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XXIIe OLYMPIADES DE PHYSIQUE L’APPLICATION DE L’ENERGIE SOLAIRE AU MOTEUR STIRL

XXIIe OLYMPIADES DE PHYSIQUE L’APPLICATION DE L’ENERGIE SOLAIRE AU MOTEUR STIRLING : Avec la collaboration de l’école d’ingénieur de l’industrie minérale de Rabat Encadré par : Le Professeur C. PRAT Réalisé par : ZAOUI Khalil TALBI ALAMI Fayçal Terminale S2 et S9 Lycée Descartes - Rabat Année scolaire : 2014 - 2015 2 Introduction L’intérêt du développement des technologies de production d’énergies propres est relancé vu le contexte énergétique et environnemental actuel (prix du pétrole, pollution, effet de serre, etc.). L’utilisation du solaire représente une nouvelle perspective. La transformation de l’énergie thermique en énergie mécanique peut se faire par deux types de moteurs :  Les moteurs à "combustion" interne : moteurs à essence, moteurs Diesels ; à ceux là, il faut ajouter les turbines à gaz. Ces moteurs sont les plus utilisés actuellement, ils ne tolèrent qu’un seul carburant issu du pétrole, avec des propriétés physiques et chimiques bien précises.  Les moteurs à combustion externe appelés aussi moteurs à air chaud ou moteurs Stirling. Contrairement aux premiers, ces moteurs sont très appropriés à la valorisation de l’énergie renouvelable tel que le solaire, les déchets végétaux, etc. Le but de notre étude est de monter que le moteur Stirling constitue une alternative intéressante dans la conversion de l’énergie issue de l’énergie solaire. Notre travail est composé de trois parties : Nous commençons par l’étude du principe de l’énergie solaire thermodynamique dans la première partie. Nous consacrons la deuxième partie à la présentation du moteur Stirling. Dans la troisième partie, nous présentons notre réalisation, nos expériences et nos mesures. Nous terminons par une conclusion. Remerciements Au terme de ce travail, nous tenons à témoigner notre profonde reconnaissance et nos vifs remerciements à notre Professeur C. PRAT pour son encadrement, ses précieux conseils et pour l’intérêt qu’il a porté à notre travail. Nous tenons également à exprimer notre profonde gratitude à tous nos Professeurs du lycée DESCARTES de Rabat, qu’ils trouvent dans ce travail notre haute considération et nos sincères reconnaissances. Nous tenons aussi à remercier les Professeurs MM. EL GAMAH et OUAKI ainsi que les techniciens FACHATI, AYOUB et ALLAL de l’école d’ingénieur de l’industrie minérale de Rabat, pour leur aide précieuse dans la partie réalisation de cette étude. Enfin, nos sincères remerciements à tous ceux qui ont contribué à la réalisation de ce travail. 3 Chapitre 1 : Les centrales solaires à concentration ……………………..……………….………..….…………………… 4 1-1 Historique …………………..…………………………………………………………………………….………….………….………… 4 1-2 L’énergie solaire …………………..…………………………………………………………………….……….…………..………… 5 1-3 La concentration ………………………………………………………………………………………..………………………………. 5 1-4 Les différents types de centrales solaires à concentration …………………..….………………………………… 6 1-5 Le pour et le contre de la filière solaire thermodynamique …………………..……….…………...……………. 6 1-6 Le système Parabole/Stirling …………………..……………………………………….……………….…………………..…… 8 1-7 Conclusion …………………..……………………………………………………………………………………….……..………..…… 8 Chapitre 2 : le moteur Stirling …………………..………………………………..…………………………….…………….… 9 2-1 Historique du moteur Stirling …………………..……………………………………………………………………………..… 9 2-2 Principe de base …………………..……………………………………..……………………………………………..…………..… 9 2-3 Etude du moteur Stirling …………………..…………………………………………………………..………………………… 10 2-4 Les différents types du moteur Stirling …………………………….……………………………………………………… 11 2-5 Avantages et inconvénients du moteur Stirling …………………..……………………………………………………13 2-6 Conclusion …………………..………………………………………………………………………………………………………..… 13 Chapitre 3 : Etude Expérimentale …………………..………………………………..……………………………………… 14 3-1 : Etude expérimentale sur le moteur Stirling …………………………….……………………………………………… 14 3-1-a : Réalisation du moteur …………………..…………………………………………………….…………………………….… 14 3-1-b : Montage du moteur …………………..………………………………………………….……………………………………. 17 3-1-c : Essai du moteur …………………..…………………………………………………………………….………………………… 17 3-I-d : Détermination du rendement théorique du moteur Stirling ………….……..…….……………………… 18 3-2 Réalisation du mini concentrateur solaire …………………..…………………….……………….………………….… 21 3-2-1 Réalisation des expériences …………………..…………………………………………………………….…………..…… 22 a : Détermination du rendement réel du moteur (fonctionnant au gaz) ………………..…….………………… 22 b : expérimentation du banc …………………..…………………………………………………………………….……………..… 24 3-2-2 Mise en place du moteur Stirling sur la parabole …………………..…….………………………….………….… 25 Conclusion générale …………………..……………………………………………………………………………..……………… 26 Bibliographie Webographie Annexes 4 Chapitre1 : les centrales solaires à concentration 1-1 Historique et perspectives. La crise pétrolière de 1973 ainsi que l’augmentation du prix du pétrole ont poussé les pays industrialisés à chercher des sources d’ énergies alternatives. Parmi les axes de recherche développés, on peut citer celui des centrales solaires thermodynamiques, en effet depuis les années 80, des études ont conduit à la réalisation des plateformes expérimentales en France, en Italie, en Espagne, aux Etats Unis, etc. Les efforts de recherche dans ce domaine se sont accrus au début du XXIème siècle en raison du changement climatique (accords de Kyoto en 1997) et l’incertitude sur l’approvisionnement en énergies fossiles. Ainsi la production d’énergie faisant appel aux technologies solaires à concentration est sérieusement envisagée en raison du facteur émission de CO2 (<20 kg/MWhe). De plus, le seuil de rentabilité économique commence à être atteint dans les régions géographiques favorables (de 15 à 30 c€/kWhe). Dans ce contexte économique, beaucoup de projets de centrales solaires thermodynamiques commerciales se sont multipliés, ainsi la première centrale à tour a été inaugurée près de Séville (Espagne) en 2006. Ce marché est en pleine croissance. Au Maroc, la centrale d’Ain Benni Mathar est en activité, celle d’Ouarzazate est en cours de construction, d’autres à l’étude. 5 1-2 L’énergie solaire Technologiquement, deux voies sont pratiquées dans l’utilisation directe de l’énergie solaire, il s’agit du solaire thermique et le solaire photovoltaïque :  En ce qui concerne le solaire thermique, c’est un système qui utilise l’énergie solaire pour produire la chaleur en chauffant un fluide à plus ou moins haute température. On peut ainsi produire de l’électricité comme dans les centrales thermiques classiques. On parle dans ce cas des centrales solaires thermodynamiques.  Quant au solaire photovoltaïque, c’est un système solaire composé de cellules photovoltaïques. Il convertit directement une partie du rayonnement solaire en électricité par effet photovoltaïque. 1-3 La concentration Lorsqu’un rayonnement solaire incident frappe une surface S d’un matériau (voir figure 1.2), une fraction du rayonnement incident est réfléchie, une autre est transmise, le reste est absorbé. Il est converti en chaleur et la température moyenne du matériau augmente pour atteindre un équilibre. Cet équilibre dépend de l’intensité du rayonnement solaire, du coefficient d’absorption du matériau et des pertes thermiques par convection et rayonnement thermique. Figure 1.1 : Schématisation de la répartition d’un flux incident de rayonnement sur un solide Nous traitons l’intérêt de la concentration sous forme d’un exemple très simplifié : Soit une surface noire S de 1 m2. Cette surface est éclairée par un flux solaire φ de 1000 W/m2. L’équation de transfert de chaleur traduisant l’échange entre la plaque et le milieu environnant supposé à la température ambiante (Tamb), résultant du rayonnement du corps noir (loi de Stephan) et des pertes par convection, est : ∅S=ςS(T4 eq – T4 amb) + hS(Teq - Tamb) (1.1) Avec h le coefficient de transfert de chaleur par convection et rayonnement ; ς est la constante de Stéphan Boltzmann (ς = 5.67x10-8 W/m2/K4). En prenant un coefficient d’échange par convection h = 10 W/m2/°C, et pour une température ambiante (Tamb) supposée égale à 20 °C on trouve une température d’équilibre (Teq) voisine de 55°C, en résolvant graphiquement l’équation du 4ème degré.. 6 Une telle température ne peut faire fonctionner un cycle thermodynamique avec une bonne efficacité. Les technologies solaires thermiques sans concentration (donc à basse température) sont surtout réservées à la production d’eau chaude et à la climatisation de l’habitat. Pour augmenter la température d’équilibre, il faut concentrer le rayonnement solaire en faisant appel à des technologies sophistiquées, ainsi, l’équation (1.1) s’écrira : ∅CS=ςS(T4 eq – T4 amb) + hS(Teq - Tamb) (1.2) Où C est le facteur de concentration moyenne du rayonnement sur la surface éclairée. Avec une concentration C = 100, on peut obtenir une température d’équilibre de plusieurs centaines de degré Celsius. 1-4 Les différents types de centrales solaires à concentration Il existe trois grandes familles de centrales solaires à concentration qui se distinguent par leurs dispositifs à concentration, leurs dimensions géométriques et leurs couts (voir figure 1.3 ci- dessous) :  Les centrales à tour,  Les centrales à concentrateurs linéaires,  Paraboles/Stirling. Dans une centrale à tour, un système permet l’orientation du champ de miroir vers le soleil. Un récepteur placé au sommet de la tour permet de convertir le rayonnement solaire en chaleur. Figure 1. 2 : les trois centrales solaires à concentration Dans les concentrateurs linéaires qui sont de forme cylindro-parabolique ils concentrent le rayonnement solaire sur une focale linéaire. Au niveau de cette focale est placé un tube dans le quel circule le fluide caloporteur. Dans le système Parabole/Stirling, la parabole suit le soleil pour concentrer le rayonnement direct sur un récepteur solaire placé à la focale et servant de source chaude au moteur Stirling. 1-5 Le pour et le contre de la filière solaire thermodynamique Comme dans toutes les autres sources d’énergies renouvelables, cette filière permet la réduction des émissions de CO2 et d’autres polluants dans l’atmosphère pendant le fonctionnement. Par ailleurs, les premières analyses du cycle de vie sont excellentes : 15 g/kWhe du taux d’émission de 7 CO2 pour une centrale cylindro-parabolique, il est comparable à celui trouvé pour les centrales hydrauliques ou éoliennes (10 g/kWhe) et largement inferieur à celui de l’électricité issue de la combustion du pétrole ou du charbon (+700 g/kWhe ). Les systèmes solaires thermodynamiques ont un avantage capital par rapport au systèmes éoliens et photovoltaïques. Cet uploads/Geographie/ memoire-stirling.pdf