CHAP I : REVUE DE LA LITTERATURE

I.1. INTRODUCTION

Avant d’entamer notre travail, il est important de débuter par cette partie qui est une préface sur l’énergie solaire et la production du froid.

Après quelques définitions, nous  présenterons un aperçu général sur le gisement solaire, ses principales utilisations et en fin les différents moyens dont dispose la technologie actuelle pour la production du froid.

I.2. QUELQUES DEFINITIONS [6]

I.2.1. Corps noir :

C'est un corps ou une surface qui absorberait de façon idéale la totalité d'un rayonnement qu'il reçoit. À une température donnée et pour une longueur d'onde donnée, il émettrait aussi le maximum de flux par rayonnement. I.2.2. Effet de serre :

L'effet de serre est souvent mis à profit pour la conversion thermique à basse température du rayonnement solaire. On désigne normalement par "effet de serre", l'ensemble des modifications apportées à l'équilibre énergétique et thermique d'un corps récepteur (le sol par exemple), par la mise en place d'un couvercle transparent au rayonnement solaire, compris entre 0.01 μm et 4 μm et opaque au rayonnement solaire terrestre de longueur d'onde supérieure à 4 μm.

I.2.3. Capteurs solaires thermiques :

Le capteur solaire plan est un système thermique qui permet la conversion de l'énergie solaire en énergie calorifique. La chaleur reçue de cette conversion est utilisée soit directement (cas de chauffage), soit elle-même convertie en énergie mécanique par l'intermédiaire des cycles thermodynamiques. Son principe de fonctionnement est basé sur l'effet de serre qui consiste à piéger le rayonnement solaire, où ce dernier arrive au niveau du couvercle et le traverse pour atteindre une surface revêtue d'une peinture noire, appelée absorbeur.

L'absorbeur va absorber une grande partie du rayonnement solaire entraînant une augmentation de sa température. Le rayonnement réfléchi par l'absorbeur arrive sur la vitre et comme celle-ci est opaque aux rayonnements infrarouges, le rayonnement est ainsi piégé.

            

On classe le capteur solaire d'après : I.2.3.1. La température de fluide :

1. Capteur plan :

Les capteurs plans sont surtout utilisés dans la production d'eau chaude sanitaire. Les capteurs fixes à usage domestique sont généralement installés sur le toit des habitations. Dans l'hémisphère Nord, ils sont orientés vers le sud, et dans l'hémisphère Sud, vers le nord. L'efficacité des capteurs dépend de l'angle qu'ils forment avec le plan horizontal. Leur inclinaison optimale varie selon la latitude de l'installation. Le fluide utilisé dans le système de chauffage solaire est l'air ou un liquide (eau ou mélange eau antigel) ; le stockage thermique s'effectue généralement dans un accumulateur à pierre ou un réservoir d'eau bien isolé.

1. Concentrateur :

Les capteurs plans ne peuvent généralement pas porter les fluides caloporteurs à très haute température. En revanche, il est possible d'utiliser des capteurs par concentration, mais ils sont plus complexes et plus onéreux. Il s'agit de réflecteurs en demi-cercle qui renvoient et concentrent l'énergie solaire sur un tuyau où circule un fluide caloporteur. Cette concentration entraîne une augmentation de l'intensité, et les températures obtenues sur le récepteur (appelé cible) peuvent atteindre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de degrés Celsius. Pour être efficaces, les concentrateurs doivent se déplacer pour suivre la course apparente du Soleil. Il existe aussi des concentrateurs à tour et sous forme de calotte sphérique.

I.2.3.2. Le fluide de travail utilisé :

1. a) Le capteur solaire à eau :

On peut distinguer deux types de système :

• Les systèmes à basse pression : on emploie ces systèmes pour le chauffage des piscines, le chauffage d'eau industrielle et pour le chauffage dans les foyers domestiques de certaines régions du monde. Dans ces systèmes, il suffit d'un film plastique mince comme réservoir pour l'eau, le plastique doit cependant être suffisamment épais pour supporter les conditions atmosphériques.
• Les systèmes à haute pression : dans ces systèmes, le circuit d'eau est généralement constitué de tubes en cuivre et de plaque métallique qui augmentent la surface d'absorption et en collectionne plus de calories que dans le cas précédent. Les ailettes sont normalement en acier, en aluminium ou en cuivre, et ayant des épaisseurs relativement de l'ordre de 2, 0,5, et 0,25 mm, à cause des différences de conductivité thermique.

1. b) Le capteur solaire à air :

Ce type de capteur est très simple, il est constitué d'une couche absorbante à dos isolé, refroidie par un courant d'air circulant entre l'absorbeur et un couvercle de verre, on peut augmenter sa surface d'échange de chaleur soit en donnant un pouvoir émissif élevé au dos de l'absorbeur soit en donnant à l'absorbeur une surface striée ou rainurée.

I.2.3.3. Orientation :

Les capteurs solaires peuvent êtres fixes ou mobiles (en rotation), les capteurs fixes restent immobiles pendant la journée ce qui est le cas des capteurs à usage domestique.

Dans l'hémisphère sud, les capteurs orientés vers le nord sont recommandés mais il n'est pas toujours possible de satisfaire cette condition quand il s'agit d'équiper un bâtiment déjà construit ou quand les conditions d'implantation du bâtiment s'imposent. Il existe aussi des capteurs semi fixes dont on peut à chaque fois réajuster l'angle d'inclinaison du capteur en fonction de la saison.

I.2.3.4. Les types de composants :

Pour décrire une classe de capteurs solaire, on utilise souvent un certain type de couvercle, d'absorbeur et d'échange de chaleur.

• Le couvercle : Le couvercle peut ou ne pas exister, s'il existe une ou deux feuilles de verre le capteur est dit à simple ou à double vitrage, si non le capteur est dit non vitré.
• L'absorbeur : Les absorbeurs peuvent se classer d'après leur forme, par exemple les absorbeurs plans ou à cavités. Ils peuvent aussi absorber sélectivement ou non le rayonnement.
• L'échangeur de chaleur : Ce type d'échangeur de chaleur sert aussi à classer les capteurs solaires, comme par exemple l'échangeur plaque tube, qui est constitué d'un échangeur tubulaire faisant partie intégrante d'une plaque ou soudé à cette plaque.

I.3. GISEMENT  SOLAIRE

I.3.1.  Aperçu de la ressource [11]

Le  soleil  est  une  sphère  gazeuse  composée  presque  totalement  d’hydrogène.  Son  diamètre  est  de 1 391 000 km (100 fois celui de la Terre), sa masse est de l’ordre de 2.10²⁷ tonnes.  Toute  l’énergie  du  Soleil  provient  de  réactions  thermonucléaires  qui  s’y  produisent.  Elles  transforment  à chaque seconde 564.10⁶ tonnes d’hydrogène en 560.10⁶ 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 du Soleil près de 150.10⁶ km, 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  E₀ est appelée  la  constante  solaire,  elle  vaut  E₀=  1353  W.m^-2. En première approximation, on peut calculer la valeur de E en fonction du numéro du jour de l’année j par :

E=E₀[1+0,033cos(0,984j)]                          (I.1) On trouvera sur la figure I.1 la répartition spectrale du rayonnement solaire hors

atmosphère.

Figure I.1 : La répartition spectrale du rayonnement solaire hors atmosphère

On  notera  que  98%  du  rayonnement  solaire  est  émis  dans  des  longueurs  d’onde  inférieures  à  4  µm.  En première  approximation,  le  rayonnement  solaire  peut  être  assimilé  au  rayonnement  d’un  corps  noir  à  une température de 5777 K.

I.3.2. Aspect Géométrique

I.3.2.1.  Mouvements de la Terre 

La trajectoire de la Terre autour du Soleil est une ellipse dont le Soleil est l’un des foyers. Le plan de cette ellipse est appelé l’écliptique.  L’excentricité  de  cette  ellipse  est  faible  ce  qui  fait  que la  distance  Terre/Soleil ne  varie  que  de  ±1,7%  par rapport à la distance moyenne qui est de 149,6.10⁶ km. La Terre tourne également sur elle-même autour d’un axe  appelé l’axe des pôles. Le plan perpendiculaire à l’axe  des  pôles  et  passant  par  le  centre  de  la  Terre  est  appelé  l’équateur.  L’axe  des  pôles  n’est  pas perpendiculaire à l’écliptique : l’équateur et l’écliptique font entre eux un angle appelé  inclinaison et qui vaut 23°27’. Les mouvements de la Terre autour de son axe et autour du Soleil sont schématisés sur la figure I.2.

Figure I.2 : Schéma du mouvement de la Terre autour de son axe et autour du Soleil

            

I.3.2.2.  Mouvement apparent du Soleil 

Le mouvement apparent du Soleil vu par un observateur fixe en un point de latitude L au nord de l’équateur est représenté sur la figure I.3. Au midi solaire, l’angle que fait la direction du Soleil avec la verticale du lieu est égal à (L – δ).  La  durée  du  jour  est  de  12h  aux  équinoxes,  elle  est  inférieure  à 12h  entre  le  21  septembre  et  le  21  mars, supérieure à 12h entre le 21 mars et le 21 septembre. 

           Figure I.3 : Repérage de la position du soleil et son mouvement apparent. I.3.2.3. Les coordonnées célestes [6] :

1. a) Les coordonnées géographiques :

Ce sont les coordonnées angulaires qui permettent le repérage d'un point sur la terre 

• La latitude (L) : permet de repérer la distance angulaire d'un point quelconque à l'équateur. Elle varie de 0° à 90° dans l'hémisphère nord et de 0° à -90° dans l'hémisphère sud.
• La longitude (l) : l'éloignement par rapport au méridien de Greenwich, mesuré en degré.
• L'altitude (Z) : l'altitude d'un point correspondant à la distance verticale entre ce point et une surface de référence théorique (le niveau de la mer =0), elle est exprimée en mètre.

1. b) Les coordonnées horaires :

• La déclinaison (δ) : c'est l'angle formé par la direction du soleil avec le plan équatorial, elle varie au cours de l'année entre -23,45° et +23,45°. Elle est nulle aux équinoxes (21 mars et 21 septembre), maximale au solstice d'été (21 juin) et minimale au solstice d'hiver (21 décembre). La valeur de la déclinaison peut être calculée par la relation :

δ=23,5°sin*0,980°(j+284)+                    (I.2) où j: le numéro du jour dans l'année.

• L'angle horaire : l'angle « ω» étant l'angle formé par le plan méridien passant par le centre du soleil et le plan vertical du lieu (méridien), il définit le vrai temps solaire

1. c) Les coordonnées horizontales :

Le repérage du soleil se fait par l'intermédiaire de deux angles :

• L'azimut a : ou l'angle que fait la projection de la direction sud du soleil avec la direction sud. Il est compté de 0° à 180° à partir du sud vers l'ouest.
• La hauteur h : ou l'angle que fait la direction du soleil avec sa projection. Il est compté de 0° à 90° vers le zénith et de 0 °à -90° vers le nadir. On appelle quelquefois distance zénithale le complément de l'angle h tel que z + h = 90° (figure I.3).

L'équation de passage des coordonnées horizontales en coordonnées horaires est la suivante :

sin (a) cos(h) = cos(δ)sin()                      (I.3) cos(a)cos(h) =cos(δ)cos()sin(L)- cos(L)sin (δ)                           (I.4)

sin(h) = cos(L)cos( δ)cos()+ sin()sin(δ)                                                      (I.5)

I.3.2.4. Les temps solaires [11] :

1. Le temps solaire:

Le temps solaire (T.S), en un instant et un lieu donné, est l'angle horaire du soleil, il est donné sous la forme suivante :

TS=12+/15°                                                                                                               (I.6)

: est en degré.

Si  = 0,  TS = 12h00;

Si < 0, on parle de la matinée; Si > 0, on parle de l'après-midi.

1. Durée du jour

Le module ₁ de l’angle horaire au lever du Soleil s’obtient en écrivant sin(h) = 0 dans la formule (1.5), ce qui conduit à :

cos( 𝝎₁)= -tan(L)tan(δ)                                                                                                (I.7)

L’heure solaire au lever du Soleil a donc pour valeur :

(TS)₁ = 12- 𝝎₁/15°                                                                                (I.8)

L’angle horaire ₂ au coucher du Soleil est l’opposé de l’angle horaire à son lever, nous avons donc ₂= - 𝝎₁ et la durée du jour vaut :

 d_j  = 2 𝝎₁/15                       (I.9)

1. Relation entre temps légal et temps solaire

Les relations se rapportant au mouvement du Soleil utilisent le temps solaire TS qui diffère généralement du temps légal TL (heure de montre) du lieu considéré. Cette différence est liée à :

– La différence (fixée par chaque pays) entre l’heure légale TL et l’heure civile TCF du fuseau horaire dans lequel il se trouve :

C=TL-TCF                                                                                                                     (I.10)

L’heure civile TCF du fuseau horaire est égale au temps universel TU (temps solaire du méridien de Greenwich) augmenté de la valeur du décalage horaire que l’on trouvera sur la figure I.4.

- La variation de la vitesse de la Terre sur sa trajectoire autour du Soleil qui introduit un terme correctif appelé équation du temps et noté ET :

ET= - 

où :   j : numéro du jour de l’année,

’ = 0,984,

ET : Equation du temps (terme correctif) en mn.

Figure I.4 : Décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich [11]

- La différence de longitude (l – l_ref) entre le lieu considéré et le lieu servant de référence au temps légal (en général le centre du fuseau).

Le temps solaire TS se calcule finalement par la formule :

TS = TL-C + ET + (l_ref-l)/15                   (I.12)

I.3.2.5.  Durée et taux d’ensoleillement 

1. Durée d’ensoleillement

Selon les conditions atmosphériques, le ciel peut être plus ou moins couvert de 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 peu 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 subi de déviation depuis son émission par le Soleil. 

1. Taux d’ensoleillement

Par ciel clair sans nuages, le sol reçoit le rayonnement solaire direct pendant toute la durée du jour, ou plus précisément  pendant  la  durée  maximale  d’ensoleillement  SS₀.  On  appelle  taux d’ensoleillement  ou  taux d’insolation le rapport entre la durée effective et la durée maximale d’ensoleillement :

σ = SS/ SS₀                                                                                                                  (I.13)

I.3.3. Aspect énergétique [11]

I.3.3.1.  L’atmosphère terrestre 

L’atmosphère est constituée de plusieurs couches de caractéristiques différentes, ce sont : la troposphère, entre le sol et 15 km d’altitude ; la stratosphère entre 15 et 80 km d’altitude l’ionosphère entre 80 et 200 km d’altitude. 

Les caractéristiques absorbantes de l’atmosphère sont déterminées par la présence de (d’) : 

• CO₂ (0,03%) ;
• vapeur d’eau :  en  quantité  variable  caractérisée  par  l’épaisseur  d’eau  condensable  qui  est  l’épaisseur  d’eau que l’on obtiendrait en condensant toute la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère ;
• ozone O₃ située entre 10 et 30 km d’altitude ;
• aérosols : grains de sable, poussières, fumées…

On trouvera sur la figure I.5 la répartition spectrale du rayonnement solaire au niveau du sol terrestre avec indication des gaz partiellement opaques qui filtrent ce rayonnement selon la longueur d’onde.

   

Figure I.5 : Répartition spectrale du rayonnement solaire au niveau du sol terrestre.

I.3.3.2.  Rayonnement du ciel et de l’atmosphère

Les  gaz  non  transparents  de  l’atmosphère  (CO₂, O₃, H₂O)  émettent  vers  la  Terre  un rayonnement  dans  les principales bandes suivantes : 

• vers 14,7 µm pour le CO₂ ;
• entre 5 et 7 µm et entre 14 et 20 µm pour la vapeur d’eau ; - vers 9,6µm pour O₃. 

Ainsi, comme le montre la figure 1.8, il s’agit d’un rayonnement émis dans les grandes longueurs d’onde (> 3 µm) contrairement au rayonnement solaire émis dans des longueurs d’ondes inférieures à 3 µm.

Figure I.6 : Spectre du rayonnement atmosphérique. I.3.3.3.   Rayonnement solaire au sol

1. Notations

Comme nous l’avons évoqué précédemment, l’atmosphère ne transmet pas au sol la totalité du rayonnement solaire qu’elle reçoit : 

• le rayonnement direct est celui qui traverse l’atmosphère sans subir de modifications ;
• le rayonnement diffus est la part du rayonnement solaire diffusé par les particules solides ou liquides en suspension dans l’atmosphère. Il n’a pas de direction privilégiée ;
• le rayonnement global est la somme du rayonnement direct et diffus.

Tableau I.1 : Rayonnement solaire sur un plan horizontal : notations utilisées.

Irradiation solaire Energie reçue pendant une certaine durée Wh.m-2.durée-1 ou kWh.m-2.durée-1	Directe	S	G=S+D
	Diffuse	D
	Globale	G
Eclairement solaire Flux instantané W.m-2	Direct	S*	G*=S*+D*
	Diffus	D*
	Global	G*

Le  rayonnement  direct  reçu  par  une  surface  orientée  en  permanence  vers  le  Soleil  et  qui  reçoit  donc  le rayonnement solaire sous une incidence normale est désigné par ‘’I’’.

Nous désignerons par : 

• I l’énergie reçue (irradiation) en Wh.m^-2.durée^-1ou kWh.m^-2.durée^-1 ; – I* le flux reçu (éclairement) en W.m^-2. Nous avons la relation :

S*=I*sin(h)                                                                                                                 (I.14)

1. Variations types du rayonnement

La valeur de l’irradiation globale annuelle sur un  plan horizontal dépend fortement de la latitude comme le montre la carte de l’ensoleillement sur la figure I.7

Figure I.7 : Irradiation moyenne en kWh/m²/an [9]

I.4. CONVERSION ET USAGE DE L’ÉNERGIE SOLAIRE

Les principales conversions de l’énergie solaire courantes sont synthétisées dans la figure

En ce qui concerne les applications de l’énergie solaire, il en existe de nos jours une multitude. Comme il serait impossible les énumérer toutes ici, nous ne présenterons que les principales.

            

I.4.1. Electricité : 

On produit directement l’électricité à partir de l’énergie solaire grâce aux modules photovoltaïques ou indirectement au moyen des concentrateurs solaires qui produisent de l’énergie thermique à haute température. L’énergie thermique à son tour est transformée en énergie électrique par des procédés thermodynamiques classiques.

I.4.1.1. La production d’électricité par modules photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque appelée aussi photopile est un convertisseur instantané qui transforme l’énergie reçue sous forme de rayonnement solaire directement en énergie électrique. Elle ne stocke aucune énergie ni sous forme chimique ni sous autre forme. 

Figure I.9 : Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque (source [26])

I.4.1.2. La production d'électricité par énergie solaire concentrée [6]

Figure I.10 : Exemples de concentration des rayons solaires [6]

Mis à part l'hydro-électricité, l'électricité produite par les centrales solaires thermiques est la moins chère des énergies électriques d'origine renouvelable. La chaleur solaire à haute température (250°C-1800°C) est produite avec d'excellents rendements thermiques, supérieurs à 70%. La conversion en électricité au moyen de cycle s thermodynamiques conventionnels fait diminuer le rendement maximum en puissance jusqu'à des valeurs comprises entre 20% et 30% selon la taille du groupe et le cycle utilisé, ce qui reste excellent. En moyenne annuelle, le rendement net de production d'énergie électrique se situe entre 10% et 20% selon la technologie mise en œuvre.

Les chiffres clés sur les performances et des différentes technologies actuelles sont rassemblés dans le tableau I.2.

Tableau I.2 : Les chiffres clés sur les performances et des différentes technologies actuelles

Technologie	Cylindro-parabolique	Tour	Parabole-Stirling
Applications	Centrales connectées	Centrales connectées	Petites unités
	au réseau	au réseau	décentralisées
	Chaleur industrielle	Chaleur industrielle HT
Rendement maximum de conversion solaire-électricité	21%	23%	30%
Rendement annuel net	10 - 14%	12 — 15%	18 - 21 %
Unité de capacité maximum	80 MW	20 MW	5 MW
installée aujourd'hui	(Californie, USA)	(Sevilla, Espagne)	(Californie, USA)
Industrialisation	Technologie	non	non
Commercialisation	commercialisée
Cycle thermodynamique	Rankine	Rankine, Brayton ou cycle combiné	Stirling

I.4.2. Production d’eau chaude *11+

La production d’eau chaude sanitaire est à l’heure actuelle l’application la plus développée de l’énergie solaire thermique. Sous un climat tropical sec, un chauffe-eau solaire performant et bien dimensionné peut permettre de satisfaire les besoins en eau chaude d’une famille toute l’année. Sous un climat tropical humide, il sera nécessaire à certaines périodes d’utiliser une énergie d’appoint. Le chauffe-eau solaire permettra quand même de réaliser d’importantes économies. Il existe plusieurs types de chauffe-eau solaire dont :

• Chauffe-eau solaire capteur-stockeur (figure I.11) ;
• Chauffe-eau solaire monobloc (figure I.12) ;
• Chauffe-eau solaire à éléments séparés (figure I.13).

          

            Figure I.11 : Schéma de principe d’un chauffe-eau solaire capteur stockeur

I.4.3.  Cuisson [11]      

La cuisson est une application nécessitant une température relativement élevée.  De nombreux modèles de cuiseurs solaires ont toutefois été développés, on peut les classer en deux catégories :

• les cuiseurs solaires à concentration (figure I.14a) : dans ces modèles le récipient à chauffer (noir) est dans le milieu ambiant au foyer d’une parabole réflectrice. Il capte ainsi tous les rayons de Soleil parallèles à l’axe de la parabole. Ce type de cuiseur n’utilise donc que le rayonnement direct et ne peut pas fonctionner en période humide où la part du rayonnement diffus est importante. Par ailleurs, leur utilisation nécessite de prendre quelques précautions : ils peuvent provoquer éblouissement ou brûlures ;
• les cuiseurs solaires plans (figure I.14b): le récipient à chauffer (noir) est placé dans un caisson dont les parois internes sont recouvertes d’un réflecteur, sur-isolé et recouvert d’un double vitrage. Il y a également risque de brûlure en sortant le récipient du cuiseur.

Notons que les cuiseurs solaires présentent l’inconvénient de nécessiter une utilisation en plein soleil et aux heures d’ensoleillement maximum. Ces appareils permettent d’atteindre des températures de 120 à 160°C en période d’ensoleillement. Le modèle plan permet le maintien au chaud du fait de sa forte isolation thermique.   

            

I.4.4. Pompage d’eau *5,27+

Il existe plusieurs façons d’utilisation de l’énergie solaire pour le pompage de l’eau. Les principales sont répertoriées synthétiquement dans  la figure I.15.

Figure I.15 : Organigramme des techniques de pompage solaire

I.4.5. Séchage [11]

Il est possible de classer les séchoirs solaires en plusieurs catégories en considérant deux caractéristiques :

• un séchoir est dit couvert si l’absorbeur est protégé par une couverture transparente, il est dit non couvert dans le cas contraire. (Figure I.16.a) ;
• un séchoir est dit à direct si le rayonnement solaire atteint directement les produits, indirect si les produits sont à l’abri du rayonnement solaire. (Figure I.16.b) ;
• un séchoir est dit à convection naturelle si la circulation d’air est assurée par thermosiphon, ventilé si elle est assurée par une action mécanique. (Figure I.16.c).

Figure I.16a : Séchoirs directs couverts à convection naturelle

I.4.6. Distillation [11]

Schématisation sur la figure 3 .17. L’eau placée dans un bac noirci disposé au fond d’un capteur solaire s’échauffe par absorption du rayonnement solaire traversant la vitre. Cet échauffement provoque une évaporation superficielle, la vapeur d’eau produite venant ensuite se condenser sur la vitre plus froide. Il suffit alors de récupérer l’eau distillée ruisselant sur la face interne de la vitre à l’aide d’un système de gouttières placées de chaque côté de la vitre.

Figure I.17 : Schéma de principe d’un distillateur solaire

I.4.7. Froid et climatisation [7,8]

Il existe plusieurs voies d’utilisation de l’énergie solaire pour produire le froid. On peut les répertorier dans deux types de procédés principaux : le premier est basé sur l’emploi de l’électricité en utilisant des panneaux photovoltaïques et le deuxième sur l’emploi des panneaux photo-thermiques. Les techniques utilisées sont listées dans la figure I.18.

Figure I.18 : Organigramme des techniques de froid solaire

I.5. MODES DE PRODUCTION DE FROID [10]

Actuellement, la technologie nous offre une variété de moyens permettant d’obtenir le froid. Le choix d’un système particulier passe par l’étude d’un ensemble de critères aboutissant au choix du système le plus adapté à l’application envisagée.

I.5.1. Différentes méthodes de production du froid

La production de froid est équivalente à une absorption de chaleur, refroidir un corps ne consiste pas à lui donner une quantité de froid (c'est-à-dire, du point de vue physique le froid n’existe pas).

Les procédés thermodynamiques et thermoélectriques courants sont :

I.5.1.1. Mélanges réfrigérants

La dissolution de certains solides ou liquides dans un solvant absorbe une quantité de calories équivalente à sa chaleur latente de fusion. Par exemple le mélange de Calcium avec la neige diminue la température de congélation de la solution obtenue de 0°C à -5°C.

I.5.1.2. Détente d’un gaz parfait

Dans ce cas, le froid est produit par l’abaissement des températures d'un gaz soumis à une détente avec/ou sans production de travail extérieur.

            

I.5.1.3. Évaporation d’un liquide pur

C'est le procédé le plus utilisé, il consiste à utiliser un gaz liquéfié qui s'évapore en absorbant la chaleur de la substance à refroidir. Cette substance lui cède une certaine quantité de chaleur correspondante à la chaleur latente d'évaporation du liquide.

Ce procédé donne lieu à deux types de machines frigorifiques : – machines à compression mécanique ; – machines à compression thermique.

I.5.1.4. Réfrigération thermoélectrique

Ce type de réfrigération repose sur l’effet Peltier. Ce procédé consiste à faire passer un courant dans un sens donné, dans une jonction, entre deux surfaces conductrices de nature différentes (métaux ou semi-conducteur). Il en résulte un refroidissement dans l’une des parties de la jonction. C’est un moyen très simple, de faible rendement, utilisé notamment à bord des véhicules spatiaux et dans les petits réfrigérateurs de laboratoires.

I.5.2. Machines frigorifiques I.5.2.1. Machines à compression

1. Machines à changement de phase

Ces machines sont les plus souvent rencontrées soit dans l’industrie soit dans les utilisations domestiques. Le schéma de principe de ce type de machines est représenté à la figure (I.19a). La transformation suivie par le fluide frigorigène est représentée sur le diagramme de Stodola (T,S) (figure I.19b).

Le principe de fonctionnement peut être décrit comme suit : en partant du point 1, le compresseur aspire de la vapeur provenant de l’évaporateur. La compression est supposée réversible, elle est accompagnée d’une augmentation de température jusqu’au domaine de surchauffe (point 2), où la pression est égale à la tension de vapeur saturante à la température ambiante. La vapeur comprimée est refoulée ensuite vers le condenseur (supposé parfait). Ainsi le fluide se liquéfie en cédant de la chaleur à l’ambiance (trajet 2→3). Le condensât obtenu est détendu par la suite dans une vanne ou un capillaire. Cette opération est accompagnée d’un abaissement de température (trajet3→4). Le mélange liquide-vapeur résultant est transféré vers l’évaporateur, où l’évaporation s’effectue en extrayant une quantité de chaleur de la source froide correspondante à la chaleur latente de vaporisation du fluide; c’est l’effet utile (trajet 4→1).

Cette description concerne le cas le plus simple, c’est-à-dire une machine ne comportant qu’un seul étage. Dans l’industrie, on utilise souvent des cycles plus compliqués résultant de l’amélioration des performances, tels que les cycles à compression étagée ou les cascades de machines.

1. Machines frigorifiques à gaz

Dans ce type de machines, le froid est obtenu en utilisant la chaleur sensible du fluide frigorigène sans avoir un changement d’état, elles utilisent un cycle inverse soit de joule soit de Stirling-Ericsson.

• Machines à cycle de Joule

Dans le cas le plus simple, ces machines comportent un compresseur entraîné par un moteur, il est souvent couplé à une turbine où on récupère une partie d’énergie résultante de la détente du fluide. Cette énergie est considérée comme auxiliaire pour l’entraînement du compresseur. Le schéma de la machine et son cycle associé sont représentés

à gaz

ï‚· Machine de Stirling

Ces machines remarquables sont caractérisées par un bon rendement, elles permettent de descendre à la température de liquéfaction de l’air (-200 °C) en un seul étage, mais leur inconvénient majeur résulte de leur encombrement et leur cinématique compliquée, elles ne sont que peu utilisées. Sur le marché, il existe quelques variantes de ces machines, les plus connues sont les machines de PHILIPS utilisées dans la production d’azote ou d’air liquide.

I.5.2.2. Machines à sorption

1. a) Machines à absorption

Le schéma d’une machine frigorifique à absorption est représenté sur la figure (I.21). Nous allons traiter le cas d’une solution binaire constituée d’eau (le constituant le moins volatil) et d’ammoniac (le constituant le plus volatil).

La solution riche en NH₃ entre en 1 dans le bouilleur, sous l’effet de la chaleur, libère du NH₃ à la pression haute P₁, la solution pauvre obtenue (point 2) passe dans l’absorbeur après avoir subi une chute de pression dans une vanne jusqu’à la pression basse P₀. La vapeur de NH₃ séparée de la vapeur d’eau (point 5) est condensée à la température ambiante, après détente (6-7) jusqu’à la pression P₀, le liquide restant s’évapore en produisant l’effet utile.

Le cycle est bouclé à partir du liquide 3 pauvre en NH₃ et de la vapeur 8, on obtient ainsi dans l’absorbeur un liquide 4 riche en NH₃. Signalons que cette opération est très exothermique de sorte que l’absorbeur doit être refroidi. Après, une simple pompe lève la pression de P₀ à P₁. Les couples les plus utilisés sont par ordre d’importance: NH₃/H₂O et H₂O/LiBr ou H₂O/LiCl.

Vu l’importance de la gamme de température à couvrir (-10 °C à –30 °C), le premier couple est le plus important, mais les pressions résultantes sont élevées (10 à 20 bar). Tandis que pour le deuxième et le troisième couple, la température se situe vers +5°C, donc l’utilisation des machines correspondantes est limitée dans les applications de conditionnement d’air.

Généralement, le rendement dans le cas d'une machine à absorption est plus faible que celui des machines à compression mécanique. En effet, dans le cas d’une machine à compression, le coefficient de performance thermique d’une telle machine peut atteindre la valeur de 3, voire plus. Tandis que, dans le cas d’une machine à absorption, ce coefficient tourne autour de 0.7.

Le fait que les machines à absorption fonctionnent à l’aide d’un apport de chaleur, les rend plus compétitives dans certaines applications. Actuellement, elles font l’objet de recherches soit dans le but d’améliorer le rendement soit dans le but de les adapter à des nouvelles sources d’énergie à basses températures.

Figure I.21 : Schéma d’une machine frigorifique à absorption

1. b) Machine à adsorption

Dans une machine à adsorption, le compresseur de la machine à compression est remplacé par un adsorbeur ou un réacteur (compresseur thermique) où se déroulent les réactions d’adsorption entre le fluide frigorigène et l’adsorbant. Le reste de la machine n’est pas trop modifié.

Figure I.22 : Schéma d’une machine frigorifique à adsorption

I.6. CONCLUSION

Nous avons défini quelques concepts, énuméré quelques applications utilisant l’énergie solaire et les modes de production de froid. Dans la suite nous nous intéresserons seulement à la machine frigorifique solaire à adsorption ayant comme couple frigorifique : Gel de silice/Eau.