Etude et conception d'un systeme de climatisation utilisant le rayonnement solaire

I.2. ENERGIE SOLAIRE [Cf. Bibliographie: 4, 5,8]

I.2.1. Aperçu de la source

Le soleil est une sphère gazeuse composée presque totalement d'hydrogène. Son diamètre est de 1391000 Km (100 fois celui de la terre), sa masse est de l'ordre de 2.10²⁷ tonnes. Toute l'énergie du soleil provient des réactions thermo nucléaires qui s' y produisent. Elles transforment à chaque seconde 564106 tonnes d'hydrogènes en 560106 tonnes d' hélium,la différence de 4 millions de tonnes est dissipée sous forme d'énergie (E = mc² ),ce qui représente une énergie totale de 36.10²² kW. La terre étant à une distance de 150.10⁶ Km du soleil, elle reçoit une énergie de 1,8.10¹⁷ w.

La valeur du flux de rayonnement solaire E reçu par une surface perpendiculaire aux rayons solaires placée à la limite supérieure de l'atmosphère terrestre (soit à environ 80 Km d'altitude) varie au cours de l'année avec la distance Terre/Soleil. Sa valeur moyenne Eo est appelée la constante solaire, elle vaut Eo = 1353 w/m².En premier approximation, on peut calculer la valeur de E en fonction du numéro du jour de l'année j par :

E = Eo [1+0,033 Cos (0,984 j)] [w/m ²]

I.2.2. Durée et taux d'ensoleillement

a) D'urée d'ensoleillement

Selon les conditions atmosphériques, le ciel peut être plus ou moins couvert des nuages au cours d'une journée. Ceux-ci occultent le soleil, totalement ou partiellement, empêchant ainsi le rayonnement d'atteindre directement le sol. On dit que la nébulosité est plus ou moins importante selon qu'il y a beaucoup ou peux de nuages.

On appelle durée effective d'ensoleillement ou insolation SS le temps pendant lequel, au cours d'une journée, le rayonnement solaire direct a atteint le sol du lieu considéré .On appelle rayonnement direct,le rayonnement qui atteint la surface terrestre sans avoir subit des déviations depuis son émission par le soleil

b) Taux d'ensoleillement

Par ciel clair sans nuages, le sol reçoit le rayonnement solaire direct pendant toute la durée journée, ou plus précisément pendant la durée maximale d'ensoleillement SSo. On appelle taux d'ensoleillement ou taux d'insolation le rapport entre la durée effective et la durée maximale d'ensoleillement.

ó = SS/SSo (1.1)

I.2.3. Aspects géométriques

Nous allons nous intéresser ici aux aspects géométriques du rayonnement solaire intercepté par la terre dans le but ultérieur de calculer le flux reçu par un plan incliné placé à la surface de la terre et orienté dans une direction fixée. La connaissance de ce flux est la base du dimensionnement de tout système solaire.

a) Mouvement apparent du soleil

Le mouvement apparent du soleil vu par un observateur fixe en un point de la latitude L au nord de l'équateur est représenté par la figure suivante:

Figure 11: Mouvement apparent du soleil

Le repérage du soleil s'effectue par l'intermédiaire de deux angles :

· L'azimut"a" :C'est l'angle que fait la direction de la projection du soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud, cet angle étant orienté positivement vers l'Ouest.

· La hauteur "h" du soleil ou l'altitude : C'est l'angle que fait la direction du soleil avec la projection sur un plan horizontal

Ces deux angles sont fonctions de :

· La latitude L du lieu;

· La date j;

· L'heur solaire TS dans la journée

On défini l'heure solaire TS en fixant TS = 12 h lorsque la hauteur du soleil est maximale.

· La hauteur "h" vaut alors : Sin (h) = Sin (L).Sin (ä) +Cos (L).Cos (ä).Cos (ù)

Où : ä = Déclinaison : C'est l'angle formé par la direction du soleil avec le plan

équatorial.

ä = 23,45° Sin [0,980 (j+284)]. (1.2)

ù = L'angle horaire

ù = 15° (TS-12), ù est compté positivement l'après midi

· L'azimut "a" a pour relation :

Sin (a) = Cos (ó) .Sin (ù)/ Cos (h)

I.2.4. Aspects énergétiques

L'atmosphère terrestre est constituée de plusieurs couches de caractéristiques différentes, ce

sont :

· La troposphère, entre le sol et 15 Km d'altitude;

· La stratosphère entre 15 Km et 80 Km d'altitude;

· L'ionosphère entre 80 Km et 2000 Km d'altitude.

Le flux rayonné par le ciel et l'atmosphère vers la terre peut être calculé par :

W = óT⁴_ciel

Où : T_ciel est la température équivalente du ciel. T_{ciel =} T_a -12 [k]

T_a est la température de l'air en k

a) Rayonnement solaire au sol

L'atmosphère ne transmet pas au sol la totalité du rayonnement solaire qu'elle reçoit :

· Le rayonnement direct S;

· Le rayonnement diffus D ; est la part du rayonnement solaire diffusée par les particules solides ou liquides en suspension dans l'atmosphère;

· Le rayonnement global G est la somme du rayonnement direct et diffus.

On entend par :"Irradiation solaire" l'énergie reçue pendant une certaine durée. Elle est exprimée en w.m^-2.durée^-1 ou kw.m^-2.durée^-1.

"L' Eclairement solaire"est le flux instantané, il s'exprime en w/m ²

L'irradiation globale journalière sur un plan horizontale vaut :

G = G₀ [0,29 Cos (L) + 0,52ó] : En zone tropicale (1.3)

Où G₀ étant l'irradiation journalière sur un plan horizontal placé au dessus de l'atmosphère calculable par :

G₀ = 3,795.10⁴. Cos (L) Cos (ä) [Sin (ù₁) - ð.ù₁/180.Cos (ù₁)]. [Kj/m²] (1.4)

ù₁ est l'angle horaire au lever du soleil : Cos (ù1 ) = -tan (L) Tan (ä ) [°c] (1.5)