ETUDE ET MODELISATION SOUS TRNSYS 16 D’UNE CUISINIERE SOLAIRE AVEC STOCKAGE D’ENERGIE THERMIQUE PAR CHALEUR LATENTE DE FUSION

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REPUBLIQUE DU BENIN

---

UNIVERSITE D’ABOMEY CALAVI ---

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY – CALAVI ---

DEPARTEMENT DU GENIE MECANIQUE ET ENERGETIQUE

Option: Energétique

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION

POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

Réalisé par :

SEHOU Houindo Ogoudjè Maxime

Soutenu publiquement le mercredi 28 janvier 2015 devant le jury composé de : Président : Prof. Malahimi ANJORIN, Enseignant à l’EPAC

Membres : Dr Gédéon CHAFFA, Enseignant à l’EPAC Dr HOUNGAN Aristide, Enseignant à l’EPAC

M. MALIKY-DJAMIYOU Siaka, Directeur Général de SOLARISS-Ing Dr AWANTO christophe, Enseignant à l’EPAC (Maître de mémoire)

Année Académique 2013-2014 7^epromotion

ETUDE ET MODELISATION SOUS TRNSYS 16 D’UNE

CUISINIERE SOLAIRE AVEC STOCKAGE D’ENERGIE THERMIQUE PAR CHALEUR LATENTE DE FUSION

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Mémoire/Ingénieur de conception en Energétique/EPAC/UAC/Bénin.

Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page ii

DEDICACES

A mon père Sehou Z.Ignace

A ma mère Abdulaï Ashetu

Je dédie ce travail

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page iii

REMERCIEMENTS

Ce travail que nous présentons a été effectué à SOLARISS-Ing, qui est une société intervenant dans les énergies renouvelables et en particulier l’énergie solaire.

En premier lieu, je tiens à remercier le Docteur AWANTO Christophe, mon maître de mémoire à qui j’exprime toute ma reconnaissance pour avoir accepté de conduire mon mémoire, pour sa confiance en mon travail, sa patience et les nombreux conseils qu'il m'a prodigués.

Mes vifs remerciements vont respectivement à Monsieur MALIKY DJAMIYOU Siaka, directeur de SOLARISS-Ing où s’est déroulé mon stage ainsi qu’à Monsieur ZINSOU Francis, directeur technique de SOLARISS- Ing. Je leur exprime ici l’expression de toute ma gratitude pour avoir toujours été à mon écoute et pour leur soutien.

Je remercie ensuite tout le corps enseignant à l’EPAC, et particulièrement les enseignants du Département de Génie Mécanique et Energétique (GME), pour tous les enseignements et conseils que j’ai reçus durant les trois ans de formation d’ingénieur de conception. Qu’ils trouvent ici le témoignage de mon respect et ma grande affection.

J’exprime toute ma reconnaissance à mes frères Jules, Raoul, Roland, à mes sœurs Marie, Roméo et Sylivie, à mon oncle OGAWIN Réné, à tous mes amis pour leur soutien, leur aide, durant toutes les années de ma formation.

Je ne saurais finir sans une attention particulière à MATCHOKA Edwige pour avoir toujours été à mes côtés et pour le soutien qu’elle m’a accordé surtout durant mes années de formation et les moments forts de cette étude.

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page iv

ETUDE ET MODELISATION SOUS TRNSYS 16 D’UNE CUISINIERE SOLAIRE AVEC STOCKAGE D’ENERGIE THERMIQUE PAR CHALEUR LATENTE DE FUSION

RESUME

La présente étude se propose d’étudier sous TRNSYS 16 les performances d’une cuisinière solaire indirecte équipée de capteur(s) plan(s) et d’un réservoir de stockage de chaleur sous différentes conditions prenant en compte les caractéristiques géométriques du système (dimensions du capteur, des tubes,…), l’ensoleillement du lieu, etc.

Les simulations effectuées ont eu pour but d’évaluer les températures atteintes par l’eau dans la marmite à la treizième heure du premier jour de l’année au Bénin. Ces simulations montrent, en considérant le site de

Cotonou, qu’une variation du volume du réservoir de 2 à 4 m³ entraine une variation de la température d’un kilogramme d’eau de 55,52 à 86,36 °C tandis qu’avec deux kilogrammes d’eau, cette température varie de 40,26 à 55,68 °C.

Par ailleurs, le choix du site influe sur la température atteinte par l’eau. En effet, pour un albédo de 0,2 et une masse d’un kilogramme d’eau, les températures obtenues sur les sites de Cotonou et Natitingou sont respectivement 55,52 et 80,62 °C.

D’autres simulations nous ont permis d’évaluer les influences de

l’absorptivité de l’absorbeur, de l’albédo et des longueurs de tuyauterie sur la température atteinte par l’eau.

Mots et expressions clés : TRNSYS 16, cuisinières solaires, modèles mathématiques.

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page v

STUDY AND MODELING IN TRNSYS 16 OF SOLAR COOKER WITH THERMAL ENERGY STORAGE BY LATENT HEAT OF FUSION

ABSTRACT

The present study proposes to study in TRNSYS 16, the performance of indirect solar cooker equipped with flate plate collector(s), reflectors and a heat storage tank under different conditions taking into account the geometrical characteristics of the system (dimensions of the collector(s), pipe, etc.), locality’s solar radiation, etc.

The aim of simulations is to evaluate temperatures reached by the water in the pot at the thirteenth hour of year’s first day in Benin. These simulations show, considering Cotonou as site and a variation of tank’s volume from 2 to 4 m³, a temperature change of one kilogram of water from 55.52 to 86.36 ° C ; while with two kilograms of water, the temperature change from 40.26 to 55.68 ° C.

Moreover, the site selection affects the temperature reached by the water. Indeed, for an albedo of 0.2 and a mass of one kilogram of water, the temperatures obtained from Cotonou and Natitingou sites are respectively 55.52 and 80.62 ° C.

Other simulations have allowed us to evaluate the influences of the

absorptivity of the absorber, albedo and piping lengths on the temperature reached by the water.

Keywords: TRNSYS 16, indirect solar cookers, mathematical models.

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page vi

SOMMAIRE

DEDICACES ... ii

REMERCIEMENTS ... iii

RESUME ... iv

ABSTRACT ... v

SOMMAIRE ... vi

LISTE DES FIGURES ET ILLUSTRATIONS ... viii

LISTE DES TABLEAUX ... ix

LISTE DES SYMBOLES ... x

INTRODUCTION GENERALE ... 1

: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES CUISINIERES SOLAIRES ... 5

Introduction ... 6

1.1 L’énergie de cuisson dans les pays en voie de développement ... 6

1.2 La cuisson solaire ... 8

1.3 Fonctionnement des cuisinières solaires ... 9

1.4 Classification des cuisinières solaires ... 13

1.5 Outils de simulations des systèmes solaires ... 24

1.6 Revue des travaux effectués sur l’étude et la modélisation des cuisinières solaires ... 26

1.7 Objectif de ce mémoire ... 28

Chapitre 2: Modélisation du capteur solaire plan ... 34

Introduction ... 35

2.1 Présentation et principe de fonctionnement ... 35

2.2 Objectifs des modèles mathématiques du capteur solaire plan ... 37

2.3 Modèle thermique ... 38

2.4 Modèle hydrodynamique ... 45

2.5 Implémentation du modèle dans l’environnement TRNSYS 16 ... 47

Conclusion ... 52

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page vii

Chapitre 3: Modélisation du réservoir de stockage de chaleur et des

conduites thermiques ... 53

Introduction ... 54

3.1 Modèles mathématiques des conduites thermiques ... 54

3.2 Modèles mathématiques du réservoir de stockage ... 62

3.3 Description du flux d’informations des modèles ... 66

Conclusion ... 68

Chapitre 4: Modélisation du rayonnement solaire ... 69

Introduction ... 70

4.1 Repérage du soleil - Coordonnées solaires ... 70

4.2 Repérage d’un capteur ... 74

4.3 Présentation du Type 109-TMY2 ... 75

4.4 Présentation du type 202 ... 83

Conclusion ... 88

Chapitre 5 : Mise en œuvre du modèle ... 89

5.1 Présentation du modèle sous TRNSYS 16 ... 90

5.2 Hypothèses de simulations ... 91

5.3 Analyses et interprétations des résultats ... 97

Conclusion ... 99

CONCLUSION GENERALE ... 101

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 103

ANNEXES ... 109

TABLE DES MATIERES ... 179

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page viii

LISTE DES FIGURES ET ILLUSTRATIONS

Figure 1.1 Quelques causes de décès annuels dans le monde [3] ... 8

Figure 1.2 Cuisinière solaire boîte [6] ... 15

Figure 1.3 Cuisinières solaires type « panneau » [8] ... 16

Figure 1.4 Cuisinière solaire parabolique [11] ... 17

Figure 1.5 Cuisinière solaire Scheffler [11] ... 18

Figure 2.1 Coupe d’un capteur plan [26] ... 36

Figure 2.2 Rayonnements-Echanges thermiques [26] ... 37

Figure 0.3 Schéma d'une partie d'absorbeur ... 41

Figure 2.4 Interconnexions des composants « type202 », « type203 » et « type204 » dans l’environnement TRNSYS 16 ... 52

Figure 3.1 Interconnexion des types 205 et 206 ... 62

Figure 4.1 Coordonnées terrestres ... 71

Figure 4.2 Capteur solaire plan avec réflecteurs ... 84

Figure 4.3 Connexions entre les Type109-TMY2 et type202 ... 87

Figure 5.1 : Modèle de la cuisinière solaire ... 91

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 : Liste des paramètres du « Type202 » ... 48

Tableau 2.2 : Liste des entrées du « Type202 » ... 49

Tableau 2.3 : Liste des sorties du « Type202 » ... 49

Tableau 2.4 : Tableau des paramètres du « Type203 » ... 50

Tableau 2.5 : Tableau des entrées du « Type203 » ... 50

Tableau 2.6 : Tableau des sorties du « Type203 » ... 50

Tableau 2.7 : Tableau des paramètres du « Type204 » ... 51

Tableau 2.8 : Tableau des entrées du « Type204 » ... 51

Tableau 2.9 : Tableau des sorties du « Type204 » ... 51

Tableau 3.1 : Valeurs des constantes a , b, m et n pour le calcul du Nombre de Nusselt local pour tubes circulaires avec flux de chaleur constant [4] .. 58

Tableau 3.2 : Tableau des paramètres du « type 205 » ... 60

Tableau 3.3 : Tableau des entrées du « type 205 » ... 60

Tableau 3.4 : Tableau des sorties du « type 205 » ... 60

Tableau 3.5 : Tableau des paramètres du « type 206 » ... 61

Tableau 3.8 : Liste des paramètres ... 67

Tableau 3.9 : Liste des entrées ... 67

Tableau 3.10 : Liste des sorties ... 68

Tableau 4.1 : Les coefficients de Perez [6] ... 80

Tableau 4.2 : Liste des paramètres ... 81

Tableau 4.3 : Liste des entrées ... 82

Tableau 4.4 : Liste des sorties ... 83

Tableau 4.5 : Liste des paramètres du type 202 ... 86

Tableau 4.6 : Listes des entrées du type 202... 86

Tableau 4.7 : Liste des sorties du type 202 ... 86

Tableau 5.1 : Hypothèses relatives au rayonnement solaire ... 92

Tableau 5.2 : Hypothèses relatives au capteur plan ... 92

Tableau 5.3 : Hypothèses relatives au fluide caloporteur ... 93

Tableau 5.4 : Hypothèses relatives au réservoir de stockage thermique .... 93

Tableau 5.5 : Résultats des simulations ... 95

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LISTE DES SYMBOLES

Symbole Désignation Unité

𝑄 Quantité totale d’énergie stockée par un matériau J

𝑚 Masse du médium kg

𝐶_𝑃 Chaleur spécifique du médium potentiellement dépendant de la température

J/kg.K

𝑇₁ Température initiale du médium °C

𝑇₂ Température finale du médium °C

𝑎_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} Fraction fondue du matériau -

∆ℎ_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} Variation d’enthalpie J/kg

𝑇_𝑓 Température finale du matériau à changement de phase °C 𝑇_𝑖 Température initiale du matériau à changement de phase °C 𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} Température de fusion du matériau à changement de

phase

°C

𝐶_𝑃 Chaleur spécifique du médium J/kg.K

𝐶_𝑠𝑝 Chaleur spécifique moyenne entre 𝑇_𝑖 et 𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} J/kg.K 𝐶_𝑙𝑝 Chaleur spécifique moyenne entre 𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} et 𝑇_𝑓 J/kg.K

𝑎_𝑟 Fraction du matériau qui a réagi -

∆ℎ_𝑟 Chaleur endothermique de réaction J/kg

𝑄̇_𝑢 Energie utile collectée par chaque capteur dans un champ de capteurs solaires plans

kJ/h

𝑗 Numéro du capteur -

𝑆 Surface totale du champ de capteurs solaires plans 𝑚²

𝑁_𝑠 Nombre de capteurs en série -

𝐹_𝑅 Facteur de performance du capteur -

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𝐺_𝑖𝑛 Rayonnement global incident sur le capteur (surface inclinée)

kJ/h.𝑚² 𝜏𝛼 Produit de la transmitivité de la couverture et de

l’absorptivité de l’absorbeur

- 𝐾 Coefficient global de déperditions thermiques par unité

de surface

kJ/h.

𝑚².K 𝑇_{𝑒,𝑐𝑎𝑝} Température d’entrée du fluide dans le capteur °C

𝑇_𝑎 Température ambiante (air) °C

𝑚̇_𝑐 Débit massique du fluide caloporteur kg/h

𝐶_𝑝𝑐 Chaleur spécifique du fluide caloporteur kJ/kg.K

𝐹^′ Facteur d’efficacité du capteur -

𝐷_𝑐𝑎𝑝 Diamètre extérieur des tubes du capteur m

𝑝 Pas des tubes de l’absorbeur m

𝐹 Efficacité des ailettes de l’absorbeur -

𝐶_𝑐𝑜𝑛 Conductance du contact entre tubes et absorbeur kJ/h.m.K

𝑑_𝑐𝑎𝑝 Diamètre interne des tubes du capteur m

ℎ_𝑓𝑖 Coefficient d’échange thermique entre le fluide caloporteur et les parois des tubes

kJ/h.

𝑚².K 𝑘_𝑐𝑜𝑛 Conductivité thermique de contact entre les tubes et

l’absorbeur

kJ/h.m.K 𝑏 Largeur du contact entre les tubes et l’absorbeur m 𝛾 Epaisseur du contact entre les tubes et l’absorbeur m 𝑘_𝑎𝑏𝑠 Conductivité thermique de l’absorbeur kJ/h.m.K

𝛿 Epaisseur de l’absorbeur m

𝐾_𝑙𝑖 Coefficient de déperditions thermiques sur les faces latérale et inférieure du capteur

kJ/h.𝑚².K

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𝐾_𝑙 Coefficient de déperditions thermiques sur les faces latérales

kJ/h.𝑚².K 𝐾_𝑖 Coefficient de déperditions thermiques sur la face

inférieure du capteur

kJ/h.𝑚².K 𝜆_𝑖𝑠𝑜 Conductivité thermique de l’isolant kJ/h.m.K

𝑒_𝑝𝑣 Epaisseur de la paroi verticale m

ℎ_𝑐𝑎𝑝 Hauteur du capteur m

𝑃_𝑐𝑎𝑝 Périmètre du capteur m

𝑆_𝑐𝑎𝑝 Surface du capteur 𝑚²

𝐿_𝑐𝑎𝑝 Longueur du capteur m

𝑙_𝑐𝑎𝑝 Largeur du capteur m

𝑒_𝑝𝑖 Epaisseur de la paroi inférieure du capteur m 𝐾 coefficient global de déperditions thermiques du capteur kJ/h.𝑚².K 𝐾_𝑠 Coefficient de déperditions thermiques relatif à la face

supérieure du capteur

kJ/h.𝑚².K 𝐾_𝑙𝑖 Coefficient de déperditions thermiques relatif aux faces

latérales et à la face inférieure du capteur

kJ/h.𝑚².K

𝑁_{𝑐𝑜𝑢𝑣} Nombre de couvertures -

𝑇_𝑝𝑚 Température moyenne de l’absorbeur °C

ℎ_{𝑣𝑒𝑛𝑡} Coefficient de transfert thermique par convection relatif vent

kJ/h.𝑚².K

𝜀_𝑎𝑏𝑠 Emissivité de l’absorbeur -

𝜀_{𝑐𝑜𝑢𝑣} Emissivité de la couverture -

𝜎 Constante de Stefan-Boltzmann W/m².K⁴

𝑉_{𝑣𝑒𝑛𝑡} Vitesse du vent m/s

𝛽 Inclinaison du capteur par rapport à l’horizontal °

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𝑇_{𝑠,𝑐𝑎𝑝} Température du fluide caloporteur à la sortie du capteur °C 𝑆 Surface totale du champ de capteurs solaires plans 𝑚² 𝐺_𝑖𝑛 Rayonnement global incident sur le capteur (surface

inclinée)

kJ/h.m² 𝜏𝛼 Produit de la transmitivité de la couverture et de

l’absorptivité de l’absorbeur

-

𝑚̇_𝑐 Débit massique du fluide caloporteur kg/h

𝐶_𝑝𝑐 Chaleur spécifique du fluide caloporteur kJ/kg.K

F_𝑝 force de poussée du fluide Pa

𝑔 Accélération due à la gravité m/𝑠²

𝜌_𝑓 Masse volumique du fluide caloporteur kg/𝑚³ 𝛽^′ Coefficient d’extension thermique du fluide caloporteur 1/K 𝑇_{𝑒,𝑐𝑎𝑝} Température d’entrée du fluide caloporteur dans le

capteur

°C 𝑇_{𝑠,𝑟𝑒𝑠} Température de sortie du fluide caloporteur du capteur °C Δ𝑃_𝑐𝑎𝑝 Pertes de charge linéaires dans le capteur Pa 𝑓 Coefficient de chutes de pression linéaires - V_𝑐𝑎𝑝 Vitesse d’écoulement du fluide caloporteur dans le

capteur

m/s

𝐿_𝑐𝑎𝑝 Longueur du capteur m

𝑑_𝑐𝑎𝑝 Diamètre interne des tubes du capteur m

𝜈_𝑓 Viscosité cinématique du fluide caloporteur 𝑚²/𝑠

𝑅𝑒 Nombre de Reynolds -

𝑇_{𝑠,𝑐𝑡} Température de sortie du fluide des conduites thermiques

°C

∆𝑡 Pas de temps de simulation h

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𝑀 Masse du fluide dans un segment de conduite considéré kg 𝑇 Température du fluide dans le segment de conduite

considéré

°C

𝑖, 𝑘 Numéro de segments considérés -

𝐾_𝑐𝑡 Conductivité thermique des conduites thermiques kJ/h.m.K 𝑆_𝑐𝑡 Surface d’échange des conduites thermiques m²

𝑇_𝑖 Température d’entrée du fluide dans un segment de conduite considéré

°C 𝑄_𝑝,𝑖 Energie totale échangée par la conduite thermique avec

le milieu extérieur

kJ/h

∆𝐸 Variation de l’énergie interne de la conduite thermique kJ 𝑇_{𝑠,𝑐𝑡}

̅̅̅̅̅ Température moyenne d’entrée du fluide caloporteur à la fin du pas de temps considéré

°C 𝑇_{𝑒,𝑐𝑡} Température d’entrée du fluide caloporteur dans la

conduite thermique

°C 𝑑_𝑐𝑡 Diamètre interne des conduites thermiques m ℎ_𝑖𝑛𝑡 Coefficient d’échange thermique à l’intérieur des tubes kJ/h.m².K

𝜆_𝑐𝑡 Conductivité thermique des conduites thermiques kJ/h.m.K ℎ_𝑒𝑥𝑡 Coefficient d’échange thermique entre les tubes et le

milieu extérieur

kJ/h. m².K

𝑁𝑢 Nombre de Nusselt -

𝑘_𝑓 Conductivité thermique du fluide caloporteur kJ/h.m.K

𝑑_𝑐𝑡 Diamètre intérieur des conduites m

𝑃𝑟 Nombre de Prandtl -

𝐿_𝑐𝑡 Longueur de la conduite considérée m

𝑉_{𝑣𝑒𝑛𝑡} Vitesse du vent m/s

Δ𝑃_𝑐𝑡 Pertes de charge linéaires dans les conduites thermiques Pa

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V_𝑐𝑡 Vitesse d’écoulement du fluide caloporteur dans les conduites thermiques

m/s

𝑄_{𝑚𝑎𝑟𝑚} Energie cédée à la marmite kJ

𝑄_𝑒𝑎𝑢 Energie cédée à l’eau

𝑀_𝑒𝑎𝑢 masse de l’eau kg

𝐶_𝑒𝑎𝑢 Chaleur spécifique de l’eau kJ/kg

𝑇_{𝑓,𝑒𝑎𝑢} Température finale de l’eau °C

𝑇_{𝑖,𝑒𝑎𝑢} Température initiale de l’eau °C

Δ𝑃_𝑒𝑥 Pertes de charge singulières dans l’échangeur de chaleur Pa 𝑘 Coefficient de pertes de charge relatives aux singularités - 𝑉_𝑒𝑥 Vitesse d’écoulement du fluide caloporteur dans

l’échangeur de chaleur

m/s 𝑑_𝑒𝑥 Diamètre extérieur de l’échangeur de chaleur m

Δ𝑃 Chute de pression totale dans le système Pa 𝐴_𝑡 Surface hydraulique des tubes du capteur m² 𝐴′_𝑡 Surface hydraulique des conduites thermiques m²

𝛿 Déclinaison solaire °

j Numéro du jour considéré de l’année, compté à partir du 1^er janvier

-

𝜔 Angle horaire °

𝑇_𝑆 Temps solaire h

𝑇_𝑠𝑡 Temps standard h

𝐿_𝑠𝑡 Longitude relative au méridien standard par rapport auquel le temps local est donné

°

𝐿_𝑙𝑜𝑐 Longitude du lieu considéré °

𝐸 Equation de temps mn

𝑧 Angle zénithal °

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ℎ hauteur angulaire °

𝑎_𝑠 Azimut solaire °

𝛼 Azimut du capteur °

𝜃 Angle d’incidence du capteur °

𝐾_𝑇 Rapport du rayonnement total sur plan horizontal et du rayonnement hors atmosphère terrestre

- 𝐼_{𝑑𝑖𝑓,ℎ} Rayonnement diffus sur plan horizontal kJ/h.m² 𝐼_{𝑡𝑜𝑡,ℎ} Rayonnement total sur plan horizontal kJ/h.m²

ℎ𝑟 Humidité relative -

𝑅_𝑏 Facteur géométrique -

𝐼_{𝑑𝑖𝑟,𝑖𝑛} Rayonnement direct sur plan incliné kJ/h.m² 𝑅_𝑟 Rapport du rayonnement réfléchi sur plan incliné et du

rayonnement total sur plan horizontal

-

𝜌_𝑔 Albédo -

𝐼_{𝑟𝑒𝑓,𝑖𝑛} Rayonnement réfléchi sur plan incliné kJ/h.m² 𝐼_{𝑡𝑜𝑡,ℎ} Rayonnement total sur plan horizontal kJ/h.m² 𝐼_{𝑑𝑖𝑓,𝑖𝑛} Rayonnement diffus sur plan incliné kJ/h.m² 𝐹₁^′ , 𝐹₂^′ Coefficients de luminosité réduits -

𝜀 Clarté du ciel -

∆ Luminosité du ciel -

𝐼_{𝑑𝑖𝑟,𝑛} Rayonnement direct normal kJ/h.m²

𝑚_𝑎𝑖𝑟 Masse d’air optique -

𝐼_𝑜𝑛 Rayonnement normal hors atmosphère terrestre kJ/h.m² 𝐼_𝑜 Rayonnement hors atmosphère terrestre kJ/h.m² 𝐼_{𝑡𝑜𝑡,𝑖𝑛} Rayonnement global incident sur plan incliné kJ/h.m²

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𝐼′_{𝑡𝑜𝑡,𝑖𝑛} Rayonnement global incident sur plan incliné prenant en compte les réflecteurs

kJ/h.m² 𝐼_{𝑟𝑒𝑓_𝑟1} Rayonnement solaire réfléchi par le réflecteur 1 kJ/h.m² 𝐼_{𝑟𝑒𝑓_𝑟2} Rayonnement solaire réfléchi par le réflecteur 2 kJ/h.m²

𝜌₁ Réflectivité du réflecteur 1 -

𝛼₁ Angle entre le réflecteur 1 et la surface horizontale °

𝜌₂ Réflectivité du réflecteur 2 -

𝛼₂ Angle entre le réflecteur 2 et la surface horizontale °

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Introduction générale

INTRODUCTION GENERALE

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Présenté et soutenu par SEHOU H. O. Maxime / Année 2013-2014 Page 2

L’accès pour tous à l’énergie par la création d’un environnement sain et durable, occupe une place importante dans la réalisation des objectifs du millénaire pour le développement (OMD).Ces objectifs quand bien même nobles, peinent à se matérialiser pour plusieurs raisons. Parmi ces raisons, figure la croissance continuelle des besoins énergétiques tant pour les sociétés industrialisées que pour les pays en développement. En outre, une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir de sources fossiles dont la consommation est sujette aux émissions de gaz à effet de serre polluant périlleusement l’environnement. Par ailleurs, une consommation excessive du stock de ressources naturelles est susceptible de réduire les réserves de ce type d’énergie de façon irréversible pour les générations futures étant donné que ces ressources sont non renouvelables.

Pour résoudre ces problèmes, le recours aux énergies renouvelables s’avère incontournable. En effet les énergies renouvelables sont illimitées, naturelles, non polluantes et s’inscrivent bien dans les objectifs des OMD.

Au nombre de ces formes d’énergie figure l’énergie solaire objet de la présente étude.

L’énergie solaire est une forme d’énergie dérivant du rayonnement du soleil et couvrant deux domaines particuliers : la production de la chaleur (solaire thermique à basse température) et la production de l’électricité (solaire photovoltaïque et solaire thermique à haute température). La production de la chaleur à partir du soleil devrait être un remède efficace contre la crise énergétique récurrente dans les pays en voie de développement comme le Bénin.

Cette production de chaleur peut être utilisée pour la cuisson des aliments par le biais des cuisinières solaires indirectes. Plusieurs composants entre dans la réalisation de ce type de cuisinière.

(20)

L’évaluation de l’influence de ces divers composants sur le fonctionnement de ce type de cuisinière s’avère important dans le but d’une optimisation.

Pour contribuer à la résolution de ce problème, la présente étude se propose de concevoir et de construire une base graphique de composants d’une cuisinière solaire indirecte équipée de capteur plan, de réflecteurs et d’un réservoir de stockage thermique. Cette base pourra être exploitée dans la simulation et l’optimisation de ce type de système.

Cet outil découlera de la modélisation des composants suivants : capteur(s) plan(s), réflecteurs, conduites thermiques et réservoir de stockage thermique. L’algorithme de résolution de chaque modèle de composant, est implémenté dans l’environnement TRNSYS 16 pour la création d’un bloc représentant chacun de ces composants.

Le logiciel de simulation TRNSYS 16 (TRaNsient SYstem Simulation 16) est un environnement complet et extensible, dédié à la simulation dynamique des systèmes. L’étude s’articule sur cinq chapitres organisés comme suit :

 le premier chapitre porte sur l’étude bibliographique des cuisinières solaires;

 le second chapitre modélise le capteur plan ;

 le troisième chapitre s’occupe du réservoir de stockage et des conduites thermiques;

 le quatrième chapitre se consacre à la modélisation du rayonnement solaire;

(21)

 enfin le cinquième chapitre présente les résultats des simulations obtenus à partir de l’utilisation des blocs conçus dans les chapitres précédents.

Finalement, nous terminerons ce mémoire par une conclusion générale qui résume notre étude dans sa partie théorique et résultats de simulation.

(22)

Chapitre 1 : Etude bibliographique sur les cuisinières solaires

: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES CUISINIERES SOLAIRES

(23)

Introduction

La cuisine est une partie intégrante de la vie de chaque être humain étant donné que « se nourrir » fait partie des besoins vitaux de l’homme.

Dans les pays en développement, l’énergie de cuisson représente environ 90 % de la consommation totale de l’énergie domestique [1].

De nos jours, plusieurs sont les sources d’énergie utilisées pour la cuisson des aliments. Ces sources d’énergie varient d’un lieu à un autre et selon leurs disponibilités. Parmi ces sources les plus utilisées dans le monde sont le bois de chauffe, les résidus agricoles, les déjections animales, le kérosène, l’électricité, le gaz de pétrole liquéfié, le biogaz, etc.

1.1 L’énergie de cuisson dans les pays en voie de développement

Dans les pays en voie développement, les ménages ont recours généralement à une combinaison de diverses sources d’énergie pour la cuisson des aliments. Ces sources peuvent être traditionnelles (telles que le bois de chauffe, les déjections d’animaux, les résidus agricoles), intermédiaires (telles que le charbon et le kérosène) ou modernes (telles que le gaz de pétrole liquéfié, le biogaz, l’électricité, etc.).

Les provisions en biomasse sont abondantes, quoique des pénuries existent localement. Pour certains ménages, elles constituent la seule source d’énergie. Cependant, les femmes doivent marcher deux kilomètres en moyenne et passent un temps important pour collecter du bois de chauffe pour la cuisine. Par ailleurs, l’abattage des arbres pour la cuisson contribue à la destruction de 16 millions d’hectares de forêt annuellement dans le monde [2].

Le bois de chauffe, les racines, les résidus agricoles et les déjections animales produisent tous d’importantes émissions de monoxyde de carbone,

(24)

d’hydrocarbures et des particules. Les émissions d’hydrocarbures sont les plus importantes lors de la combustion des déjections animales tandis que les émissions de particules sont les plus importantes lors de la combustion des résidus agricoles.

Les femmes et les enfants souffrent le plus de la pollution de l’air à l’intérieur des habitations. En effet, ils sont traditionnellement responsables de la cuisine et d’autres travaux de routine. Les jeunes enfants sont particulièrement susceptibles aux maladies, ce qui explique leur prédominance dans les statistiques pour décès prématurés dus à l’usage de la biomasse comme combustible [3].

L’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) estime que 1,5 million de décès prématurés par an sont directement liés à la pollution de l’air à l’intérieur des habitations. Cette pollution étant principalement due à l’utilisation des combustibles solides. Cette estimation représente plus de 4000 décès prématurés chaque jour. Plus de la moitié de ces décès concerne les enfants de moins de cinq ans. Par ailleurs, plus de 85 % de ces décès (environ 1,3 million de personnes) sont dus à l’utilisation de la biomasse, le reste est dû au charbon. La pollution de l’air à l’intérieur des habitations, liée à l’utilisation de la biomasse, est directement responsable de plus de décès que la malaria, presque autant que la tuberculose (figure 1.1).

(25)

Figure 1.1 Quelques causes de décès annuels dans le monde [3]

1.2 La cuisson solaire

La croissance des activités industrielles et l’augmentation exponentielle de la population mondiale ont entrainé une augmentation de plus en plus perceptible des besoins énergétiques dans le monde. Il est aujourd’hui reconnu que les combustibles fossiles ne peuvent pas à eux seuls satisfaire cette demande. Ainsi, il est devenu capital de rechercher des sources d’énergie alternatives qui sont plus écologiques, propres et renouvelables.

Les combustibles de cuisine actuels sont dérivés de résidus de culture, des bois de chauffe, des combustibles fossiles tels que le gaz de pétrole liquéfié, le kérosène, etc. Comparativement à ces combustibles, la cuisson solaire présente plusieurs avantages :

- la cuisson solaire est une source d’énergie propre. Elle contribue à réduire l’ampleur des certains problèmes environnementaux comme le réchauffement climatique, la pollution de l’air et donc prévient les problèmes de santé qui s’y rattachent, la déforestation ;

- la préservation des nutriments est rendue possible grâce aux températures modérées observées lors de la cuisson solaire ;

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- les cuisinières solaires sont sûres comparativement à la cuisine conventionnelle, car elles n’utilisent pas de flammes;

- l’usage de la cuisson solaire aide à la réduction de la charge des combustibles fossiles et donc de réaliser des économies qui peuvent être utilisées pour les aliments, les soins de santé, etc. ;

- les ustensiles de cuisine utilisés pour la cuisine conventionnelle peuvent être utilisés pour la cuisson solaire et la plupart des cuisinières solaires actuelles sont portables [3].

1.3 Fonctionnement des cuisinières solaires 1.3.1 Captation et conversion de l’énergie solaire

La cuisson solaire consiste à transformer le rayonnement lumineux émis par le soleil en chaleur pour la cuisson des aliments [4]. Une cuisinière solaire laisse passer les rayons solaires et les convertit en rayons infrarouges de grandes longueurs d’onde qui ne peuvent pas s’échapper. La radiation infrarouge a l’énergie nécessaire pour provoquer une vibration importante des molécules d’eau, de graisses et de protéines contenues dans l’aliment et peut par conséquent conduire à une élévation de la température de ce dernier.

Ce n’est pas la chaleur du soleil qui cuit l’aliment, mais ce sont les rayons solaires qui convertis en énergie thermique, cuisent l’aliment.

Il existe trois principes importants liés au fonctionnement des cuisinières solaires. Ces principes sont :

- l’orientation de la plus grande quantité possible de rayons solaires sur le récipient grâce à la réflexion ou concentration : la concentration des rayons solaires est réalisée le plus souvent par des panneaux réfléchissants ou certaines surfaces capables de concentrer les rayons du soleil en un point. Ces miroirs réfléchissants sont

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usuellement faits à base de matériaux qui sont brillants et réfléchissants en raison des substances qui sont utilisées dans leurs élaborations telles que l’argent, le chrome et l’aluminium. Chauffer des objets ou des surfaces prendrait un temps important s’il n’y avait pas des moyens de concentrer les rayons du soleil. La plupart des cuisinières solaires sont construites avec des panneaux réflecteurs pour accélérer le processus d’accumulation de la chaleur ;

- la conversion de la lumière du soleil en énergie thermique ou l’absorption : l’absorption de l’énergie solaire (chaleur) lors de la cuisson solaire est mieux réalisée lorsque la surface absorbante a une couleur noire. Ainsi l’intérieur de la plupart des fours solaires est peint en noir aussi bien que les ustensiles de cuisine utilisés pour la cuisson des aliments ;

- la rétention de cette énergie thermique par isolation de la cuisinière : c’est le principe final dans la cuisson solaire. Si une cuisinière solaire n’est pas bien isolée et si elle n’a pas de couvercle, toute la chaleur (énergie) concentrée et absorbée sera rapidement dissipée dans l’air et sera perdue.

NB : Un quatrième principe, cependant pas vital pour toutes les formes de cuisinières solaires telles que les cuisinières paraboliques, est la transparence des matériaux utilisés pour la rétention de chaleur. En d’autres mots, le couvercle du four solaire ou l’enceinte dans laquelle se trouve la marmite doit être capable de permettre aux rayons du soleil de pénétrer là où se trouve l’aliment ou la marmite. Dans le but de faciliter la pénétration des rayons solaires, on utilise habituellement du verre clair ou des revêtements plastiques au niveau du couvercle ou de l’enceinte de

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la cuisinière solaire. Cela permet de capturer également la chaleur par effet de serre.

Pour remédier aux irrégularités de l’ensoleillement, certaines cuisinières sont munies de dispositifs de stockage de chaleur pour le stockage de l’énergie solaire captée et convertie. Ces dispositifs utilisent divers procédés qui seront abordés dans la partie qui suit.

1.3.2 Les cuisinières solaires et le stockage de l’énergie thermique

Le stockage de l’énergie thermique peut se faire par chaleur sensible, chaleur latente, par voie thermochimique ou une combinaison de ces derniers.

Pour le stockage par chaleur sensible, une élévation de la température du solide ou du liquide est nécessaire pour emmagasiner de l’énergie thermique.

Ce type de stockage utilise la capacité thermique du matériau durant la procédure de charge et de décharge. La quantité de chaleur stockée dépend de la chaleur spécifique du matériau, la variation de la température et la quantité du matériau de stockage [5]. Les matériaux utilisés sont généralement l’eau, les roches, le fer ou l’huile [6].

Le potentiel de stockage thermique d’un matériau est donné par la formule : 𝑄 = ∫ 𝑚𝐶_𝑃𝑑𝑇

𝑇₂ 𝑇₁

(1. 1)

Avec 𝑚 ∶ masse du médium

𝐶_𝑃 ∶ Chaleur spécifique du médium 𝑇₁ ∶ Température initiale du matériau 𝑇₂ ∶ Température finale du matériau

(29)

Le stockage thermique par chaleur latente est basé sur l’absorption et la libération de la chaleur lorsqu’un matériau de stockage subit un changement de phase de l’état solide à l’état liquide ou de l’état liquide à l’état gazeux ou vice-versa. La capacité de stockage d’un système de stockage de chaleur latente équipé d'un matériau à changement de phase est donnée par :

𝑄 = 𝑚𝑎_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}∆ℎ_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}+ ∫ 𝑚

𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑖

𝐶_𝑃𝑑𝑇 + ∫ 𝑚

𝑓 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛

𝐶_𝑃𝑑𝑇 (1. 2)

𝑄 = 𝑚 [𝑎_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}∆ℎ_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}+ 𝐶_𝑠𝑝(𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}− 𝑇_𝑖) + 𝐶_𝑙𝑝(𝑇_𝑓− 𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛})]

(1. 3)

Avec 𝑎_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} ∶ Fraction fondue du matériau à changement de phase

∆ℎ_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} ∶ Variation d’enthalpie

𝑇_𝑓 ∶ Température finale du matériau à changement de phase 𝑇_𝑖 ∶ Température initiale du matériau à changement de phase

𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} ∶ Température de fusion du matériau à changement de phase 𝐶_𝑠𝑝 ∶ Chaleur spécifique moyenne entre 𝑇_𝑖 et 𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}

𝐶_𝑙𝑝 ∶ Chaleur spécifique moyenne entre 𝑇_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛} et 𝑇_𝑓

Les systèmes de stockage thermique par chaleur latente ont certains avantages comparativement aux systèmes à stockage thermique par chaleur sensible. L’avantage le plus important est la densité énergétique élevée par unité de masse et par unité de volume.

Les systèmes thermochimiques reposent sur l’énergie absorbée ou libérer lors de la rupture ou de la reformation des liens entre les molécules

(30)

dans une réaction chimique complètement réversible. Dans ce cas, l’énergie emmagasinée dépend de la quantité de matériaux de stockage, de la chaleur endothermique de réaction, et de l’importance de la réaction.

𝑄 = 𝑚𝑎_𝑟∆ℎ_𝑟 (1. 4)

Avec 𝑎_𝑟 ∶ Fraction du matériau ayant réagi

∆ℎ_𝑟 ∶ Chaleur endothermique de réaction

Parmi toutes les techniques de stockage de chaleur citées ci-dessus, le stockage thermique par chaleur latente est particulièrement attractif en raison de sa capacité à fournir une densité élevée d’énergie stockée et sa caractéristique à stocker de la chaleur à température constante correspondant à la température de transition de phase du matériau à changement de phase [5].

1.4 Classification des cuisinières solaires

Plusieurs scientifiques du XVII^e siècle avaient connaissance du principe d’effet de serre où du verre est utilisé pour capturer la chaleur venant du soleil. Cependant, en 1764, Horace de Saussure, un scientifique franco- suisse a étendu ce principe pour cuire des aliments. Plusieurs modifications et explorations ont été réalisées au niveau de la cuisson solaire dans le but d’améliorer le rendement et rendre la cuisson plus facile [3].

Plusieurs cuisinières solaires ont été réalisées avec plus ou moins de succès depuis les années 1970. On distingue principalement deux types de cuisinières solaires : les cuisinières solaires directes et les cuisinières solaires indirectes [6].

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1.4.1 Les cuisinières solaires directes

Le plus simple et moins coûteux moyen de transférer de l’énergie du soleil à une application est le chauffage direct [6]. Quelques types de cuisinières solaires directes sont présentés dans cette partie.

1.4.1.1 Cuisinière type « boîte »

Il s’agit d’une boîte rectangulaire dont le couvercle est soit plastique ou de verre. Ce type de cuisinière peut avoir des réflecteurs supplémentaires pour concentrer les rayons solaires dans la boîte. Ces réflecteurs sont orientés de sorte que la lumière du soleil incidente frappant les réflecteurs soit dirigée sur la boîte.

Une fois absorbés par l’ustensile de cuisine peint en noir et l’absorbeur plat, les rayons du soleil pénétrant dans la cuisinière à travers le couvercle se transforment en énergie thermique. Cette chaleur permet une élévation de la température à l’intérieur de la cuisinière jusqu’à ce que les déperditions thermiques de la cuisinière soient égales à la chaleur provenant du soleil.

Afin de réduire la chaleur perdue avec l’ambiance, atteindre de hautes températures et un meilleur rendement, la boîte est thermiquement isolée.

La chaleur est capturée à l’intérieur de la boîte par effet de serre. Les objets chauffés au sein de la cuisinière émettent de l’énergie thermique de grandes longueurs d’onde, qui est bloquée par la couverture en verre. Ainsi, cette énergie capturée élève la température de l’espace à l’intérieur de la boîte [7].

(32)

Figure 1.2 Cuisinière solaire boîte [6]

Les désavantages de la cuisinière type « boîte » sont [3] :

- la cuisson doit se faire en plein air et le cuisinier doit se tenir debout sous le soleil pour une longue période de temps ;

- la cuisson est très lente comparée aux cuissons traditionnelles. Cela prend 2-3 heures pour cuire et souvent plus de temps durant les jours nuageux en sachant que moins d’une demi-heure est généralement nécessaire pour les méthodes conventionnelles ;

- l’impossibilité de cuire pendant les jours de pluie ; - le taux de cuisson n’est pas contrôlable.

1.4.1.2 Cuisinière type « panneau »

Ces cuisinières sont très bon marché et peuvent facilement être fabriquées en utilisant des matériaux réfléchissants tels que les feuilles d’aluminium et du carton [3]. Ces dernières utilisent des matériaux brillants pour réfléchir la lumière du soleil sur l’ustensile de cuisson qui est enfermé dans un sac plastique clair. « Solar cookers International » a développé un modèle de ce type de cuisinière en 1994, communément connue sous le nom de « Cookit » [8]. Cette cuisinière peut être fabriquée localement en collant des matériaux réfléchissants sur du carton plissé. L’aliment à cuire est

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conservé dans un récipient noir couvert. Le récipient est ensuite placé au centre du panneau.

Figure 1.3 Cuisinières solaires type « panneau » [8]

Les désavantages de ce type de cuisinière solaire sont les suivants : - la cuisine doit être faite à l’extérieur et il n’est pas possible de cuisinier

pendant la saison pluvieuse ;

- la cuisson est très lente comparée aux cuissons conventionnelles. Au moins une heure est nécessaire pour cuire par temps clair et ensoleillé ; - le taux de cuisson ne peut être contrôlé.

1.4.1.4 Cuisinière parabolique

Elle est comparable aux cuisinières conventionnelles. Elle peut être utilisée pour la cuisine communautaire [9]. Utilisant un réflecteur de forme parabolique, le rayon solaire est réfléchi sous la marmite située au foyer de

(34)

la parabole. L’axe de la parabole doit être parallèle au rayon solaire pour que le maximum d’énergie thermique soit obtenu au niveau de la marmite. On obtient avec ce type de cuisinière une lumière hautement concentrée. Le capteur parabolique linéaire est utilisé pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur situé sur la ligne focale [10].

Figure 1.4 Cuisinière solaire parabolique [11]

Les désavantages des cuisinières solaires paraboliques sont [3]:

- la cuisine doit avoir lieu à l’extérieur. Ainsi, il n’est pas possible de cuisiner durant les jours de pluie ;

- la présence au foyer de lumière hautement concentrée peut être potentiellement dangereuse ;

- les capteurs paraboliques ont besoin d’un système de pistage soit à un axe ou à deux axes pour suivre le soleil à la trace ;

- le taux de cuisson n’est pas contrôlé bien que la cuisine soit aussi rapide que les cuisines conventionnelles.

1.4.1.6 Cuisinière Scheffler

Les réflecteurs paraboliques Scheffler permettent d’atteindre des températures élevées pour toutes sortes de cuisson. Ils permettent aussi de produire de la vapeur et peuvent être utilisés pour plusieurs applications.

(35)

Le foyer est fixé pour ce type de cuisinières. Ce dernier se trouve sur l’axe de rotation du réflecteur [12].

La cuisine avec cette cuisinière peut être réalisée dans un local. Le réflecteur suivant le mouvement du soleil, réfléchit la lumière du soleil et la concentre en une position fixe qui est le foyer. La lumière réfléchie et concentrée, entre directement dans la cuisine et frappe la marmite. Le temps mis par la cuisine est comparable à la cuisine traditionnelle.

Figure 1.5 Cuisinière solaire Scheffler [11]

Les désavantages de ce type de cuisinières sont :

- la variation saisonnière de la hauteur du soleil nécessite le changement de la forme du réflecteur et de l’angle entre le réflecteur et son axe de rotation ;

- un pistage continuel est nécessaire puisque le point focal est fixé ; - la lumière réfléchie tombe seulement sur la partie externe de la

marmite. Cela conduit à une cuisson irrégulière ;

- la lumière hautement focalisée est très dangereuse étant donné que la cuisine se fait au point focal ;

- le taux de cuisson ne peut être réduit ou augmenté [3].

(36)

1.4.2 Les cuisinières solaires indirectes

Avec une cuisinière solaire indirecte, il est possible de cuisiner à l’intérieur d’un local, ou de stocker de l’énergie afin de l’utiliser plus tard dans la journée (le soir, la nuit ou les jours suivants) [6]. On abordera ici la cuisinière Schwarzer et le réflecteur Scheffler avec stockage de chaleur.

1.4.2.1 Cuisinières équipées de capteurs plans

Ce type de cuisinière possède deux blocs principaux : un ensemble de capteurs plans et un bloc de cuisson. Les capteurs solaires absorbent l’énergie solaire et transfèrent la chaleur à un fluide de travail, généralement une huile végétale, qui transporte cette chaleur jusqu’à la marmite où la cuisson est effectuée [13] [14].

Figure 1.6 Cuisinière solaire Schwarzer [13]

Plusieurs cuisinières solaires équipées de capteurs plans ont été réalisées. Parmi ces dernières, figurent les modèles de cuisinière proposés par Klemens Schwarzer, Maria Eugênia Vieira da Silva et Lana Ludimila P.

Santana [13]. Ces cuisinières sont équipées de capteurs plans possédant deux couvertures : la première, en contact avec le milieu extérieur, est en matière plastique et la seconde est une vitre trempée. De plus, ces capteurs sont munis de deux réflecteurs plans pour augmenter leur surface de captation.

(37)

Ces réflecteurs permettent aussi de protéger les couvertures des capteurs d’éventuels dommages. Diverses positions ont été adoptées pour les réflecteurs (figure 1.1 et 1.2).

Figure 1.7 Cuisinière solaire avec stockage temporaire de chaleur et four de cuisson

Klemens Schwarzer, Maria Eugenia Vieira da Silva [14] ont étudié des modèles de cuisinière dont les capteurs plans sont aussi équipés d’un double vitrage. L’un des capteurs est équipé de deux réflecteurs plans tandis qu’un autre en possède trois (figure 1.8).

a) b)

Figure 1.8 a) Cuisinière solaire avec stockage de chaleur installée dans le nord du Chili (Amérique du Sud), b) Cuisinière solaire sans stockage de chaleur installée au Mali (Afrique de l’Ouest)

(38)

1.4.2.2 Réflecteur Scheffler avec stockage de chaleur

Le réflecteur Scheffler est parfaitement approprié pour concentrer l’énergie sur un réservoir de stockage de chaleur pendant le jour afin que cette énergie puisse être utilisée plus tard [6].

Avec ces réflecteurs, il est possible de produire et de stocker de la vapeur pressurisée à environ 150 °C. La plus grande cuisine solaire du monde est basée sur ce principe et se situe en Inde. Elle peut nourrir 20 000 personnes par jour.

Figure 1.9 Cuisine solaire au Mont Abu [6]

1.4.6 Les autres types

Une cuisinière de type « boîte » fonctionnant à l’électricité et à l’énergie solaire a été réalisée et étudiée par Muhammad Azam, Yasir Jamil, M. Musadiq, Rabab Zahira et M. Yasir Javed [15]. L’objectif de cette étude est de fournir une source d’énergie alternative de cuisson dans les zones dont le gisement solaire est important au cours de l’année. L’électricité est utilisée dans ce cas comme source d’énergie auxiliaire en l’absence de rayonnement solaire. Le système étudié est équipé d’une couverture en verre rectangulaire dont l’angle d’inclinaison est 30°, d’une caisse en contreplaqué thermiquement isolée, d’une plaque chauffante électrique et d’un thermostat qui arrête l’alimentation électrique lorsque la cuisinière atteint une plage donnée de températures.

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Diverses mesures ont été effectuées dans le but d’évaluer les performances de cette cuisinière. Il s’agit des températures d’ambiance, de l’espace intérieur, du fond et de la nourriture. Les temps de cuisson de certains aliments ont aussi été mesurés.

Les résultats de cette étude ont montré que les températures atteintes par le fond et l’espace intérieur de la cuisinière sont respectivement de 110 et 100 °C avec le rayonnement solaire. En présence de chauffage électrique, ces valeurs sont respectivement supérieures à 120 et 110 °C.

Par ailleurs, la cuisson des aliments est généralement réalisée entre 9 heures et 13 heures 30 minutes.

Pour réduire la dépendance complète à l’insolation, des cuisinières solaires avec stockage temporaire de chaleur ont été réalisées dans différents pays du monde. Ces dernières sont munies d’un système de stockage de chaleur. Parmi ces dernières, l’on peut compter la cuisinière solaire réalisée et étudiée par H.M.S. Hussein, H.H. El-Ghetany, S.A. Nada [16]. Cette dernière est principalement composée de conduites thermiques à section elliptique dans lesquelles circule un fluide caloporteur, d’un capteur plan, d’un réservoir de stockage thermique et d’un bloc de cuisson. L’eau est le fluide caloporteur utilisé. Elle circule dans le système par thermosiphon. Le nitrate de magnésium hexahydraté qui est un matériau à changement de phase est utilisé dans le réservoir de stockage thermique. Ce dernier permet le stockage de l’énergie thermique par chaleur latente de fusion. L’objectif principal de cette étude consiste en l’évaluation des avantages liés à l’utilisation des conduites thermiques à section elliptique et d’un matériau à changement de phase sur la capacité de la cuisinière à cuire des aliments dans la journée et à les conserver chaud tout au long de la nuit jusqu’au lever du jour. Pour atteindre cet objectif, différents tests ont été réalisés avec ou sans

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charges à différents instants de la journée. Les résultats des tests ont montré que la cuisinière est capable, dans l’après-midi, de cuire 1,5 kilogramme de riz en 75 minutes et en 90 minutes un met composé respectivement de 0, 75, 1,25, 0, 25 et 0,65 kilogramme de poulet, patates, oignons, tomates et d’eau.

La cuisinière peut donc être utilisée pour cuire divers mets à midi, dans l’après-midi et le soir. Par ailleurs, elle permet de chauffer et garder au chaud des mets tout au long de la nuit jusqu’au lever du jour.

Par ailleurs, Klemens Schwarzer et Maria Eugenia Vieira da Silva [14]

ont testé plusieurs cuisinières solaires avec ou sans stockage temporaire d’énergie thermique par chaleur sensible afin d’en évaluer les performances.

Chacune de ces cuisinières est principalement composée d’un ou plusieurs capteurs plans avec double vitrage, de marmites, d’un réservoir de stockage thermique si le stockage de chaleur est nécessaire. L’huile végétale, utilisée comme fluide caloporteur, circule par thermosiphon dans ce système. Deux caractéristiques ont été évaluées lors des tests. Il s’agit des puissances des cuisinières ainsi que leurs rendements. Pour atteindre ce but, 5 kilogrammes d’eau ou d’huile par mètre carré de capteur ont été utilisés pour les tests. Un rendement de 0,5 a été obtenu en considérant la chaleur latente tandis qu'un rendement supérieur à 0.34 a été obtenu en considérant la chaleur sensible.

La température maximale atteinte est de 235 °C.

En outre, Degaul NZOUTCHOUA NANA [17] a étudié et conçu un convertisseur héliothermique à usage culinaire. Le prototype réalisé est composé d’un capteur, de conduits pour la circulation du fluide caloporteur, d’une plaque de chauffe et de supports. Ce dernier délivrant une puissance de 500 W a été réalisé avec les matériaux disponibles sur place. Son observation à l’installation a permis de relever à l’absorbeur des températures de l’ordre de 110°C.

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Pour améliorer la collecte de l’énergie solaire, différentes méthodes telles que les capteurs munis de tubes sous vide sont utilisés. Ces tubes permettent de limiter les pertes thermiques par convection du récepteur améliorant ainsi le rendement du capteur.

Mehmet Esen [18] a étudié ce type de cuisinière afin d’en évaluer expérimentalement les performances. Les tubes de la cuisinière étudiée contenaient un réfrigérant comme fluide de travail. Au cours de l’étude, Mehmet Esen a évalué les distributions de températures et leurs dépendances par rapport au temps. Les tests ont montré que pour une marmite contenant 7 litres d’huile comestible, la température maximale atteinte est 175 °C. La cuisinière a été utilisée avec succès pour cuire plusieurs mets. Le temps de cuisson des mets varie entre 27 et 70 minutes.

1.5 Outils de simulations des systèmes solaires

Il existe plusieurs outils pour simuler les systèmes du solaire thermique. Parmi ces derniers, l’on peut citer : TRNSYS, POLYSUN, ATSUN. Tous ces outils sont basés sur une modélisation plus ou moins complexe qui implique souvent en même temps les paramètres prévisibles tels que les dimensions physiques et les paramètres imprévisibles tels que les paramètres météorologiques.

L’avantage de la modélisation est la possibilité que le modèle mathématique offre de simuler toutes les situations de fonctionnement d’un système sans la nécessité de disposer d’un objet physique. Cela est aussi utile pour la conception optimale du système [3].

Nous nous intéresserons dans la suite de notre étude, au logiciel de simulation TRNSYS.