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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université A/Mira de Béjaia Faculté des Sciences Exactes Département d’Informatique En vue d’obtention du diplôme de master en Informatique Option : Réseaux et Systèmes Distribués Mémoire de fin d’Etudes Thème Modélisation Mathématique et Simulation de Capteurs Solaires Réalisé par : Aghiles IBERRAKEN Riad ALILI Soutenu devant le jury composé de : Mr Kamel AMROUN Président Mme Malika YAICI Promotrice Mlle Zahira BEN KHELLAT Co-promotrice Mr Youcef MEBARKI Examinateur Mme Soraya ALOUI Examinatrice JUIN 2012 Remerciements A l’issue de la période de nôtres projet de master, qui a été effectué à l’Université Abderrahmane Mira de Béjaia. Nous remercions chaleureusement notre promotrice Madame Malika YAICI, Enseignante à l’Université de Béjaia, pour nous avoir encouragé à entamer une problématique d’actualité et pour son suivi, sa disponibilité, ses encouragements lors de la réalisation de ce mémoire. Un tout grand merci aussi à notre co-promotrice Mlle Zahira BENKHELLAT Enseignante à l’Université de Béjaia, pour son aide et ses précieux conseils. Nos remerciements vont également au cadre enseignant de l’Université de Béjaia pour la formation qu’il nous ont inculqué pendant les cinq années d’études ainsi que le cadre administratif qui n’a épargné aucun effort pour nous assurer les meilleures conditions de travail. Aux membres du jury : Mr Kamel Amroun, Mr Youcef MEBARKI et Mme Soraya ALOUI, nous les remercions grandement pour l’honneur qu’ils nous ont fait en acceptant de juger notre travail. Table des matières LISTE DES FIGURES ........................................................................................................................... iii LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................................ iv Introduction Générale ............................................................................................................................. 1 PARTIE THEORIQUE .......................................................................................................................... 2 CHAPITRE I : Généralités sur les capteurs solaires ............................................................................... 3 I- Introduction ................................................................................................................................ 3 II- Paramètres climatiques ........................................................................................................... 3 1- Rayonnement solaire .............................................................................................................. 3 1.1- Caractéristiques du rayonnement solaire......................................................................... 4 1.2- Types de rayonnement solaire ........................................................................................ 4 2- Température ambiante ............................................................................................................ 5 III- Captage solaire ....................................................................................................................... 5 Composants d’un capteur thermique .............................................................................................. 6 1- Les Différents Capteurs thermiques........................................................................................ 6 1.1- Captation sans concentration .......................................................................................... 6 1.1.1- Capteurs plans ......................................................................................................... 7 1.2- Captation avec concentration .......................................................................................... 7 1.2.1- Concentrateur parabolique ............................................................................................ 8 a- Absorbeur du capteur parabolique .................................................................................. 9 1.2.2- Concentrateurs cylindro-paraboliques ........................................................................ 10 IV- Conclusion ............................................................................................................................ 10 CHAPITRE II : Etude Analytique des Capteurs Solaires ..................................................................... 11 I- Modèles mathématiques du flux solaire ................................................................................... 11 1- Introduction .......................................................................................................................... 11 2- Différents paramètres du flux solaire .................................................................................... 11 2 .1- Latitude ........................................................................................................................... 11 2 .2- Longitude ........................................................................................................................ 12 2 .3- Angle horaire .................................................................................................................. 12 2 .4- Coefficient de correction de la distance Terre-Soleil ....................................................... 12 2 .5- Déclinaison du soleil ....................................................................................................... 12 2 .6- Hauteur du soleil et l’azimut .......................................................................................... 13 iii 2 .7- Angle d’incidence ........................................................................................................... 14 2 .8- Durée maximale d’ensoleillement ................................................................................... 14 2 .9- Coefficient de trouble atmosphérique .............................................................................. 14 2 .10- Inclinaison du capteur ................................................................................................... 15 2.11- Albédo du sol ................................................................................................................. 15 3- Modélisation de la température ambiante ................................................................................ 15 4- Différents modèles mathématiques d’ensoleillement ............................................................... 16 4.1- Modèle d’EUFRAT .......................................................................................................... 16 4.2- Modèle de PERRIN DE BRICHAMBAUT ..................................................................... 17 4.3- Modèle de LIU JORDAN ................................................................................................. 20 II- Modélisations mathématiques des différents Capteurs ................................................................ 22 1- Capteur plan ........................................................................................................................ 22 1.2- Calcule des grandeurs intermédiaires ........................................................................... 23 1.3- Calcul du facteur de transfert thermique ....................................................................... 24 1.5- Calcul du rendement instantané ......................................................................................... 25 1.4- Calcul de la température de sortie du collecteur du fluide caloporteur ......................... 25 1.5- Calcule de la conductance globale du capteur .............................................................. 25 2- Capteur parabolique ................................................................................................................ 27 2.1- Rendement du concentrateur parabolique .......................................................................... 27 2.2- Calcul des grandeurs intermédiaires : ........................................................................... 27 3- Capteur cylindro-parabolique ............................................................................................... 30 3.1- Calcule des grandeurs intermédiaires ................................................................................ 30 3.2- Température de sortie du fluide caloporteur ..................................................................... 32 3.3- Rendement du concentrateur solaire ................................................................................. 32 III- Conclusion ................................................................................................................................. 32 CHAPITRE III : Optimisation.............................................................................................................. 33 1) Optimisation du rendement d’un capteur plan à partir de l’angle d’inclinaison ........................ 33 A. Rayonnement extraterrestre et indice de clarté ..................................................................... 34 B. Journées partiellement claires ............................................................................................... 35 C. Inclinaison Optimale ........................................................................................................... 36 a- Angle optimum annuel ..................................................................................................... 36 Modèle de Gladius ................................................................................................................ 36 Modèle de Kern et al. ........................................................................................................... 37 b- Angle optimum saisonnier ................................................................................................ 37 iv Modèle de El Kassaby .......................................................................................................... 37 c- Inclinaison optimale mensuelle......................................................................................... 38 Modèles de Chiou et al. ........................................................................................................ 39 2) Optimisation par dimensionnement du capteur solaire ............................................................. 40 3) Système de poursuite solaire ................................................................................................... 44 Conclusion ....................................................................................................................................... 45 PARTIE PRATIQUE ........................................................................................................................... 46 CHAPITRE IV : Conception et Réalisation ......................................................................................... 47 I- Introduction .............................................................................................................................. 47 1- Description de l’application .................................................................................................. 47 II- La Conception ...................................................................................................................... 47 1- Modélisation UML ............................................................................................................... 47 a- Diagramme des cas d’utilisation ....................................................................................... 49 b- Diagrammes de séquences ................................................................................................ 49 1- Estimation de l’irradiation solaire ................................................................................. 50 2- Estimation de la température ambiante ......................................................................... 51 3- Estimation de la température de sorti du fluide caloporteur .......................................... 52 c- Diagramme de classe ........................................................................................................ 53 III- Réalisation ............................................................................................................................ 54 1- Environnement de développement ........................................................................................ 54 a- Le langage JAVA ............................................................................................................. 54 b- L’environnement Eclipse RCP (Rich Client Platform) ..................................................... 54 c- Java Database Connectivity (JDBC) ................................................................................. 55 d- PostgreSQL ...................................................................................................................... 55 e- Matlab .............................................................................................................................. 55 f- Interaction MATLAB-JAVA ............................................................................................ 56 2- Principaux composants ......................................................................................................... 56 3- Algorithme pour le calcul de la température de sortie du fluide caloporteur......................... 57 4- Présentations de l’application ............................................................................................... 58 a- Interface de l’application au démarrage ............................................................................ 58 b- Interface avec affichage des bases de données ................................................................ 59 c- Interface avec un exemple d’utilisation ............................................................................ 60 d-Interface de consultation du site WEB .................................................................................. 60 5- Exemple numérique .............................................................................................................. 61 v Conclusion ....................................................................................................................................... 63 Conclusion Générale ............................................................................................................................ 64 NOMENCLATURE ............................................................................................................................. 65 REFERENCES ..................................................................................................................................... 68 ANNEXE A ......................................................................................................................................... 71 ANNEXE B ......................................................................................................................................... 74 ANNEXE C ........................................................................................................................................... 75 GLOSSAIRE ......................................................................................................................................... 76 Résumé ................................................................................................................................................. 78 Abstract ................................................................................................................................................ 78 iii LISTE DES FIGURES Figure 1 Types de rayonnement solaire. ................................................................................................. 4 Figure 2 Coupe d’un capteur plan. ......................................................................................................... 7 Figure 3 Concentrateur solaire parabolique. ........................................................................................... 8 Figure 4 Système optique d’une surface parabolique ............................................................................. 9 Figure 5 Catégories d’absorbeur............................................................................................................ 9 Figure 6 Capteur cylindro-parabolique. ................................................................................................ 10 Figure 7 Coordonnées géographiques .................................................................................................. 11 Figure 8 Repérage du soleil .................................................................................................................. 13 Figure 9 Orientation d’un capteur solaire ............................................................................................ 15 Figure 10 Coupe du capteur plan étudié. ............................................................................................. 23 Figure 11 Diamètre d’ouverture du récepteur ...................................................................................... 29 Figure 12 Capteur parabolique hexagonale A Segment Plat proposé .................................................. 41 Figure 13 Structure Basique du miroir triangulaire constituant le concentrateur solaire parabolique. .. 42 Figure 14 Schéma du mécanisme de guidage basé sur le déplacement de l'eau ................................... 44 Figure 15 Les diagrammes d’UML. ..................................................................................................... 48 Figure 16 Diagramme de cas d'utilisation ............................................................................................ 49 Figure 17 Diagrammes de séquences "Estimation de l'irradiation solaire" ........................................... 50 Figure 18 Diagrammes de séquences "Estimation de la température ambiante"................................... 51 Figure 19 Diagrammes de séquences "Estimation de la température de sortie du fluide caloporteur" .. 52 Figure 20 Diagramme de classe............................................................................................................ 53 Figure 21 Interface de l'application au démarrage ................................................................................ 58 Figure 22 Interface de l'application avec affichage des bases de données ............................................ 59 Figure 23 Interface de l'application après exécution d'une simulation .................................................. 60 Figure 24 Interface de consultation du site WEB ................................................................................. 60 Figure 25 Rayonnement solaire du 21 juin - Modèle Liu & Jordan ...................................................... 61 Figure 26 Rayonnement solaire du 21 décembre - Modèle Perrin de Brichambaut .............................. 62 Figure 27 Rayonnement solaire du 21 Mars - Modèle d'Eufrat ............................................................ 62 iv LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 Valeurs des coefficients TO, u et v ..................................................................................... 14 Tableau 2 Les moyennes journalières mensuelles des températures ..................................................... 16 Tableau 3 Valeurs des coefficients A, B et C ..................................................................................... 21 Tableau 4 Plage de l’indice de clarté limitant une journée claire selon les auteurs ............................. 35 Introduction Générale 1 Introduction Générale L’énergie est un besoin utile et indispensable à la vie quotidienne, la demande énergétique mondiale est en constante augmentation en même temps les ressources combustibles de la terre s’épuisent de jour en jour. Ainsi l’augmentation brutale du prix du pétrole survenue en 1973 a conduit l’homme à s’intéresser de plus en plus à des sources d’énergies renouvelables au premier rang desquelles l’énergie solaire. Les principales caractéristiques de l’énergie solaire ayant suscité l’intérêt à l’époque étaient sa gratuité, sa disponibilité sur une grande partie du globe terrestre et l’absence de risque d’épuisement connu par les sources d’énergie fossile. On s’est vite aperçu que l’énergie solaire, contrairement à une idée répandue, n’est pas tout à fait gratuite : son utilisation nécessite un investissement de départ souvent plus lourd que pour les sources d’énergie conventionnelles. Les systèmes à énergie solaire sont devenus une source viable d’énergie renouvelable dans les deux ou trois dernières décennies, et maintenant ils sont employés couramment dans une série d’applications industrielles et domestiques. Ces systèmes appeler capteur solaire collecte le rayonnement solaire incident et le convertissent en électricité ou énergie thermique. La conversion la plus réussie de l’énergie solaire reste celle en énergie thermique vue sa simplicité d’installation et son large domaine d’utilisation. Or l’étude du rayonnement solaire caractérisé par des modèles mathématiques est le point de départ de tout investissement dans le domaine de l’énergie solaire. C’est dans cet axe que se situe notre travail, qui consiste uploads/Geographie/ modelisation-mathematique-et-simulation-de-capteurs-solaires.pdf