Pr�c�dente - Suivante
Table des mati�res
- Pr�c�dente - Suivante
3.4.1. �nergie
solaire
3.4.2. Capteurs
solaires
3.4.3. La
pratique du s�chage solaire
Le terme de gisement solaire est fr�quemment employ� par analogie avec les �nergies fossiles (charbon, gaz, p�trole, minerais radioactifs),
a) DISPONIBILIT� DE L'�NERGIE SOLAIRE
- Caract�ristiques du rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est un rayonnement de nature �lectromagn�tique compris dans une bande des longueurs d'onde (l ) variant de 0,22 � 10 microns (�m) (10-6 m). Plus de la moiti� de cette �nergie est �mise dans la bande des infrarouges.
Rayonnement direct et rayonnement diffus, rayonnement r�fl�chi
La terre capte environ dix milliardi�mes de l'�nergie rayonn�e par le soleil, soit une puissance de 1,8 x 1014 kw, ce qui repr�sente annuellement de cinq � dix fois l'ensemble des r�serves fossiles connues (uranium compris). Au-dessus des nuages, une surface plane horizontale d'un m� re�oit en moyenne 1400 watts (constante solaire). Le rayonnement direct est le plus important quand le ciel est clair.
Le rayonnement diffus d�pend de la couverture nuageuse. Il provient des r�flexions dans les masses d'air et les nuages.
Le rayonnement r�fl�chi traduit la fraction d'�nergie re�ue par le sol ou un b�timent, qui est r�fl�chie. On parle parfois de coefficient de r�flexion ou d'alb�do (du latin albus blanc) exprim� en pourcentage.
Le rayonnement global au sol est la somme des rayonnements direct et diffus. Dans le meilleur des cas, il est de l'ordre de 1000 watts par m�.
Fig. 64: Rayonnement solaire. (D'apr�s J. L. PERRIER.)
PART DES RAYONNEMENTS DIRECTS ET DIFFUS DANS LE RAYONNEMENT GLOBAL: EXEMPLE DE DAKAR.
| Mois | J | F | M | A | M | J | J | A | S | O | N | D | Moyenne Annuelle |
| % rayonnement direct | 78 | 76 | 71 | 70 | 73 | 60 | 53 | 46 | 60 | 66 | 67 | 71 | 66 |
| % rayonnement diffus | 22 | 24 | 29 | 30 | 27 | 40 | 47 | 54 | 40 | 34 | 33 | 29 | 34 |
| rayonnement global kwh/m�/J | 5,42 | 6,07 | 6,49 | 6,83 | 7,01 | 6,54 | 5,78 | 6,74 | 5,64 | 5,61 | 5,03 | 4,84 | 5,83 |
Source bibliographique: SEMA.
- Variation du rayonnement solaire en fonction des saisons
La terre d�crit autour du soleil une ellipse en 365 jours et un quart, et tourne sur un axe passant par les p�les en 24 heures. L'orbite terrestre appartient � un plan nomm� �cliptique mais la terre ne se d�place pas � la fa�on d'une toupie dont l'axe serait perpendiculaire � l'�cliptique. S'il en �tait ainsi, les jours et les nuits auraient partout une dur�e �gale. Il n'en est rien sauf � l'�quateur. L'in�galit� des jours et des nuits s'explique par l'inclinaison de l'axe des p�les sur l'�cliptique. L'axe des p�les est inclin� de 67� et le plan de l'�quateur de 23�. L'�galit� des jours et des nuits sur toute la terre a lieu aux �quinoxes de printemps le 21 mars et d'automne le 23 septembre, le cercle d'�clairement passe alors par les deux p�les.
L'angle d'incidence des rayons solaires avec l'horizontale et la longueur du jour varient en cours d'ann�e. La qualit� d'�nergie se r�partit de fa�on in�gale dans le temps, c'est la succession des saisons et dans l'espace, c'est le d�coupage du globe en grandes zones climatiques.
Fig. 65: Mouvement de la terre autour du soleil.
- Variation du rayonnement solaire suivant la localisation g�ographique
Pour atteindre chaque point de la surface �clairable du globe (1/2 sph�re) les rayons lumineux doivent traverser une couche atmosph�rique d'�paisseur variable selon la position g�ographique du lieu.
| Fig. 66.
La figure nous explique la raison pour laquelle il fait chaud � l'�quateur et froid au p�le Nord (E > e). La figure nous explique pourquoi le rayonnement solaire Varie pour un point g�ographique donn� en jonction de la rotation terrestre et donc de l'heure solaire - le rayonnement �tant le plus intense � midi, pratiquement nul � 6 h et 18 h (pour une insolation de 12 h). Influence de la forme sph�rique. |
Notons que dans un m�me pays il existe de fortes variations (Nord Cameroun, Nord C�te d'Ivoire, par exemple). La proximit� de la mer ou d'un grand lac repr�sente un facteur favorable, � l'exception de quelques r�gions o� les brouillards sont tr�s nombreux comme en Mauritanie. Cet accroissement du nombre d'heures d'ensoleillement est li� � la faible rugosit� de la mer: le d�veloppement de la n�bulosit� s'effectue � l'int�rieur des terres. En plus, la bordure c�ti�re b�n�ficie d'une forte r�flexion des rayons solaires d�s que ceux-ci sont assez inclin�s sur l'horizon.
La connaissance du nombre d'heures d'ensoleillement annuel en un point ne suffit pas � d�terminer le potentiel solaire en ce point, car cet ensoleillement peut pr�senter des caract�ristiques tr�s variables selon l'heure et la saison (soleil plus ou moins bas sur l'horizon) et selon l'�tat de l'atmosph�re.
En Afrique sah�lienne, disposant d'un excellent ensoleillement, des diff�rences notables subsistent entre les pays. On peut consid�rer le Niger et le Burkina Faso comme pays tr�s favoris�s, le S�n�gal et le Mali comme pays favoris�s, la C�te d'ivoire et le Cameroun comme pays peu favoris�s. C'est donc dans ces derniers pays (�quatoriaux) que les probl�mes de s�chage et de stockage sont les plus aigus.
b) LE SOLEIL TROPICAL ET LES IMAM D'�PINAL
Un litre d'eau n�cessite l'apport de 600 kcal pour �tre vaporis�, mais en fait, cette �vaporation se fait par entra�nement au contact de l'air et globalement le rendement ne d�passe gu�re 50 % ce qui se traduit par une consommation effective de 1 000 � 1200 kcal par kg d'eau � �vaporer.
La dur�e annuelle d'ensoleillement direct varie suivant les r�gions du globe de moins de 1000 heures � plus de 4 000 heures par an (sur 8 760 heures).
Mais la courbe des 2 MO heures par exemple passe aussi bien en France qu'en C�te d'Ivoire, au Cameroun ou au Br�sil. La connaissance du nombre d'heures d'ensoleillement annuel en un point n'est pas suffisante pour d�terminer le potentiel solaire en ce point. Cet ensoleillement peut pr�senter des caract�ristiques tr�s variables, selon l'heure, la saison et selon l'�tat de l'atmosph�re (ciel plus ou moins brumeux).
L'insolation traduit l'�nergie re�ue au sol. Elle s'exprime par rapport � une unit� de surface g�n�ralement le m� en se r�f�rant � une unit� de temps: l'ann�e, le jour. C'est pourquoi les unit�s les plus diverses sont rencontr�es dans la litt�rature. Dans le syst�me international cette insolation serait � exprimer en Watt par m�. L'unit� encore couramment utilis�e est le kWh par m� et par jour. Les tableaux suivants permettent les conversions entre les diverses unit�s.
Il n'y a pas parfaite superposition entre l'ensoleillement et l'�nergie re�ue au sol, le relief joue, en effet, un r�le important.
UNIT�S DE TRAVAIL ET DE PUISSANCE - MODE DE CONVERSION UNIT�S DE TRAVAIL
| JOULE N. m =W. S = 1 J | KILOWATT HEURE KWh | KILOCALORIE kcal | THERMIE | TEP | |
| Joule | 1 | 0,278 x 10-6 | 0,239 x 10-3 | 0,239 x 10-6 | 5,239 x 10-10 |
| kWh | 3,6 x 10-6 | 1 | 860 | 860 x 10-3 | 860 x 10-7 |
| hcal | 4186 | 1,16 x 10-3 | 1 | 10-3 | 10-7 |
| thermie | 4,18 x 106 | 1,16 | 103 | 1 | 10-4 |
| TEP | 4,18 x 1010 | 1,16 x 104 | 107 | 104 | 1 |
TEP: Tonne d'�quivalent p�trole = 10000 thermies.
Fig. 68: Sommes annuelles du rayonnement solaire global (kilojoules par cm� et par an).
UNIT�S DE PUISSANCE
| watt / J/S | kW | Ch | Kgm/s | kcal/h | |
| watt | 1 | 10-3 | 0,00136 | 0,102 | 0,860 |
| kW | 1 000 | 1 | 1,36 | 102 | 860 |
| Ch | 736 | 0,736 | 1 | 75 | 645 |
| kgm/s | 9,81 | 0,00981 | 0,0133 | 1 | 8,45 |
| kcal/h | 1,16 | 1,16 x 10-3 | 0,00157 | 0,118 | 1 |
Exemples d'utilisation de ces tableaux (lecture horizontale)
1 joule = 0,239 x 10-3 kcal
1 kWh = 3,6 x 10-6 joule
Autre unit�
13TU (British thermal Unit) = 0,252 kcal
(D'apr�s SEMA.)
La temp�rature, la pluie, l'humidit� relative, le vent
Pour promouvoir le s�chage solaire, par entra�nement � l'air chaud, il faut s'int�resser non seulement � l'ensoleillement et � l'insolation mais aussi � d'autres donn�es m�t�orologiques: la temp�rature et l'humidit� de l'air ambiant, la vitesse du vent.
Malheureusement, les donn�es m�t�orologiques sont trop fr�quemment exprim�es en valeurs moyennes. Il faudrait disposer de ces valeurs pratiquement heure par heure pendant les p�riodes de s�chage.
c) UN EXEMPLE CONCRET: DIMBOKRO - COTE D'IVOIRE
L'exemple choisi est Dimbokro en C�te d'Ivoire, en r�gion productrice de cacao. L'exemple cacao nous para�t illustrer les besoins en s�chage solaire dispers�s en milieu rural. En effet, les exploitations ont encore un caract�re tr�s familial et le paysan est amen� � traiter des petites quantit�s, de l'ordre du quintal, par ses propres moyens.
Envisageons donc les donn�es climatiques de Dimbokro.
L'ensoleillement de Dimbokro, 1914 heures/an est � comparer � celui de Nice: 2 750 heures/an.
Il convient d'affiner le diagramme g�n�ral et de pr�ciser les donn�es climatiques, en fonction des mois de r�colte des fruits tropicaux. A Dimbokro, zone de cacaoyers, la r�colte se d�roule pendant une campagne variant de 80 � 100 jours pendant les mois d'octobre, novembre, d�cembre.
Fig. 69: Caract�ristiques climatiques moyennes mensuelles. C�te d'Ivoire - Dimbokro.
Fig. 70: C�te d'Ivoire - Dimbokro.
Caract�ristiques climatiques en fonction des heures pendant les mois de r�colte des f�ves de cacao. (5) �C Temp�rature - (•) H.R. % d'humidit� relative de l'air.
Les caract�ristiques essentielles de ces mois de r�colte de cabosses de cacao montrent une temp�rature moyenne comprise entre 27� C et 27,5 �C une pluviom�trie mensuelle d�croissante de 120 � 20 millim�tres d'eau. L'humidit� relative, en fonction des heures de la journ�e, est toujours tr�s importante. Ce n'est que vers 15 heures que Cette humidit� relative avoisine 60 %.
La zone productrice de cacao est, pendant la r�colte, non seulement une zone de pluies, mais aussi une zone o� l'humidit� relative reste toujours forte.
En effet, afin de promouvoir le s�chage par �nergie solaire, il importe de disposer de donn�es m�t�orologiques pr�cises. De plus, du point de vue purement des conditions climatiques, il faut toujours avoir pr�sent � l'esprit, que les zones principales de production de produits agricoles tropicaux, correspondent � des zones � climat tropical humide. Si la temp�rature est de l'ordre de 27� C, l'humidit� relative reste toujours sup�rieure � 60 % et les pr�cipitations sont importantes. Pour s�cher les produits agricoles tropicaux, arriv�s � maturit� dans des conditions m�t�orologiques non optimales, il est n�cessaire d'aider le soleil en proposant des capteurs (s�choirs solaires).
Il convient en outre d'�tudier les sp�cificit�s des produits tropicaux, sans oublier le facteur essentiel, les r�alit�s socio-�conomiques et socio-culturelles des pays concern�s.
a) PRINCIPES
- Le corps noir
Il est bien connu que la couleur noire absorbe la chaleur du soleil. Tout mat�riau absorbe les rayonnements solaires, en r�fl�chit une partie, et r��met des rayonnements. Il est important de noter que la r��mission des rayonnements s'effectue dans une gamme de longueur d'onde diff�rente de celle des rayons absorb�s. Ainsi, un corps va absorber des rayons du domaine du visible (0,40-0,80 �m) et r��mettre dans la gamme des rayons infrarouges autrefois baptis�s rayons calorifiques.
Le comportement des surfaces des corps est d�crit par rapport � un corps id�al d�nomm� corps noir ou radiateur id�al.
Fig. 71: D�finition d'un corps noir.
Un corps noir parfait absorbe tout le rayonnement solaire, sa temp�rature s'�chauffe puis � l'�quilibre r��met la totalit� de l'�nergie re�ue sous forme de radiations de longueur d'onde diff�rente.
CARACT�RISTIQUES D'UN MAT�RIAU VIS-�-VIS D'UN RAYONNEMENT
| MAT�RIAU | R�FLEXION | ABSORPTION | �MISSION |
| M�tal poli | 0,7 | 0,3 | 0,10 |
| Peinture noire mate | 0,1 | 0,9 | 0,95 |
| Noir de fum�e | 0,04 | 0,96 | 0,90 |
| Miroir parfait | 100 | 0 | 0 |
| Corps noir parfait | 0 | 100 | 100 |
Globalement, on peut dire que lorsque le soleil �claire une surface, cette surface r��met des rayons infrarouges dont la longueur d'onde et l'�nergie sont fonction de la temp�rature.
- Effet de serre
Un corps noir, ou un mat�riau en noir mat, recevant le rayonnement du soleil, r��met des rayons infrarouges, invisibles, calorifiques.
L'effet de serre est obtenu en intercalant entre le soleil et le corps noir un mat�riau transparent aux rayons du soleil et arr�tant les rayons infrarouges r��mis.
Le verre et certains plastiques ont cette particularit�. L'�nergie r��mise par le corps noir est absorb�e par le verre, qui s'�chauffe. A l'�quilibre le verre retransmet cette �nergie pour moiti� vers le corps noir, l'autre moiti� vers la vo�te c�leste. Pour r�cup�rer � nouveau la moiti� des �missions ext�rieures de la vitre on peut r�utiliser l'effet de serre en pla�ant une seconde vitre. Toutefois, la multiplication des surfaces transparentes diminue la transparence globale de l'ensemble. Lorsque le soleil frappe une vitre, il faut tenir compte des facteurs suivants:
Aucun mat�riau n'est totalement transparent au rayonnement (le verre, �vert� visible sur sa tranche, contient des oxydes de fer r�duisant la transparence � certaines longueurs d'onde). Une partie du rayonnement est r�fl�chie, en fonction de l'angle d'incidence. Une autre partie est absorb�e puis rayonn�e.
Globalement, l'analyse des �changes par rayonnement dans l'effet de serre est r�sum� dans le sch�ma ci-apr�s.
b) �L�MENTS CONSTITUTIFS D'UN CAPTEUR PLAN
Quatre �l�ments entrent dans la constitution d'un capteur plan:
• couverture transparente aux rayons du soleil opaque aux infrarouges,
• absorbent jouant le r�le de corps noir,
• isolation,
• caisson.
Tous ces �l�ments sont tr�s divers. Leurs choix r�sultent d'un compromis entre les performances, les imp�ratifs �conomiques, et les contraintes de factibilit� locale.
- La couverture transparente
Elle assure l'effet de serre en laissant passer les radiations solaires mais en arr�tant les infrarouges. Elle r�alise l'isolation thermique � l'avant de l'absorbeur et prot�ge contre les intemp�ries, poussi�res, insectes.
Le choix s'�tablit entre le verre, de bonne qualit� optique et d'excellente durabilit� (mais cher, lourd et fragile), et les mat�riaux synth�tiques, qui ont pour inconv�nients majeurs d'�tre de durabilit� m�diocre en raison de leur alt�ration aux ultraviolets. Certains �plastiques horticoles� sont garantis 4 ans, alors que le polycarbonate est garanti 10 ans.
- L'absorbeur
Jouant le r�le de corps noir absorbeur des radiations lumineuses pour les convertir en rayons infrarouges calorifiques, ils doivent avoir un coefficient d'absorption important et �tre constitu�s de mat�riaux pouvant r�sister � des temp�ratures �lev�es (100-130� C).
Le transfert de chaleur entre l'absorbeur et l'air est d'autant meilleur que les surfaces d'�changes sont importantes. C'est pourquoi on multiplie les surfaces de contact, en utilisant des traitements de surface au niveau microscopique ou en utilisant des �changeurs avec des ailettes.
On pr�f�re aujourd'hui les absorbeurs poreux, copeaux m�talliques, ou mat�riaux synth�tiques noirs, bourre de coco, roseaux fendus, balles de riz noircies, dans lesquels l'air traverse l'absorbent ce qui am�liore les �changes air-absorbeur.
- L'isolation
Elle limite les pertes thermiques du capteur. Elle est plus ou moins soign�e en fonction de l'utilisation et de l'investissement de premi�re installation.
Id�alement, il est int�ressant de placer entre l'absorbent et l'isolant, une feuille d'aluminium r�fl�chissante. Les isolants peuvent �tre du polyester expans�, des li�ges ou des mat�riaux locaux, coques d'arachide, bourre de coco sous forme de co�t, rafle de mais, ou banco.
- Le caisson
Il constitue J'armature de l'ensemble. Il est tr�s important de soigner son herm�ticit�.
Fig. 73: Les principaux types d'insolateurs � air.
c) CLASSIFICATION DES CAPTEURS SOLAIRES
- G�n�ralit�s
On sait qu'une simple loupe, travers�e par les rayons solaires, peut mettre le feu � un combustible. Une lentille convergente concentre en son foyer toute l'�nergie lumineuse qui arrive � sa surface.
Une classification de capteurs peut �tre bas�e sur la concentration ou non de l'�nergie lumineuse. Il faut mentionner que dans le cas de capteurs � concentration, il faut suivre le soleil de fa�on que les rayons soient bien focalis�s sur le foyer ponctuel ou lin�aire.
Dans le cadre du s�chage solaire de produits agricoles, il faut veiller � utiliser une temp�rature faible, aussi utilise-t-on des capteurs sans concentration (capteurs-plans).
Une autre classification peut �tre bas�e sur la nature du fluide caloporteur. L'eau ou l'eau glycol�e (pour abaisser son point de cong�lation) est souvent utilis�e pour le chauffage domestique, on peut rencontrer parfois du fr�on pour les pompes � membranes fonctionnant � l'�nergie solaire. En pratique, pour les s�choirs solaires de produits agricoles, on rencontre des capteurs solaires � air.
- Classification des capteurs solaires plans � air
Pour le s�chage par entra�nement, les deux phases essentielles sont:
• le chauffage de l'air (transfert de chaleur),
• l'extraction de l'eau soustraite au produit � s�cher par l'air de s�chage (transfert de mati�re).
Les classifications seront diverses et multiples selon la phase � laquelle on se r�f�re. On distinguera: le s�chage direct, le s�chage indirect, le s�chage par ventilation naturelle, le s�chage par ventilation forc�e.
Fig. 74: Diff�rents mod�les de capteurs solaires plans � air. (FOURNIER, COUDERT.)
* Les s�choirs directs
Les produits sont expos�s directement au soleil, une bo�te de s�chage permet d'utiliser l'effet de serre. Les s�choirs �directs� sont des appareils extr�mement simples et rustiques. L'effet de serre est utilis� pour am�liorer la captation de l'�nergie solaire. Des ouvertures sont pratiqu�es pour la circulation de l'air par tirage naturel.
Il faut toutefois noter que si les produits sont prot�g�s des pr�dateurs, animaux et insectes, l'exposition directe au soleil provoque la destruction de vitamines photosensibles et des photo-oxydations.
* Les s�choirs indirects
Le produit n'est pas expos� directement au soleil, il est m�me � l'abri de la lumi�re, ce qui autorise une meilleure pr�servation des qualit�s nutritionnelles de l'aliment.
L'air chauff� par �nergie solaire, ou par un autre mode, est envoy� sur le produit � s�cher, plac� sur des claies de s�chage, r�parties dans une enceinte ferm�e herm�tiquement. Dans de gros s�choirs � c�r�ales des dispositifs m�caniques peuvent assurer le d�placement des grains de fa�on � faciliter les transferts thermiques et de masse.
La circulation d'air est r�alis�e soit par convection naturelle, soit par circulation forc�e.
La convection naturelle est assur�e par la diff�rence de densit� entre l'air chaud et l'air externe. Elle est acc�l�r�e par l'utilisation d'une chemin�e solaire ou non, munie d'une trappe de tirage admettant de l'air frais � la base de la chemin�e, ce qui acc�l�re le tirage.
La circulation forc�e est assur�e par un ventilateur soufflant ou aspirant. Une r�gulation du d�bit d'air, en fonction de la dur�e du s�chage et de la temp�rature de l'air, est alors possible.
Signalons que l'on parle de syst�mes passifs pour les s�choirs utilisant l'�nergie �olienne.
* Les s�choirs mixtes
Dans ce type de s�choirs, l'action combin�e des radiations solaires, incidentes sur le produit � s�cher et l'air r�chauff� dans un capteur, fournit la chaleur n�cessaire � l'op�ration de s�chage.
* Les s�choirs hybrides
Ce sont des s�choirs qui utilisent l'�nergie solaire mais aussi une autre source �nerg�tique consommatrice de r�serves fossiles pour suppl�er au chauffage et/ou � la ventilation.
