatives d’exploitation de l'énergie solaire utilisaient l'interaction rayonnement matière, c'est-à-dire l'échauffement d'un corps noir au soleil. [02] L'énergie solaire peut être utilisée sur toute la surface de la terre ou presque, il suffit donc de capter celle-ci et de l'utiliser. Aujourd’hui, nous captons l’énergie solaire pour chauffer les maisons et l’eau, et pour produire de l’électricité, et cela au moyen de trois différentes méthodes et technologies: l’énergie photovoltaïque, l’énergie solaire passive et l’énergie solaire active. 1.2.1. Le soleil Le soleil exerce sur notre planète une action vitale, véritable source de vie, bien qu'il soit le centre du système qui porte son nom (système solaire auquel la terre appartient), le soleil n'est qu'une étoile parmi tant d'autres dans notre galaxie, sa lumière met 8mn et 18s pour parvenir sur terre. Le soleil est une énorme sphère incandescente de plasma à la température voisine de 5750K dont le diamètre atteint 1391000km, la puissance émise par ce dernier est estimée à 1,7*1023kW dont une partie atteint le globe terrestre, elle est de l’ordre de 8,5*1013kW; uniquement 70% (environ 6*1013kW) de cette puissance pénètre l’atmosphère. La terre décrit autour du soleil une orbite elliptique quasi circulaire avec une période de 365,25jours, le plan de cette orbite est appelé plan de l’écliptique. (Figure1) C’est au solstice d’hiver (21 décembre) que la terre est la plus proche du soleil : 147millions de km et au solstice d’été (22 juin) qu’elle en est la plus éloignée : 152millions de km, la distance moyenne étant de 149,5millions de km, la terre coupe le plan perpendiculaire au grand axe de son orbite et contenant le soleil aux équinoxes de printemps (21 mars) et d’automne (21 septembre). [03] Elle tourne sur elle-même avec une période de 24h, son axe de rotation (l’axe des pôles) a une orientation fixe dans l’espace, il fait un angle de 23°27’ avec la normale au plan de l’écliptique. 3 Figure1: Les mouvements de la terre autour du soleil. [04] 1.2.2. Le rayonnement solaire Le soleil nous envoie de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde variant de 0,22µm à 10µm, la figure2 représente la variation de la répartition spectrale de ce rayonnement. Sur ce graphe on constate que pour   0,3m le rayonnement est négligeable alors que pour la partie visible du rayonnement, pour des valeurs entre 0,3 et 0,7µm l’absorption par l’atmosphère est faible. [05] Figure2: La répartition spectrale du rayonnement solaire. [05] 4 On décompose le rayonnement global (total) terrestre en rayonnement direct (rayonnement provenant directement du soleil) et en rayonnement diffus (rayonnement provenant de l’atmosphère); Un capteur incliné d’un angle donnée sur l’horizontale subit une autre composante du rayonnement : la part renvoyée vers l’atmosphère après réflexion diffuse par le sol ; (Figure3) Figure3: Les trois composantes du rayonnement incident sur le capteur. [06] 1.2.3. Le potentiel solaire Les sources d'énergie renouvelable dans les pays bord de la méditerranée seulement peuvent faire face à la demande énergétique mondiale croissante. En effet la ressource d'énergie la plus importante dans les ces pays est l'irradiation solaire, avec un potentiel qui peut satisfaire la demande en l'électricité du monde entier. Cette ressource peut être employée dans les systèmes photovoltaïques comme dans les systèmes thermiques. [07] Figure4: Les ressources solaires dans les pays méditerranéens. [08] 5 1.3. Les applications de l’énergie solaire 1.3.1. Le solaire passive Le terme passif renvoie aux techniques utilisées pour capter l’énergie, ces techniques misent sur la conception des immeubles et le type de matériaux utilisés pour les construire plutôt que sur de l’équipement mécanique. Aujourd'hui, la conception solaire passive utilise les éléments fondamentaux d’un immeuble (les murs, la toiture et les fenêtres) pour contrôler la quantité d’énergie solaire absorbée ou perdue. La conception solaire passive aide aussi à conserver la fraîcheur en été. [09] 1.3.2. Le solaire active Le système d’énergie solaire active utilise des capteurs solaires pour capter l’énergie du soleil et produire de l’électricité afin d’alimenter des pompes et des ventilateurs qui distribuent de l’eau et de l’air chaud, tell que les systèmes à chauffe eau solaire qui utilisent les capteurs plan vitrés ou non vitrés pour chauffé de l'eau, ou le chauffage des locaux et la ventilation solaire qui utilisent aussi des capteurs vitrés ou un bardage perforé pour chauffer l’air. Un autre exemple est celui qui utilise les centrales électriques solaires. La concentration du rayonnement solaire sur un foyer permet d’atteindre des températures élevées, ce principe utilise des capteurs cylindro-paraboliques (Figure5.a), paraboliques (Figure5.b) ou des centrales à tours (Figure5.c), pour lesquels une multitude d’héliostats orientables concentrent l’énergie solaire sur le récepteur, il permet le réchauffement de fluides caloporteurs, en général du l’huile ou des sels fondus, dans une gamme de température allant de 250 à 800°C, selon les techniques utilisées, ces fluides viennent ensuite chauffer de la vapeur d’eau, qui entraîne une alternateur; comme dans les centrales thermiques conventionnelles, pour produire de l’énergie électrique.[10] a b c Figure5: Photos prises pour des systèmes thermodynamiques réalisés à travers le monde. [11] A: Les systèmes à collecteur cylindro-paraboliques, B: Le collecteur paraboliques, C: Les centrales à tours. 1.3.3. Le solaire photovoltaïque Le processus photovoltaïque transforme l’énergie de rayonnement du soleil en courant électrique continu. Le physicien Edmond Becquerel a décrit l’effet en 1839, mais ce n’est que vers le milieu et la fin des années 1950 que des cellules photovoltaïques pratiques ont été commercialisées. [09] Figure6: Photo prise pour une installation photovoltaïque. 6 1.4. L’énergie solaire thermique dans le monde 1.4.1. La capacité thermique installée à travers le monde Les énergies renouvelables sont devenus un élément significatif de l'économie mondiale, ils totalisent une puissance de 190 GW, soit 4% de la puissance énergétique dans le monde. [12] Selon les statistiques de l’année 2005, la capacité en solaire thermique installée dans le monde avait atteint 115 GWth (164 millions de m2) (figure7), comparé à d’autres sources d’énergies renouvelables le solaire thermique se trouve classé en deuxième position après l’éolien (120 GWth), à satisfaire la demande mondiale croissante en d’énergie. [13] Figure7: La puissance installée et l’énergie annuelle produite en énergies renouvelables dans le monde. Depuis le début des années 90, le marché du solaire thermique a subi un développement favorable, à la fin de l’année 2004, un total de 141 millions de m2 de capteurs (98.4 GWth) ont été installés dans le uploads/Geographie/ faraji 1 .pdf