Etude et réalisation d'un séchoir solaire indirect à convection forcée.

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Remercîm

Ori remercie avarit tout Dieu le toiit puissant de noiis avoir donrié le courage et la patience qui

Nous ont permis d'accomplir ce modeste travail.

Ce travail a été réalisé sous la direction du Mr Adel Mellit à qui nous exprimons nos remerciements pour avoir

accepté 1'encadrement de riotre mémoire.

Aux membres du jury

Qui orif pris siir leur temps et aménaser leur volonté pour examirier et porter urie aiialyse

Critique siir mon travail.

Nous remercioris toiis ceiix qui nous ont soiiterius durant les momeizts pénibles, on gardera toujours le souvenir ému de leurs bienveillarices à riotre égard et veilleroris

sans cesse à noiis en moïitrer digne.

Merci à vous tous

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Dédicaces

Grâce à Dieu tout puissant, je dédie ce modeste travail à tous les persoiîïies qui m'ont aidé de près ou de loin à la

réalisation de ce mémoire de master plus particulièrement :

À la mémoire de ma grarid-mère Allah yarhameha.

À Ïnon pèm .f À ma mèïe

À mes chères sœurs : Manel, Dounia, Doua À Ïnon flèœ : Abd el Karim

À tous mes amies surtout Aïnina et Sarah

À la promcjtion énergies renoïivelables 2016/20 I 7 ....

À tous ceiix qui, par un mot, m'oïit donné la force de

continuer....

Hadjer

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Dédicaces

Grâce à Dieu tout puissaïit, je dédie ce modeste travail à tous les persoiiiies qui m'oïit aidé de près ou de loin à

la réalisation de ce mémoire de ÏHaster. plus particulièremerit :

A Med chérif et Nourhane.

À mori père ! À ma mère

À mes chères sœurs : Soumya, Selma, Saïïiah, Nesriïîe,

Ines

À mori frère : Aries

À la promotion éïiergies renouvelables 20 I 6/20 I 7 ....

Asma

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Introduction générale

ÇƱapitre I : GisemLcnt et cai]teur soLkiïÊ

1.1 ]NTRODUCTION 1.2 L'ASTRE SOLAIRF,

[.3 COORDONNEE TERRESTRE 1.3.1 Les coordonné€>s géographiques

1.3.1.1 Longitude

1.3.1.2 Latitude 1.3.1.3 L'altitud€

1.3.2 Coordonnée horaires

1.3.2.1 DéclirLaison du soleil 1.3.2.2 L'angle lioraire du so]eil w ].3.2.3 Le temps solaire vrai rsv 1.3.2.4 Le temps solaire moyen T.SM' 1.3.2.5 Le temps universel 7't/

1.3. 3 Coordonnée horizontales

1.3.3.1 Hauteur èLngulaire du soleil h 1.3.3.2 Azimut Œ

1.4 LE RAYONNEMENT SOLAIRE J.4.1 Rayonnement direi;t

[.4.2 Rayonnement diffiis

[.4.3 Rayonnement réfléchi ou l'a]bédo du sol [.4.4 Rayonnement global

[.5 SPECIFICATION DE LA REGI0N

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].5.1 Les différentes zones énergétiques de l'Algérie 1.5.2 Spécification de la région de Jije]

1.5.2.1 Présentatii,)n du site

1.5.2.2 Les domées géographiques

1.5.2.3 Données climatiques de lavil]e` de Jijel 1.6 CAPTEUR SOLA]RE THERMIQUE

1.6.1 Les capteurs plan

1.6.1.1 Principe (le fonctionnement d'un capteur plan à air ].6.1.2 Les composants d'un capteur plan a air

].6.2 Capteus concentraleurs

1 .7 ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE 1.7.1 Cellule photovolta.ri]ue

1.7.2 Le Principe de ft.nctionnement d'une cel lule photovolta.i.quc ] .7.:3 Les Panneaux s,olaires

1.8 CONCLUSI0N

ÇhaDitre H : Généralité sur Je séchage et ]esLiéchoirs solaires

11.1 INTRODUCTIC)N 11.2 LESECHAGE

11.2.1 Définition et butdu séchage 11.2.2 Mode de séchage

• Séchage par coi]vection

• Séchage par condiiction

• Séchage par infrarouge 11.2.3 Domaines d'utilisation 1].2.4 Paramètres de séchage

lL.2.4.l Paramètres liés au prétraitement

£h) Effet du blanchimLLnt t)) Effet du sulfitage

]J.2.4.2 Paramètres liés au séchage zi) La température de l.air

b) L'humidité de L'air c) La vitesse de l';iir

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11.2.4.3 Paramètres liés au fruit a) Lavariété

t.i) Le calibre

(:,) L'état de l'eau dans le fruit Jl.2.5 La cinétique du séc`hage 11.3 LES SECH0IRS SOLAIRES

)[.3.L Définition

11.3.2 Différents types de séchoirs solaires A. Séchoir solaire naturel

B. Séchoir solaire direct C. Séchoir solaire indirect )). Séchoir solaire mixte E. Séchoir solaire hyhride 11.4 CONCLUSION

Çhapʱ±e. 111 : Etude et cdesim du séchoir solaire

111.1 HVTRODUCTION

11[.2 PRESENTATION 1')U SECH0IR SOLA[RE TII.2.] Différentes partie§

•i Capteursolaire

" Amoire de séchage o Système de ventil€ition 11 [.2.2 Principe de fonctionnement

111.3 CAHIER DE CIIARGE DU SECHOIR SOLAIRE 111.3.] Critèrerelatifau produit

111.3.2 Critères relatifs €`i l'énergie disponible ])[.3,3 Critères relatifs au milieu extérieur

/ Lechoixdusite / L'air de séchage

1[1.3.4 Critères relat-ifs à la construction T[T.3.5 Critères relatif€i à ]'utilisation

1[1.4 DIMENSIONNl=MENT DU SECHO]R SOLAIRE

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1114.1 Calcul de la ccins`)mmation thermique ..lu séchoir 111.4.2 Dimensionnement du capteur

]1] 4.3 Dimensionnement de l'amoire de séchage ]1]..4.4 Dimensionnemeiit du svstème de ventÀlation 111.5 CONCLUS[ON

Çhai)itre IV : Réalisation et exnérimentation du séchoir solairg

IV.1 INTRODUCTI0N IV.2 PROTOTYPE

]V.2. l Les plans de construction

39 43 45 45 47

IV.3 MATERIAUX UT[LISES POUR LA REALISATION DU SECHOIR ... „50 IV.3.l Les matériaux

• Le bois contre platiué

•i Leverre

® Le polystyrène

® Lesroulètes

u Latoile moustiqu€iire

• Latôle d'acier de " mm d'épaisseur ÏV.3.2 caractéristiques des matériaux [V.3.3 Système de venti]ation

IV.3.3.l lnstallation du ventilateur IV.3.3.2 Panneau photovoltaïque IV.4 ETAPES DE REALISATION

[V.4.l Le corpsdu séchoir IV.4.2 L'amoire de séchage [V.4.3 Capteur s()lajre

[V.4.4 Système de \'entilation [V.4.5 Autres déiajl!s technïques IV.4.6 Vue d'ensemble du séchoir [V.4.7 Cout de fabrication du séchoir IV.5 MODE D'EMPLOIE DU SECHOIR IV.5.l Emplacement du séchoir

IV.5.2 La pratique du iséchage

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IV.5.2.1 La prépai.ation IV.5.2.2 Pré traitc:ment

IV.5.2.3 La conduite du séchage IV.5.2.4 En aval€. du séchage IV.6 EXEPERIMENTA'rloN ]V.6.l Essais àvide

]V.6.2 Essais de séchage de produit IV.6.2.1 Séchage (!e la carotte IV.6.2.2 Séchage (!'abricot lv.7. CONCLUSION

Comlusion générale Bibliographie

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Liste Des Figures

Figure 1.1 : Schéma descriptif de l'exploit€ition de l'énergie solaire Figure 1.2: Cordonnées [errestre

Figure 1.3 : Les coordonnées horaires Figure 1.4: Coordonnées horizontale

Figure 1.5 : Propagation du rayonnement solaire dans l'atmosphère Figure 1.6 : Le rayonnement solaire à la surface de la terre

Figure 1.7 : Les différen[es zones énergétiques de l'Algérie Figure 1.8 : Situation de la Wilaya de Jijel

Figure 1.9 : Schéma d'un captei]r solaire plan Figure 1.10 : Schéma d.un capteur plan à air Figure 1.11 : Absorbeur `olaire

Figure 1.12 : Schéma simple d'm capteur solaire concentrateur

Figure 1.13 : Le Principi} de fonctionnemeiit d'une cellule photovolta.i.que ... 15 Figure 1.14 : Exemp]e d.un panneau solaire

Figure 11.1: Courbe de séchage ns= f (t) Figure 11.2 : Courbe de séchage dn/dt= f (t) Figure 113 : Courbe de séchage dn/dt= f (ns)

Figure 11.4 : Classification des séchoirs solaires Figure 11.5 : Séchoir solaire coffte

Figure 11.6 : Séchoir solaire coquillage Figure 11.7 : Séchoir solaire cabane

Figure 11.8 : Séchoir solaire tente

Figure 11.9 : Séchoir solaîre indirecte à convection naturel Figure 11.10 : Séchoir s(ilaire indirecte à c(invection forcée Figure 11.11 : Séchoir s(ilaire mixte

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Figure 11.12 : Séchoir solaire hybride

Figure 111.1 : Schéma explicatif du principe de fonctionnement du séchoir solaire ... 34 Figiire 111.2 : Schéma des; paramètres du système de séchage [31]

Figu re 111.3 : Organigranime de dimensionriement d' un séchoir solaire FigLire 111.4 : Diagramm€; de l'air humide

Fjgu re 111.5 : Schéma ex[)Jicatif du ventilat€'ur Figure IV.l : Vue en coupe de séchoir

Figiire IV.2 : Vue du capteur Figure IV.3 : Montage d€'s claies

Figure IV.4 : Détail sur h tôle et I'isolant FigLire IV.5 : Montage d€s pieds

Figure IV.6 : Détail sur lL` fond

Figu re IV.7 : Partie panneaux et ventillation Figure IV.8 : Le séchciir ®st terminé

Figure IV.9 : Schéma de la p]anche de bois Figiire IV.10 : Schéma dii verre qu'on à utjlisé Figure IV.11 : Schémzi dt}s plaques de polys,tyrène Figure IV.12 : Les roulètes

FigLLre IV.13 : La toi]e moustiquaire Figiire IV.14 : La tôle

Figure IV.15 : Sens de circulation de l'air dans, un ventïlateur FigLire IV.16 : Alimentation des ventïlateus a\'ec [e panneau solaire Figiire IV.17 : Réalisation du corps du séchoir

Figiii-e IV.18 : Réalisation de l'amoire de séchage FjgLi re IV.19 : Réalisation du capteu thermique Figiire IV.20 : Installation du système de ventilation Figure IV.21 : Installation des roulettes

FigLi re IV.22 : Installation de l'interrupteur Figure IV.23 : Vue d'ensemble du séchoir Figiire IV.24 : Pratique du séchage

Figiire IV.25 : Les courbi`3s de température €m l`onction du temps ( 15i'05/20] 7) ... 66 Figii res IV.26 : Etape de préparation de produit

Figure IV.27 : Les courbes de température en ]bnction du temps ( 17/'05/2017) ... 68 Figu re IV.28 : Les courb{3s de température cm l`onction du temps ( 18i'05/2017) ... „ .. 69

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Figure IV.29 : Comparaiison entre les carott[!s séchées au séchoir (à gauche) et ce c€Llles séchée directement au sol¢iJ (à droite)

Figure IV.30 : Etape de séchage de 1' Figure IV.31 : Abricot séché

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Des Tableaux

Tableau 1.1 : Les zones énergétiques en A]gérie

Tableau 1.2 : Les coordtynnées géographiques de la ville de Jijel Tableau 1.3 : Difïérents types d'isolants.

Tableau 11.1 : Avamige et inconvénient du séchoir hybride Tableau 111.1 : Table de séchage de la carotte

Tableau 111.2 : Données météorologiques de la ville de Jijel Tab]eau 111.3 : Caractéristiques des difïërents points de séchage

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36 37

40

Tableau 111.4 : Irradiation solaire sur difïërents plans de la wilaya de Jijel ... 43 Tableau 111.5 : Caractéristiques du ventilateu

Tableau 111.6 : Carac.téri stiques du panneau stilaire Tableau IV.1 : Caractéristiques des matériau)L 'I`ableau IV.2 : Cout de fabrication du séclioir

46 46

5Ï!

62 Tableau IV.3 : Mesures de température à 1' imérieur et à l'extérieur du séchoir ... 65 Tat)Ieau IV.4 : Etape de séchage

Tableau IV.5: Mesure.` de température à l'jntérieur et à l'extérieur du séchoir, pour le premier jour de séchage

Tableau IV.6 : Mesurcs de température à l'intérieur et à l'extérieur du séchoir, pour le deii xième jour de séchage

Tableau IV.7 : Variation de la masse de la carotte et le poids d.eau évaporé pendant l,es deux jours de séchage

Tableau IV.8 : Varia[ior` de la masse de la carotte et le poids d'eau évaporé de l'article ... 69 Tableau IV.9 : Etape de séchage d'abricot

Tableau IV.10 : Variatii)n de la masse de l'abricot et le poids d'eau évaporé pendant les jours de séchage

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Introduction générale

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L.énergie, soiJs Loutes ses formes. reste un des paramètres les plus prépondérants dans le développemeiit et la croissance économique d'un pays. I,'Algérie peut aspirer à im dé\/eloppement rapide et conséquent, si on tient compte de ses réserves importantes de pétrole et du gaz. Néanrnoins, et par suite des mutations économiqiies mondiales actuellc!s,

le gouvemement algérieii, s'est fixé comme prjorité dans le domaiiie de la recherche et du développement, l'axe "Energies renouvelables". En effet, il est impératif d'introduire de nouvelles notions qui sont d'actualité p€urmi lesquelles il }J a la protection de l.eiivironnement et l'économie d'énergie [ 1.2].

L'Algérie de par sa situation géographique (située entre le 19ème et le 38ènie parallèle nord), constitu(: sur le globe terrestre une zone particulièrement bien ensoleillée.

Aussi les moyennes aniiuelles d'ensoleillcment varient entre 2600 h/an dans le N()rd à )5()0 h/an dans le Sud €iinsi que le potentiel énergétique est très important. En moyem`e anriuelle, il dépasse les 5 kwh/m2/jour au nord pour atteindre les 7 kwh/m2/jour [3].

Le séchage st)laire est, soit un moyen de conservation, :soit une étape dans la transformation de certains produits. 11 est util'Lsé à la fois dans lc monde rural, dans le monde industriel à travei.s l'agroalimentaire, le textile.. .etc. Globalement on considère qLie les opérations de séchag.. consomment environ 15 % de l'énergie industrielle dans les pays dé`.eloppés. Cette part e,§t importante et il faiit essayer de trouver les moyens d'optimiser les procédés, dans une dtimarche économique mais aussi écologiqu€..

D'autres parts le séchage traditionnel (lirect au soleil reste une méthode très utilisée daris les pays en voie (le développement, mais une méthode i.rès controversée, vue ses nombreux désavantages (poussières, insectes, pertes de vitamines, brunissement {lu produit ... [24,31]. ['our diminuer la consommation énergétiqui; dans le domaine tlu séchage industriel, et pallier aux nombreux défauts du séchage solaire traditionml`

p]usieurs modèles de séchoirs solaires ont été mis en place.

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Ce manuscrit présente une étude foridamentale sur le déve]oppement puis la réalisation d'un modèle de séchoir solaire indirect à convection forcée, dans le domaim agro-alimentaire, plus précisément les fruits et légumes. Ce séchoir solaire autonome du point de vue énergétique, va être testé dan.`, des conditions climatiques réelles, pour diff€.rentsproduitsagro-alimentaires.

Pour bien présenter notre travail, on l'a réparti en quatre parties :

Le premier chapitre est une introducti()n générale sur les énergies renouvelablesi, plus précisément I'énerg,ie solaire. On parlera en premier lieu des dérinitions sur le gisement solaire, comme ses paramètres physiques, son spectre de rayonnement et toutes les données susceptibles de nous intéresser dans notre travail. On iLbordera les domaines d'uti[isation de l'énergie solaire qui sont les capteurs themiques (pour l'énergie thermique) et les panneaux solaires (pour l'énei.gie photovolta.i.que).

Dans le deuxièm.` chapitre on va s'intéresser au séchage solaire, son but, ses différents modes, ses domaines d'application. les paramètres qui entrent en compte dans le séchage, et surtout les diffërentes phases du déroulement du processus du séchage. En abordant tous ces éléments notre but est de bien faire compreridm la problématique du séchage. Ensuite on parlera des séchoirs solaires, on va les classifier selon leur mode de f()nctionnement, leurs avantages et leurs inconvénients.

Le troisième chapitre va être dédié au dimensionnement du séchoir solaire. On va commencer par présenter notre séchoir solaire et ses différentes parties. Puis on va s.intéresser au dimensionnement du séchoir et cela en calculant la masse d'eau à sécher du produit, la consommation thermique du séchoir et le débit d'air néces;saire. Ces ainsi qii`on pourra dimensionner chaque partie du séchoir, en commençant riar le capteur puis la chariibre de séchage et on finit par le système de ventilation.

Dans le quatrième chapitre on abtirdera la question de la réalisation et l`exr)érimentation. On présentera le p]rot(>type dimensionrié précédemment, une présentation 3D simulée par SKETCHUP. Oii mettra en avant les matériaux qu'on va utiliiier. Puis vient l'étape de la réalisation a`Jec ses différentes paiiies. Puis on finit par tester le séchoir solaire diins des conditions climatiques réelles, pour ainsi faire une étude comparative entre la théo]ie et l 'expérimentation.

On termine no"e mémoire avec une conclusion générale, ou on va aborder nos perspectives à venir et les améliorations qu'on pourra apporter au séchoir solaire.

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Chapitre 1

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Cl,apitre 1 Gisement et ca teur solaire

1.1 INTRODUCTI('}N

()n appel gisement solaire l'ensemble des caractéristiques de la ressource local en énergie solaire, c'est-à-dire ces fluctuations temporelles;.

L'exploitation directi= de l'énergie solaire au moyen de capteurs relève de deux technologies bien distinctes : I'une produit des calories, c'est l'énergie solaire themique. elle permet de produire de la chaleur à partir dii rayonnement solaire infïarouge afin de chauffer de l.eau ou de l'air. On utilise dans ce cas des capteurs themiques. Dans le langage courant, ce sont des chauffe-eaux solaires ou des capteurs à air chaud. L'autre produit de L'électricité, cette demière et ap[)elt!e énergie solairc. photovolta.i.que. Elle permet de produire de l'électricité par transfomTation d'une partie tlu rayonnement solaire grâce à des cellules solaires, reliées entre-elles pour fomer un module solaire photov()lta.i.que [4].

æm _ _ _______J

J_,,

•... 1 .' ....,.,..

EncTgie solair.

Photo`.oltai-que

Encrgie solaiTe

ùcrriquc

Figure 1.1 : Schéma descriptif de l'exploitation de t 'énergie solaire

1.2 L'ASTRE SOLAIRE

11 est utile d'effectuer un bref aperçu sur l'astre solaire qui est à l'origine de toute vic. su terre. La machine soleil est considérée comme étant une grande centrale nucléaire foumissant de l'énergie, et gardant ses déchets (centrale nucléaire idéale). Cette ]machine nous délivre une énei.gie propre (non polluante), gratuite, disponible, silencieuse, et elle ne tombe jamais en panne. On ne foumit aucun effort pour produiTe cette énergie mais on conçoit seulemeni des app{ueils pour la capter [.ç`].

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ChaDitre 1 Gisement et cai)teur solaire

1.3 COORDONNEE TERRESTRE 1.3.1 Les coordonné€is géographiques

Ce sont les coordûnnées angulaires qui pemettent le repéragc d'un point sur la i,eiTe 1.3.1.1 Longitude

La longitude d'un lieu correspond à l.ongle que fait le plan méridien passant par ce lieu avec un plan méridiei` retenu comme origine. On a choisi pour méridien origine 0° le plan passant par l'observatoire de Greenwich. Par convention, on affecte du signe (+) le méridien situc à l.Est, et du signe (-) Ies méridiens situés à l'Ouest. La long,itude sera désignée ici par la lettre À.. La longitude d'un lieu peut ainsi être comprise entre -180° et +180°. [6]

1.3.1.2 Latitude

La latitude d'un lieu correspond à fl'ongle. avec le plan équatorial, que fait lc. rayon j()ignant le centre de la teiTe à ce lieu. L'équateur terrestre est donc caractérisé par une latitiide

égale à 0°, le pôle nord p€ir la latitude +90° et le pôle sud par la latitude -90°.

Cette convention tte signe effectue le signe (+) à tous les lieux de l'hémisphère Noj.d et le signe (-) à tous les lieux de l'hémisphère Siid. La latitude serzi désignée ici par la letti.e q).

La [atitude d'un lieu peut ainsi être comprise eiitre -90° et +90° [6].

1.3.1.3 L'altitude

C'est la distance verticale exprimé en mètres, séparant le point considéré du relief terrestre du niveau de la riier, pris comme surface de référence [6].

Nord

Su<l

Figure 1.2: Cordonnées terrestre [6]

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¥Îftl-,,-,--

1.32 Coordonnée honaires 132.1 Déclinaison du soleil

Gisement et cai)teur solaire

C'est l'angle fomé par la direction du soleil avec le plm équatoria], elle varie au cours de I'année entre -23,27°et 23,27°, elle est nulle aux équinoxes (21mars et 21 septembre), maximal au solstice d'été (21juin) et minimale au solstice d'hiver (2 l deœmbre). La valeur de la déclinaison peut être calculée par la relation (1.1 ) [4,5].

a=23.45°sinEË0.+284)]

j: Numéro du jour dans l'année

1.3.2.2 L'angLe l]oraire du so]ei] w

(1.1)

L`angle horaire du soleil est l'angle fomé par le plm méridien du lieu et celui qui passe par la direction du soleil si l'on prend comme origine le méridien de Greenwich, l'angle horaire est compris enne la projection de soleil sur le plm équatorial à un moment donnée et la projection du soleil sur ce même plan au midi vrai. L'angle horaire est donné par la relation (].2) [7'8].

w = 15(7'SV -12)

Avec TSV : temps solaire vrai qui sera décrit dms les paragraphes suivants.

A®',e

ô

1 ,

équeteu'\_! -

Sud

Figure 13 : Les coordonnées horaires [4,5]

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ChaDitre 1 Gisement et capteur solq鱱

1.3.2.3 Le temps so]aire vrai rsv

On appelle Le temps solaire vrai en un lieu et un instant donné, l'aiigle horaire du soleil en ce lieu et à cet instant |7,8] :

rsv == i2 + Ë ^(`1.3)

1.3.2.4 Le temps solaire moyen TSA4

C'est le temps qui correspond à une rotation unifome de la terre autour du soleil.11 diflèi.e Peu du 7'SV (écart maximal Er = 16 minutes) |7,8]

TSM = TSV + ET

F,t : équation de temps [iTiin] qui est donnée pai. la relation :

ET = 9.87 sin(2j') -7.35 cosÜ.') -1,5 sinü'') J., -3Ê: O. -81,

(1.4)

Où E7. est exprimé en iïiinutes etj est le numéro dujour dans l'amée à partir du ler Janviei..

1.3.2.5 Le temps universe] TU

()n définit le temps universel TU comm.. le temps solaire du méridien fondamental (méL.idien Greenwich) Pour un lieu de longitude À [7,8] :

T U -- T S M - À

À : Etant la longitude traduite en heures (1 heure pour 15 degrés).

([.7)

1.3.3 Coordonnée ho rizontales

1.3.3.1 Hæuleur angulaire du soleil h

C'est l'angle que faït la direction du soleil avec sa projection siir un plan horizontal [9] :

sin h = sin ¢ sin cr + cos q7 cos cr cos w

0 : L,atitude du lieu

l.,a hauteur du soleil varie entre -00° et +00°

- h = 0 aux lever et coLicher

([.8)

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Chapitre 1 Gisement et caDteur solaire

-h > 0 Lejour - h < 0 la nuit 1.3.3.2 Azimut œ

C'e§t l'angle compris entre le méridien du lieu et le plam verticaL passant par le soleil, on peutlecompterpositivementde0°à+180°versl'ouestetnégativementde0°à-180°versl'est [9].

sin ar - cos ô sln w

cosh ^(1.9)

a = -90° pour une orientation Est a = 0 pou une orientation Sud a = 90° pour une orientation Ouest Œ = | 80° pour une orientation Nord Avec :

w : Angle horaire o : Déclinaison du soleil h : Hauteur du soleil

Figure 1.4: Coordonnées horizontale [9]

1.4 LE RAYONNEMENT SOLAIRE

Le rayonnement solaire est l'ensemble des ondes électromagnétiques émises par ]e soleil. 11 est composé de toute la gamme des rayonnements, de l'ultraviolet lointain Çomme les rayons gamma aux ondes radio en passant par la lumière visible. I+e rayonnement soLaire

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Chapitre l Gisement et capteur solaire

coniient aussi des rayons cosmiques de par.icules arimées d'une vitesse et d'une énergie extrêmementélevées[10].

Ë#

Cobstaiife sohir®

1370".^,r.

Figure 1.5 : Propagation du rayonncment solaire dans l'atmosphère [10]

1.4.1 Rayonnement direct

Le rayonnement solaire direct se définit comme étant le rayonnement provenant du seul disque solaire.11 est donc nul lorsque le soleil est occulté par les iiuages [10].

1.42 Rayonnement diffus

Dans sa traversée de l'atmosphère, le rayonnement solaire est diffi]sé par les molécules de l'air et les particules en suspension. Le rayomement solaire diffus n'est donc nul que la nuit

[10].

1.4.3 Le myonnement réfléchi ou l'albédo du sol

C'est le rayomement qui est réfléchi par le sol ou par des objets se trouvant à sa surface. Cet albédo peut être important lorsque le sol est particulièrement réfléchissai`t (eau, neige, etc .... ) [10].

1.4.4 Rayonnement globa]

C'est la somme des deux types de rayonnements direct et diffiis.

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Chapitre 1 Gisemen( et caDteur solaire

Figure 1.6 : Le rayomement solaire à la surface de La terre [ 10]

1.5 SPECIFICATI0N DE LA REGION

1.5.1 Les différentes zones énergétÉques de ]'Algérie

On peut dire qu'il y peu de pays qui reçoivent autant de flux d'énergie solaire que ].Algérie car elle est située entre les latitudes 20 et 37 degré nord partant du princjpe que l`altitude et le climat sont ]iés à l'ensoleillement, c'est par la connaissance des altitudes et du climat des localités de territoire algérien, L'Algérie possédant un gisement solaire imponant, de part son climat, la puissmce solaire maxirnale en tout point de notre pays est d'environ lKW/m2 ,L'énergie joumalière maximale moyenne (ciel clair, mojs de juillet) dépasse les 6KW/m2 et l'énergie annuelle maximale en Algérie est de l'ordre de 2500 KWH/m2 , la figure suivante représente les zones énergétiques en Algérie [11 ].

Figure 1.7 : Les différentes zoiies énergétiques de l'Algérie [ 11 ]

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Chapitre 1 Gisement et caDteur solaire

L'Algérie comporœ 37 stations partagées en hi.iit zones, le tableau suivant représente les différentes zones énergétiques :

Tab)eau 1.1 : Les zones énergétiques en Algérie [11]

Zones énergétiques Type des stations Nméro de station énergétique

Z01 ANABA 02 ⁰²

Z02 ALGER 04 01, 04, 06, 08, 09,12

07,10,11,15,17

Z03 BATNA 10

Z04 OUARGLA 22 14.16,18,19, 20, 21, 22. 23

Z05 ^{HVSALH 32} 24, 26, 28, 29, 31, 33, 34. 35

Z06 ADRAR 30 ^{25, 27, 30}

Z07 T SSET 37 ³⁷

ZO8 DJENET 36 ³⁶

1.5.2 Spécification de la région de .Jijel 1.5.2.1 Présentation du sîte

e€ja'.

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Figure 1.8 : Situation de la Wilaya de Jijel

h Wilaya de Jijel est située au nord-est de l'Algérie, c,ouvrant une superficie de 2 381 740 km2. Elle demeue une des collectivités administratives les plus étendues du pays.

Elle a une population totale estimée à 636 948 habitants.

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Chapitre 1 Gisement et cai)teur solaire

Elle est limitée au nord par la mer Méditerranée à l'ouest par la wilaya de Beja.i.a, {`a l'est par la wilaya de Skikda, au sud-ouest la wila}a de Sétif, au sud par la wilaya de Mila et enfLn au sud-est par la wilaya tLe Constantine [ 12].

[.5.2.2 Les données géographiques

Tableau 1.2 : Les coordonnées géographiques de la ville de Jijel [ 12]

AJtitude (z) Lati

360 4ç

[ude (q') ) ' 1 3 Nord

Longitude()i) 5° 46'00'Est

[.5.2.3 Données climatiques de la vÎ"e de Jijel

® La températui.e : La températu].e {'st le facteur le plus jmportant dans le cliinat à cause de sa liaison directe ou indirecte èivec les autres facteui.s climatiques. Comme elle a une grande influence sur la vie humaiiie et végétale [12]„

La vïlle de Jijel est caractérisée par un climat équatorial chaud et humide au niveaiu de l'étiuateur : la tempé]ratiire reste inférieure à 35 °C ®erte de chaleur par évaporation) mais üoujours supérieure à 18 °C (les nuages retiement la chaleur) ; ]a température varie peu dans la joumée et durant l'année ; la pluie tombe au cours des deux si]isons des pluies (mirs et :septembre) [9].

[.6 CAPTEUR SOLAIRE THERMIQUE

Les capteurs solaires sont des systèmes, qui captent et transfoment l'énergiie de rayonnement solaire en énergie thermique. Cette transfomation est obtenue à l'aidc- des collecteurs themiques,1] existe deux princïipaux types de capteui.s solaires [ 13] :

• Lescapteursplans

• Les capteurs concentrateurs [.6.1 Les capteui.s H)lam

Les capteurs plans à air ou à eau sont des {>léments chargés de ti.ansformer le rayonnement soliiire qu'ils reçoiverit en énergie calorifique utilisable, le plus souvent par l'intemédiaire du flujde caloporteur (eau, air ,... ). Ils jouent aussi le rôle d'écharigeur en cédant cette énergie captée au fluide caloporleur qui les traverse. I,es usages sont multiples à savoir ; le chauffage des, ]ocaux, le séchage, e[c. [13].

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Chal)itre 1 Gisement et capteur so]q汍

Figure 1.9 : Schéma d'un capteu solaire plan [] 3]

1.6.1.1 Principe de fonctionnement d'un cai)teur p]an à aîr

Les capteurs solaires plans à air transfoment l'énergie radiante du soleil en énergie themique extraite par l'air en écoulement dans le capteur .cette énergie est utilisé dans difiërentes applications solaires, comme par exemple, le séchage des grains ou du bois, le chauffage des locaux industriels ou a usage d'habitation, ainsi que dans la réffigération solaire.

ë

Absorbeur

Entrée air amblant Energle

récupérée

Figure 1.10 : Schéma d' un capteu plan à air ( L4]

1.6.1.2 Les composants d'un capteur p]an à air

Un capteur solaire plan est généralement composé d'un coffie, d'un vitrage, d'une isolation, d'un absorbeur et de tubes pemettant le passage du fluide caloporteur [14].

• L'absorbeur : L'absorbeu est l'un des éléments les plus importants d'un capteur themique; il convertit le rayonnement solaire en chaleur.

Deux coefficients déteminent les caractéristiques de ces absorbeurs : Œ : Coefficientd`absorption (0 à l optimum l)

g : Coefficient d`émission (0 à l optimum o) 12

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Chapitre 1 Gisement et caDteur so]aire

Figure 1.11: Absorbeur solaire [ 14]

• Le vitrage: Perinet de protéger l'intérieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système par effet de serre.

• Le fluide caloporteur : Permet d'évacuer la chaleu emmagasinée par ]'absorbeur et de la trmsmettre vers là où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporieur doit prendre en compte ]es conditions suivantes [ 14] :

/ Etre chimiquement stable lorsqu'il atteint une for(e température, en particulier lors de la stagmtion du capteur.

v' Posséder des propriétés antigel en corré]ation avec les conditions météorologiques locales.

/ Etne facilement disponible et bon marché.

• L`isolant : Empêclie les déperditions ; elle se compose d'une couche de polystyrène ou de la laine de verre ou le liège et d'une plaque en bois exteme. Le vide étant l.isolant idéal.

Tableau 13 : Différents types d'isolm(s [ ] 4]

Isolation arrière Coefficient de transmî ssivité W/M°C

La laine de verre ^0.057

Le liè8e ^0.42

Le polystyrène expansé ^0.31

Le po l yuréthane ^0.026

• Le Coffret : C'est une structue sous fome de cadre qui consolide le tout et qui porte des ouvertures pour le passage du fluide caloporteu, on utilise généralement la fibre de

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Chapitre Gisement et solaire

verre, la tôle ordinaire, le bois, la mousse de poly méthane. Le matériau doit résister aux chocs, à ]a corrosion et surtout aux variations de températures.

Le type de capteu est caractérisé par le nombre de vitrage utilisé, le type d'absorbeur et le mode de l'écoulement du fluide caloporteur autou de l'absorbeu.

1.6.2 Capteurs concentrateuis

Les capteurs solaires plans ne peuvent généralement pas porter les fluides caloporteurs à très hautes températures. C'est pou cela, i] est possible d'utiliser dcs capteurs concentrateurs en demi¢ercle (Paràboliques) (figure 1.12), qui concentrent le rayomement solaire capt€. sur un tuyau où circule le fluide caloporœur. Cette concenmtion provoque une augmentation de la température qui pem atteint plusieurs centaines de degrés Celsius [14,15].

•concentratetLr

Figui.e 1.12 : Schéma simple d'un capteu solaire concentrateu [ 15,16]

I .7 Énergie solaire photovoLtaïque

L'énergie photovolta.i.que se base sur l'efflt photoélectrique pour créer un couramt électrique continu à partir d'un rayomement électromagnétique. Cette source de lumière peut être naturelle (soleil) ou artificielle (une ampoule). L'énergie photovolta\.que est captée par des cellules photovoltaïques, un composant électronique produit de l'électricité lorsqu'il est exposé à la lumière. Plusieurs cellules peuvent être reliées pour fomer un module solaire pho.tovoltà.Ique ou un pmneau photovoltaïque. Une installation photovoltaïque connectée à un réseau d'électricité se compose généralement de plusieurs panneaLix photovolta.i.ques, leu nombre pouvant varier d'une dizaine à plusieurs milliers.

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ChaDitre 1 Gisement et cai)teur so]aire

1.7.1 Cellule photovoltaïTue

La cellule PV est le plus petit élément d'une installation photovolta.i.que. Elle est composée de matériaux semi-conducteurs et transfome directement l'énergie lumineuse en éne]'gie électrique. Nous allons ici présenter rapidement le fonctionnement du phénomène photovoltaïque[15].

1.7.2 Le Principe de fonctionnemet.t d'une ce]]ule photovoltaïque

Une cellule photovolta.i.que est un dispositif semi¢onducteur généralement a base silicium. Elle est réalisée à partir de deux couches, une dopée P et l.autre dopée N créant ainsi unejonctionPNavecunebarrièredepotentiel.Lorsquelesphotonssontabsorbésparlesemi- conducteur, ils trmsmettent leu énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent e. créent des électrons (changes N) et des trous (charges P).

Ceci crée alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différenœ de potentiel est mesurable enœ les connexions des bomes positives et négaiives de la cellule

[15].

La structure d'ue celluLe photovoltaïque est i]lustrée dans la figure (1.13).

Figure 1.13 : Le Principe de fonctionnement d'une cellu]e photovoltal.que [ 15i]

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Chapitre l Gisement et cat}teur solaire

1.7.3 Les panneaui solaires

Un panneau solaire est composé de cellules photovolta.i.ques assemblées les unes aux autres, en série et/ou en parallèle. La cellule photovoltaïque se compose de 2 couches de semi- conducteur (du silicium le plus généralement). Comme l'une des couches est positive et 1'autrenégative

Lorsqu'un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au myomement sont " bombardés " par les photons constituant la lumière ; sous l'action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être " arrachés / décrochés " : si l'électron revient à son état initial, l'agitation de l'électron se traduit par un échauffement du matériau. L'énergie cinétique du photon est transformée en énergie themique. Par oontre. dans les cellules photovolta.i.ques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons "

décrochés " créent une tension électrique contiiiue faible. Une partie de l'énergie cinétique des photons est ainsi directement transfomée en énergie électrique : c'est l'effet photovolta.i.que.

Figure 1.14 : Exemple d'un panneau solaire

1.8 CONCLUSION

Ce chapitre nous a pemis d'introduire les notions de base nécessaires pour l'étude et la réalisation d'un séchoir solaire indirect à convection forcée de fruits et légumes. On a abordé les difïérents paramètres astronomiques et géographiques ainsi que les caractéristiques du rayonnement solaire à la limite de l'atmosphère.

Pou développer la chaine énergétique que constitue le couplage capteur-séchoir, nous serons amenés à faire une étude numérique détaillé ceci sera traité dans les chapitres suivants.

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Chapitre 11

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±±?pitre ii Géné_ra]ité sur ]e sLÉc±ïg_e_ et les séchoir§£g±±±±Ê±

11.] INTRODUCTI0N

Le séchage et touL particulièrement le séchage au soleil est l'une des plus ancieiines techniques de conservati(>n des produits agi.oalimentaires utilisée par l'homme. Elle comiste en ] .exposition du produii aux rayons du soleil et à l'air libre [ 16].

Cependant, cette méthode présente plusieurs inconvénients : un étalage direct aux myons ultraviolets du soleil peut causer la détt.5rioration des vitamines de ce produit. Mais, il esi aussi exposé aux intempéries aux insectes eL à la poussière [ 17].

Le séchage solaire dans le domaine agro-alimentaire consomme environ 15°/'i de l`énergie industrielle. Afin d'optimiser cette consommation l'énergie solaire renouvelable et non polluante est appa"e comme solution adé(i uate.

C'est ainsi que l`idée des séchoirs solaires a fait son aiiparition, comme mt.yen économique et écologique pour pallier au pr(`blème du séchag€} traditionne[ et diminucr la comommation énergétique dans le domaine du séchage agro-alimeni aire [ 18,19].

Les chercheurs oi.it mis en place plusieurs séchoirs solaires du séchoir direct, indirect au séchoir à convection naturelle ou forcée` saiis oublier les séch()irs mixtes ou hybrides. Une largc gamme s'est dévi.loppée avec le temps, chacune présente des avantages et des inccinvénients. leurs utilisations dépendront de.ç objectifs techniques qu'on veut atteindre et du budget qu'on s'est imposé.

11.2 LESECHAGE

11.2.1 Dérinition et but du séchage

Le séchage solair€ est considéré comm l'opération unitaire ciui consiste à éliminer par évaiioration l'eau d'un coTps humide ®roduit). Ce demier peut êtTe solide ou liquide, mais le produit final est solide [20].

L`objectif de sécher un produit est d'abaisser sa teneur en eüu, de telle sorte que son activité de l'eau soit portée à une valeu[ permettant sa conservation à une température ordinaire sur de longues durées (de l'ordre de l'année) [21]. L'élimination ou la séparation de l'eau peut être obtenue par voie mécanique ou thermique.

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ç±±±± Génér?±€ sur le séchage _et les séchoirMolairçï

11.2.2 Mode de séchage

• Séchage par convection

l.e séchage par convec(ion est un prœessus ou un corps humide est placé dans une enceinte ou règne un flux gazeux chaud et sec, des différences de température et de pression partielle d'eau seront constatées entre le corps et le gaz (iboutissant ainsi aux phénomènes suivants [5]

/ Un transfert de c.haleur du gaz vers l€ï corps humide sous l'effet de l'existence d'un gradient de température.

v' Un transfert de matière (eau) s'effectuant du corps vers le gaz sous l'effet d'un gradient de pression partielle.

Dans la plupaii des cas, le gaz utilisé est l'air dont les propriétés themo physiques lui permettent d'être à la fois un fluide calopor[eur et un vecteur d'élimination de l'eau évaporée.

• Séchage par conduction

l.e produit à sécher se trouve en contact avec une paroi solide portée à une température élevée par chauffage (fumées, vapeurs d'eaLi...:i. La conduction à ti.avei.s la paroi et la matière entraîne une augmentation de la température dii composé à sécher : le ]iquide se vaporise donc par évaporation ou par ébullition s'il atteini sa température d'ébullition. Les vapeurs fomées sont soit aspirées (cas du séchage sous iiression réduite qui abaisse la température d'ébullition), soit entraîné`es par un gaz de balüyage dont le débit est très faible par rapp(>rt à celui utilisé dans le cas d'un chauffage par convection. La couche d€ solide en contact avcc la par(}i est d'abord séchée riuis il y a ensuite une augmentation de l'ép€iisseur de la couche siàche en cours d'opération.

• Séchage par infrarouge

Ce mode de séchag(.! convient aux produits en plaques ou ..n films, donc de faible épaisseur. L'apport d'énergie s'effectue par ondes électromagnétiques générées soit par des dispositifs électroniques (micro-ondes) soit par élévation de la t€mpérature d'un éineiteur infrarouge,

En infi.arouge le chau ffage se manifeste sur des épaisseurs très faibles (500 Hm). Avec des mici.o-ondes on peut sécher à des épaisseurs iilus importantes. l,e champ électromagnétique véhiculé par ces fiéquences excite les molécules d'eau : l'agitation moléculaire qui en rés`ulte pro`'oque des chocs inteimoléculaires. Cela entraîne un échauff3ment du produit et doiic la vaporisation des molécules d'eau.

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E±apitre ll Gé±énËé sur ]e séch_age et lœ±±£±9_iriLE±!±±±Ê±

Le séchage par micro-ondes est encore peii fréquent dans l'indu±`,trie chimique: il présente les avantages d'être pr()pre et facile à réguler. De même son action s'effectue sur le volume du solide ce qui diminue les risques de croûtage eii surface.

11.2.3 Domaines d'utilisation

• L'industrie agro-a]imentaire

Une grmde partie des aliments que nous consommons ont subi une opératioii de sécliage. Le séchage peut être une étape nécessaire à la production du produit ou un rôle dans la c.>nservation de l'aliment. On peut citer par cxemple :

/ Les pâtes aliment:iires

/ Les ffomages : séchage dms une ambiance contrôlée / Le sucre cristal]isé est obtenu par évap(iration

/ Les légumes ¢ois ,... ) et fruits secs (pmneaux, raisins, abrictits.. .)

v' Certains biscuits €Lpéritifs sont produits par séchage à l'air chaud à partir d'une pâte de ma.l.s

/ Les jus de fiuits s(int préparés à partir d`un concentré obtenu par vaporisation

/ Le sel (gisement minier) est concassé, dissout, épuré avant d.être essoré et enfin siéché jusqu'à devenir du sel raffiné

/ La conservation de beaucoup de type!ï de grains ou de végétaux est assurée par le séchage : café. cacao, riz et autres céréales, feuilles de thé, épices. . .

/ Certains produits en poudre : cacao, Iait ,...

• Industrie papetière

Le papier est obtenu par séchage de la pâte à papier sur des rouleaux rotatifs chauffës.

• Industrie du bois

Le bois qui vient d'être abattu et scié contient un J`ort degré d'humidité qui interdit son utilisation immédiate dans les conditions correctes, sinon on s'expose à des changements de taille et de forme du bois.

o Matériaux de construction

Briques, cane]agcs ....

• L'industrie céramique

Assiettes, bols, plats. . .

• La biotechnologie et l'industrie pharmaceutique

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