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Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 1 LE SOLAIRE THERMIQUE Aute

Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 1 LE SOLAIRE THERMIQUE Auteur : Dr. Yao AZOUMAH Enseignant-chercheur en génie énergétique Responsable du Laboratoire Energie Solaire et Economie d'Energie (LESEE) 2iE - Institut International d'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement 01 BP 594 Ouagadougou Burkina Faso Cel: (226) 78 12 65 47; Tel: (226) 50 49 28 64; Fax: (226) 50 49 28 01 yao.azoumah@2ie-edu.org; www.2ie-edu.org Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 2 Préface : Ce cours sur le solaire thermique s‟adresse essentiellement aux étudiants de niveau master et doctorat. Il est composé de deux grands volets : le solaire thermique basse température (pour des applications de chauffage, climatisation, cuisson…) et le solaire thermodynamique (ou encore le solaire à concentration pour la production de grande capacité d‟électricité de l‟ordre de plusieurs dizaines de Mégawatts et/ou la production décentralisée de l‟électricité…). Ce cours requiert des bases solides en thermodynamique et en transferts thermiques notamment la connaissance des trois modes de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement. Le lecteur est donc prié de réviser ces cours avant de prendre connaissance de ce document. Quatre chapitres composent ce manuscrit. Le premier chapitre traite de la ressource solaire et des données climatiques. Les chapitres 2 et 3 concernent les systèmes solaires thermiques pour des applications basse température et le dernier chapitre traite des systèmes solaires thermiques à concentration. A travers les quatre chapitres de ce manuscrit, nous espérons donner à l‟étudiant les aptitudes suivantes :  Mieux connaitre la disponibilité de la ressource solaire mondiale  Savoir mesurer les données solaires (rayonnement global, diffus, direct, durée d‟ensoleillement…)  Connaître les différentes technologies solaires thermiques existantes et leurs applications  Savoir dimensionner les capteurs solaires et les centrales electrosolaires thermodynamiques. L‟auteur remercie à l‟avance tout lecteur de toute critique et/ou apport pouvant améliorer le contenu de ce document. Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 3 Glossaire Capteur ou « collecteur » : c‟est le composant de base du champ solaire ; il est composé d‟un réflecteur (miroir), d‟une structure métallique, d‟un tube récepteur et du système de suivi du soleil. Champ solaire : c‟est la partie réceptrice de l‟installation, la radiation solaire y est transformée en énergie thermique. Capteur cylindro-parabolique : assemblage élémentaire constituant le capteur solaire de la plupart des centrales à concentration linéaire, constitué de miroirs de forme cylindro- parabolique, d‟un tube absorbeur sous vide placé au foyer des miroirs, d‟une structure de support, d‟un mécanisme d‟orientation sur un axe, et de fondations. Fluide de travail : fluide qui permet d‟actionner la turbine et de produire de l‟électricité. Fluide caloporteur : fluide circulant à travers le récepteur solaire, transférant la puissance thermique solaire vers le cycle thermodynamique. S‟il est différent du fluide de travail un échangeur de chaleur est nécessaire. Héliostats : assemblage élémentaire d‟un concentrateur de centrale à tour constitué de miroirs, d‟une structure de support, d‟un mécanisme d‟orientation sur deux axes, et de fondations, qui suit le soleil pour en réfléchir en permanence les rayons sur un récepteur fixe. Puissance thermique solaire : puissance thermique gagnée par le fluide caloporteur à son passage dans le récepteur solaire de la centrale. Système solaire mixte : installation génératrice d‟électricité solaire thermodynamique dans laquelle l‟énergie solaire est captée par deux ou plusieurs types de systèmes optiques. Il désigne généralement une centrale contenant des capteurs cylindro-paraboliques et un concentrateur héliostats-tour. Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 4 Sommaire Glossaire ..................................................................................................................................... 3 Introduction Générale ................................................................................................................. 7 Chapitre 1 : Ressource Solaire et Données Climatiques .......................................................... 10 1. Introduction : ................................................................................................................. 10 2. L‟irradiation solaire : généralités & définitions ............................................................ 10 a) Le soleil : ................................................................................................................ 10 b) Les composantes de l‟irradiation solaire totale : .................................................... 11 c) La constante solaire Gsc : ....................................................................................... 13 d) L‟irradiation extraterrestre Gon: ............................................................................. 13 e) Heure solaire Hsol : ................................................................................................. 13 3. L‟irradiation solaire directe et la géométrie des capteurs : définitions ......................... 14 f) La latitude  : ............................................................................................................. 14 g) La déclinaison : .................................................................................................... 15 h) L‟inclinaison : ...................................................................................................... 15 i) L‟angle horaire  : ..................................................................................................... 15 j) L‟angle surfacique azimutal  : .................................................................................. 15 k) L‟angle d‟incidence  : .......................................................................................... 15 l) L‟angle au zenith z: .................................................................................................. 16 m) Hauteur s :............................................................................................................ 16 n) Azimut s : ............................................................................................................. 16 Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 5 4. Ratio de l‟irradiation directe sur une surface inclinée par rapport à une surface horizontale Rb : ..................................................................................................................... 16 5. Irradiation extraterrestre sur une surface plane et horizontale G0 : ............................... 17 6. Indice de clarté KT : ....................................................................................................... 19 7. Composantes directe et diffuse de l‟irradiation horaire ................................................ 19 8. Composantes directe et diffuse de l‟irradiation journalière .......................................... 20 9. Composantes directe et diffuse de l‟irradiation mensuelle ........................................... 20 10. Les masques solaires ................................................................................................. 21 11. Les équipements de mesures de l‟irradiation solaire ................................................. 23 Chapitre 2 : L‟Energie Solaire Thermique Basse Température ............................................... 25 1. Introduction ................................................................................................................... 25 2. Les différents capteurs solaires basse température ....................................................... 25 3. Les différentes applications du solaire thermique basse température ........................... 27 Chapitre 3 : Modélisation et dimensionnement d‟un capteur plan ........................................... 35 1. Introduction ................................................................................................................... 35 2. Les éléments fondamentaux d‟un capteur solaire plan ................................................. 35 3. Modélisation d‟un capteur solaire plan ......................................................................... 36 4. Dimensionnement d‟un capteur solaire plan ................................................................. 39 Chapitre 4 : L‟Energie Solaire Thermique à Concentration (Haute Température) .................. 42 1. Introduction ................................................................................................................... 42 2. Principes de base des centrales électrosolaires thermodynamiques (à concentration) .. 44 2.1 Les composantes d‟une centrale solaire thermodynamique CSP .............................. 44 Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 6 2.2 Les différentes filières des centrales solaires thermodynamiques CSP ..................... 45 a) Les centrales à capteurs linéaires .................................................................................. 46 b) les centrales à tour ..................................................................................................... 49 c) Les centrales paraboliques ............................................................................................ 51 2.3 le stockage ................................................................................................................. 54 2.4 L‟hybridation ............................................................................................................. 54 2.5 -les systèmes mixtes .................................................................................................. 55 3. Modélisation des centrales solaires thermodynamiques ............................................... 55 4. Dimensionnement des centrales électrosolaires thermodynamiques ............................ 58 Conclusion générale ................................................................................................................. 62 Références Bibliographiques .................................................................................................... 63 Annexes .................................................................................................................................... 67 1. Le Projet DESERTEC ...................................................................................................... 67 Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 7 Introduction Générale La consommation d‟énergie primaire mondiale est estimée aujourd‟hui à 120.000 TWh/an. Elle reste encore largement dominée par les énergies fossiles (voir figure 1) avec 34,8% pour le pétrole seul, 23,5% pour le charbon et 21,1% pour le gaz. La part du renouvelable dans la fourniture d‟énergie primaire mondiale n‟est que de 13%. Lorsqu‟on fait un zoom sur les 13% des énergies renouvelables, on s‟aperçoit que la contribution de l‟énergie solaire (PV et thermique solaire confondus) est négligeable car ne représentant que 0,039% de la fourniture mondiale en énergie primaire. Paradoxalement, les réserves mondiales en énergie primaire (figure 2) montrent bien que l‟énergie solaire est de loin la réserve la plus abondante. L‟on peut se demander pourquoi donc cette part quasi inexistence de l‟énergie solaire dans la fourniture mondiale actuelle d‟énergie primaire ? (source: AIE, 2002) Répartition des ressources dans la production mondiale d’énergie primaire Biomasse & Déchets Gaz Charbon Pétrole EnR Nucléaire Géothermie Autres Vent Solaire Océans Hydro Consommation mondiale ~120 000 TWh/an Figure1 : Répartition des ressources dans la production mondiale d‟énergie primaire Le contraste est encore plus saisissant lorsqu‟on observe que les pays qui se trouvent dans la ceinture solaire (zones où l‟ensoleillement normal direct excède 2000 kWh/m2/an, voir figure 3) sont notamment les pays en voie de développement (Amérique Latine, Afrique, Moyen Orient…) où les problèmes énergétiques se posent avec acuité, avec un accès à l‟énergie très limité pour leurs populations surtout rurales. D‟ailleurs, dans la plupart de ces pays, Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 8 l‟électricité est un luxe car très chère puisqu‟elle est produite souvent à partir des centrales thermiques utilisant des ressources fossiles (pétrole, charbon…) avec en prime toutes les conséquences environnementales qui s‟en suivent : les pluies acides, le réchauffement climatique, les inondations…. Ces pays constituent en fait un marché important pour le développement des technologies solaires thermiques pour des applications domestiques tels la cuisson, le chauffage, la climatisation… et pour le développement des centrales électrosolaires à concentration (encore appelées centrales solaires thermodynamiques) pour une grande capacité de production d‟électricité (des dizaines de Mégawatts). Toutes ces technologies solaires thermiques sus mentionnées sont « propres » du point de vue environnemental. Figure 2 : Les réserves mondiales en énergies primaires Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 9 Figure 3 : Ceinture solaire, régions du globe où l‟ensoleillement est propice à l‟implantation de centrales solaires thermodynamiques. L‟objectif donc premier de ce manuscrit est de donner des outils de base aux étudiants pour leur permettre de contribuer au développement des capacités d‟innovation industrielle dans le domaine du solaire thermique (basse et haute température) pour une plus grande exploitation de la ressource solaire (surtout dans les pays en voie de développement) qui est la ressource la plus disponible au monde. Les chapitres suivants vont permettre d‟approfondir les connaissances autour de ces technologies solaires thermiques. Solaire Thermique, Dr. Yao AZOUMAH, 2009-2010. Page 10 Chapitre 1 : Ressource Solaire et Données Climatiques 1. Introduction : uploads/Geographie/ thermique-solaire.pdf