CONSTITUTION PHYSIQUE DU SOLEIL

Le soleil est une sphère gazeuse de 1 391 000 Km de diamètre. Il n’est pas une sphère homogène ; on peut y distinguer trois régions principales.

Intérieur

L’intérieur où se crée l’énergie par réaction thermonucléaire, et qui est inaccessible aux investigations car tout lerayonnement émis dans cette région est totalement absorbé par les couches extérieures. La température atteint plusieurs millions de degrés, et la pression un milliards d’atmosphères.

LA PHOTOSPHERE 

Elle est très mince par rapport au diamètre du soleil (environ 300 Km d’épaisseur) et qui est responsable de la presque totalitédu rayonnement que nous recevons. L’ordre de grandeur de température n’y est plus que dequelques milliers de degrés, décroissant très rapidement dans l’épaisseur de la couche jusqu’à une température dite « de surface » de l’ordre de 4 500K (alors que le soleil rayonne globalement comme un corps noir à 5 800K).
La pression dans la photosphère est de 100 1 atm.

LA CHROMOSPHERE ETLA COURONNE SOLAIRE

Dans ces deux régions, la matière est très diluée, fait qui explique que, bien que la température y soit très élevée (en millions de degrés), le rayonnement est très faible ; la matière y est très agitée : formation de jets au sein de la chromosphère (spicules) ou de grands jets dans la couronne (protubérances)

Le rayonnement solaire à la limite de l’atmosphère

La constante solaire aux confins de l’atmosphère

La constante solaire hors atmosphère vaut en moyenne AM0(ou m0)= 1390Wm -2 .
L’abréviation AM0 signifie « air mass zéro ». Des expériences faites par la NASA donneraient 1353 W m -2 . La valeur de cette constante dépend dela distance terre soleil qui varie de ±3.5% autour de sa valeur moyenne à la quelle correspond une irradiation énergétique de 500J cm -2 h -1 ; soit 33.3 KWh.m -2 par journée de 24 heures à incidence normale.

TRANSFORMATIONS DE COORDONNEES

Le passage d’un repère céleste à un autre peut se faire selon 2 méthodes:
™ La méthode traditionnelle utilisant la trigonométrie sphérique
™ L’utilisation des matrices de rotation, alternative mieux adaptée aux moyens de calcul modernes.
Ce changement de repère est plus développé dans l’annexe1. Mais nous tenons à souligner que le changement de repère céleste nécessite la connaissance de certains paramètres par exemple : la connaissance de temps sidéral T permet de déduire aisément l’angle horaire ωde αou inversement, et de passer ainsi de l’un à l’autre des systèmes de coordonnées équatoriales et horaires. De même, la connaissance de la latitude Фdu lieu d’observation permet le passage des coordonnéeshorizontales aux coordonnées horaires d’un astre donné, et inversement.

TRAJECTOIRE DU SOLEIL DANS LES DIFFERENTES SAISONS

Mouvement de la terre autour du soleil

Les quatre positions de la terre représentées sur la figure ci-dessous correspondent aux solstices et aux équinoxes dans l’hémisphère Sud. On notera en particulier que l’axe de rotation de la terre est incliné par rapport à la normale du plan de l’écliptique d’un angle de 23°27’.

Mouvement apparent du soleil observé à un point de latitude

Sud de l’équateur

Le mouvement apparent du soleil vu par un observateur fixe en un point de latitude Φau Sud de l’équateur est représenté sur les figures 2.9, 2.10, et2.11. On notera qu’aux équinoxes, le soleil décrit un arc de cercle de 180° dans la voûte céleste à raison de 15° par heure, ce qui donne des journées de12 heures. Au midi solaire, l’angle que fait la direction du soleil est égal à la latitude du lieuΦ.

Angle horaire ωà un instant donné

L’angle horaire ωest l’angle formé par le plan méridien passant par le centre du soleil et le plan vertical du lieu (méridien). Ilest mesuré en degrés de 0 à 360 ° à partir du méridien de Greenwich et positivement vers l’Ouest ou encore prendre comme origine le méridien du lieu, et alors les compter de-180° ( à 0 heure) à +180°( à minuit).
Une variation de 24 heures du TSV correspond à une variation de 360° de l’angle horaire, soit 15° par heure. A midi Temps solaire vrai TSV, l’angle horaire ωvaut 0 degrés.
La formule donnant l’angle horaire en fonction du TSV est donnée par la formule suivante : ° = 15 . TSV ω (2.18).
En bref, selon l’estimation du PNUD (programme de Nations Unies pour le Développement), le soleil fournit à la terre unepuissance de 150 milliards de MW par an dont Madagascar reçoit 100 millions de MW. C’est considérable ! Mais l’essentiel de l’énergie solaire sur la terre est dispersé, perdu même si on a un effort sur la recherche du développement de l’exploitation de cette énergie notamment à la captation « artificielle » du rayonnement solaire par des capteurs plans ou des cellules photovoltaïques. Le rendement de ces derniers ne dépasse pas de 15% lorsqu’ils sont fixes quelque soit la position du soleil dans la voûte céleste. Vis à vis de cette situation, nous pensonsà améliorer ce rendement en augmentant l’énergie solaire reçue sur la surface des capteurs plans. Donc pour la suite, nous verrons au chapitre 3 la modélisation mathématique et la conception d’un logiciel donnant l’angle d’orientation et d’inclinaison des panneaux solaire suivant l’heure et la saison d’un site considéré.

EXPLOITATION SIMULTANEE DE DEUX ANGLES : AZIMUT ET INCLINAISON DES PANNEAUX SOLAIRES

Les panneaux solaires exécutent des mouvements autour de deux axes perpendiculaires dont l’une est horizontale et l’autre verticale.La rotation autour de l’axe horizontale assure la poursuite en hauteur du soleil alors que la rotation autour de l’axe vertical assure la poursuite en azimut. Cependant, les mouvements en hauteur et en azimut ne sont pas uniformes et la réalisation d’une poursuite automatique dans ce cas est très coûteuse et complexe. Par conséquent, nous allons bien distinguer l’angle de poursuite de la position du soleil suivant la saison et suivant l’heure de la journée.

REPERAGE DE L’ANGLE D’ORIENTATION ET D’INCLINAISON SUIVANT LA SAISON ET L’HEURE

Nomenclature 

Dans l’hémisphère Sud où se trouve Madagascar, l’orientation optimale des panneaux solaires est généralement le Nord dans le cas des panneaux solaires fixe. On se nomme alors l’angle que fait l’axe des panneaux solaires avec la ligne Sud-Nord l’angle d’orientation des panneaux solaires qui est l’angle de poursuite du soleil suivant la saison.
L’angle de poursuite de la position du soleil dans la voûte céleste en fonction de l’heure de la journée est appelé l’angle d’inclinaison des panneaux solaires dont elle représente l’angle entre l’axe des panneaux solaires et la ligne Est-Ouest.
Les axes des panneaux solaires que nous mentionnons ci-dessous sont distincts et perpendiculaires comme le montre la figure3.2

Angle de poursuite suivant L’heure S

En considérant l’angle de poursuite suivant la saison, l’angle de poursuite suivant l’heure se réduit à l’angle de poursuite en hauteur. Ce dernier est l’angle de position du panneau solaire à chaque instant. Il assure l’inclinaison du capteur pour que la surface réceptrice soit perpendiculaire au rayonnement direct envoyé par le soleil. Dans ce cas, elle se nomme sous le nom de l’angle d’inclinaison des panneaux solaires suivant l’heure.
Dans son expression de la formule (3.2), il est l’angle complémentaire de la hauteur du soleil au dessus de l’horizon c’est à dire la distance zénithale.
La hauteur du soleil est comptée positivement de 0 à +90° au dessus de l’horizon (jour) et de -90° à 0 au dessous de l’horizon (nuit). De même pour la distance zénithale quiest l’angle d’inclinaison des panneaux solaire à chaque instant. Donc, l’angle résultant de la formule de la hauteur est toujours positif. Dans ce cas, il fautet il suffit de différencier le signe de l’angle d’inclinaison des panneaux solaires de la matinée et de l’après midi. Par conséquent, l’angle d’inclinaison est nul à midi local d’un site (instant de la culmination du soleil). Il est compté négativement la matinée et positivement vers l’après midi.

CONCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons déterminé les angles d’orientation et d’inclinaison des panneaux solaires afin que ces derniers soient maintenus perpendiculaires aux rayons incidents provenant du disque solaire quelque soit l’instant et la saison d’un site donné en particulier à Madagascar. A partir des données locales nécessaires à savoir la longitude du lieu, la latitude, le numéro du fuseau horaire et le temps local, on peut calculer les paramètres de positions des panneaux solaires :
™ L’angle d’inclinaison S, angle responsable de la poursuite du Soleil en hauteur à chaque instant
™ Et l’angle d’orientation i, angle de poursuite saisonnière de la trajectoire du Soleil dans la voûte céleste.
Pour qu’on ait une irradiation journalière maximale issue de l’exploitation de deux angles, il faut et il suffit de concevoir un logiciel permettant de les calculer et d’utiliser au niveau du système de poursuite du Soleil.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1: ENERGIE RENOUVELABLE , DEVELOPPEMENT DURABLE ET MAITRISE DE L’ENERGIE
1.1. ENERGIE RENOUVELABLE
1.1.1. DEFINITION
1.1.2. HISTOIRE DES ENERGIES RENOUVELABLES
1.1.3. EXEMPLES D’ENERGIE RENOUVELABLE
a) La captation naturelle du rayonnement solaire
b) la captation « artificielle» du rayonnement solaire
1.1.4. OPPORTUNITE DE L’ENERGIE RENOUVELABLE VIS A VIS DU COMBUSTIBLE FOSSILE
1.1.5. AVANTAGES ET INCONVENIENTSDES ENERGIES RENOUVELABLES
1.1.6. LE POTENTIEL DES ENERGIES RENOUVELABLES (ENR) A MADAGASCAR
1.2. DEVELOPPEMENT DURABLE
1.2.1. HISTORIQUE
1.2.2. LES ENJEUX
1.2.3. LES OBJECTIFS DU DEVELOPPEMENT DURABLE
1.2.4. RECHERCHE POUR LE DEVELOPPEMENT DURABLE
1.2.5. LES ENERGIESRENOUVELABLES FACE AU DEVELOPPEMENT DURABLE
1.3. MAÎTRISE DE L’ENERGIE
1.3.1. BESOINS ESSENTIELS, BESOINS EN ENERGIE
1.3.2. SITUATION ENERGETIQUE
a) Situation mondiale
b) Situation énergétique à Madagascar
1.3.3. PRINCIPES DE BASE D’UNE STRATEGIE ENERGETIQUE
1.3.4. LES ELEMENTS D’UNE POLITIQUEDE MAITRISE DE L’ENERGIE
1.3.5. LA MAÎTRISE DE L’ENERGIE AU SERVICE DES OBJECTIFS DU MILLENNAIRE POUR LE DEVELOPPEMENT
1.4. CONCLUSION
Chapitre2 : GENERALITES SUR LE RAYONNEMENT SOLAIRE
2.1. DESCRIPTION DU SOLEIL
2.2. CONSTITUTION PHYSIQUE DU SOLEIL
2.2.1. Intérieur
2.2.2. LA PHOTOSPHERE
2.2.3. LA CHROMOSPHERE ET LA COURONNE SOLAIRE
2.3. LE SOLEIL et SON RAYONNEMENT
2.3.1. PRINCIPES GENERAUX
2.3.2. LES CARACTERISTIQUES DU RAYONNEMENT SOLAIRE
2.3.3. LES COMPOSANTES DURAYONNEMENT SOLAIRE
a) Le rayonnement solaire à la limite de l’atmosphère
a.1) La constante solaire aux confins de l’atmosphère
a.2)Radiations supplémentaires émises par la chromosphère ou la couronne
b) Composition et rôle de l’atmosphère
b.1) Absorptions des radiations solaires par l’atmosphère
b.2) Diffusion moléculaire
b.3) Notion de masse atmosphérique
c) Le rayonnement solaire au voisinage du sol
c.1) Rayonnement direct
c.2) Rayonnement diffus du ciel
c.3Rayonnement diffus du sol
c.4)Rayonnement global
2.4. NOTIONS D’ASTRONOMIE – REPERAGE DU SOLEIL DANS LA VOÛTE CELESTE
2.4.1.LES SYSTEMES DE COORDONNEES
a) Coordonnées Horizontales
b) Coordonnées équatoriales
c) Coordonnées horaires
d) Coordonnées écliptiques
2.4.2.TRANSFORMATIONSDE COORDONNEES
2.4.3.TRAJECTOIRE DU SOLEIL DANS LES DIFFERENTES SAISONS
a) Mouvement de la terre au tour du soleil
b) Mouvement apparent du soleil observé à un point quelconque de l’équateur
c) Mouvement apparent du soleil observé à un point de latitude Sud de l’équateur
2.4.4. REPERAGE DU SOLEIL DANSLA VOÛTE CELESTE A CHAQUE INSTANT
a) Déclinaison angulaire du soleil
b) Formules des coordonnées du soleil à chaque instant
2.4.5. COMPLEMENTS
a) Notions du temps
a.1) Equation du temps (ET)
a.2) Temps Universel TU
a.3) Temps civil
a.4) Temps légal TL
a.5) Temps solaire moyen TSM
a.6) Temps solaire vrai TSV
b) Angle horaire ωà un instant donné
Chapitre 3 : MODELISATION MATHEMATIQUE DE L’ANGLE D’ORIENTATION ET D’INCLINAISON DES PANNEAUX SOLAIRE SUIVANT L’HEURE ET LA SAISON D’UN SITE CONSIDERE
3.1. QUELQUES DEFINITIONS
3.2. REPERAGE D’UN PANNEAU SOLAIRE DANS L’ESPACE
3.3. INCLINAISON ET ORIENTATION DES PANNEAUX SOLAIRES SUIVANT LA SAISON ET L’HEURE
3.3.1. PROCEDE
3.3.2. EXPLOITATION SIMULTANEE DE DEUX ANGLE : AZIMUT ET
INCLINAISON DES PANNEAUX SOLAIRES
3.3.3. REPERAGE DE L’ANGLE D’ORIENTATION ET D’INCLINAISON SUIVANT LA SAISON ET L’HEURE
a) Nomenclature
b) Angle de poursuite suivant L’heure S
c) Angle de poursuite suivant la saison noté i
3.4. CALCULS DES COORDONNEES DU SOLEIL DANS LA VOÛTE CELESTE
3.4.1. JOUR JULIEN, TEMPS EN SIECLES JULIEN ET DATE DU CALENDRIER
3.4.2. LES COORDONNEES DU SOLEIL
a) Coordonnées du soleil dansle repère équatorial
b) Coordonnées du soleil dans le repère horizontal
3.5. EXPRESSIONS DES ANGLES D’ORIENTATION ET D’INCLINAISONS DES
PANNEAUX SUIVANT L’HEURE ET LA SAISON
3.5.1. EXPRESSION DE L’ANGLE D’ORIENTATION SUIVANT LA SAISON
3.5.2. EXPRESSION DE L’ANGLE D’INCLINAISON SUIVANT L’HEURE (poursuite en hauteur)
3.6. CONCLUSION
Chapitre 4 : ESTIMATION DE L’ENERGIE SOLAIRE REÇUE SUR UN RECEPTEUR ORIENTABLE, MAINTENU PERPENDICULAIRE A LA DIRECTION DU SOLEIL
4.1. FORMULES APPROCHEES DONNANT LES HEURES DE LEVER ET DE COUCHER DU SOLEIL
4.2. ENERGIE RECUE DANS UNE SURFACE
4.2.1. CONSTANTE SOLAIRE (I0)
4.2.2. FLUX ET IRRADIATION SOLAIRE EN DEHORS DE L’ATMOSPHERE
a) Surface horizontale
b) Surface d’orientation et d’inclinaison automatique suivant la saison et l’heure
4.2.3. ATTENUATION DU RAYONNEMENT SOLAIRE PAR L’ATMOSPHERE TERRESTRE
4.2.4. FLUX et IRRADIATION SOLAIRE AU NIVEAU DU SOL
a)Flux ou éclairement par ciel sans nuage sur une surface inclinée et Orientée automatiquement à tout instant
a.1) Flux solaire direct interceptépar une surface perpendiculaire Aux rayonnements solaires au niveau du sol
a.2) Flux solaire diffus reçue sur une surface au niveau du sol par ciel clair
b) Irradiations quotidiennes par ciel sansnuage sur une surface orientable maintenu perpendiculaire à la direction du soleil
b.1)Irradiation directe normale reçue sur une surface au niveau du sol par ciel clair
b.2) Irradiation diffuse reçue sur une surface maintenue perpendiculaire aux rayons solaires au niveau du sol par ciel clair
b.3) Irradiation globale reçue sur une surface maintenue perpendiculaire aux rayons solaires au niveau du sol par ciel clair
c) Irradiations quotidiennes par ciel variable sur une surface orientable, maintenu perpendiculaire à la direction du soleil
d) Irradiations quotidiennes par ciel totalement couvert
Chapitre 5 : CONCEPTION D’UN LOGICIEL EVALUANT L’ANGLE D’ORIENTATION ET D’INCLINAISON DES PANNEAUX SOLAIRES
5.1. GENERALITE
5.2. ORGANIGRAMME
5.3. ALGORITHMES
5.4. GUIDE D’UTILISATION DU LOGICIEL
5.4.1. INTERFACE DU PROGRAMME AUTOMATIQUE PAS A PAS
5.4.2. INTERFACE DU PROGRAMME EN FONCTION DU BESOIN DE
L’UTILISATEUR
5.5. CONCLUSION
Chapitre 6 : REALISATION D’UN TYPEDE SYSTEME DE POURSUITE DU SOLEIL NOTAMMENT LA PARTIE ECANIQUE
6.1. GENERALITE
6.2. SYSTEME DE POURSUITE DU SOLEIL COMMANDE PAR ORDINATEUR
6.3. INSTALLATION GENERALE
6.3.1. SCHEMAS ELECTRIQUE DE COMMANDE
6.3.2. PRINCIPE GENERAL DE L’INSTALLATION
6.4. CHOIX DEREDUCTEUR
6.4.1. GENERALITE SUR L’ENGRENAGE A VIS SANS FIN
6.4.2. LES PARAMETRES DES VIS SANS FIN UTILISES DANS LA REALISATION
a) Données préalables
b) Diamètre primitif, module apparent, module réel de l’engrenage à vis sans fin et la largeur de la roue
c) Rendement de transmission et puissance à transmettre
6.5. ACCOUPLEMENT
6.6. TRANSMISSION DE PUISSANCE
6.7. SYSTEMES D’ASSEMBLAGES
6.7.1. ASSEMBLAGES DEMONTABLES
6.7.2. ASSEMBLAGES PERMANENTS
6.8. DIMESIONNEMENT ET MONTAGE DE L’ARBRE PRINCIPAL DE ROTATION DES PANNEAUX
6.9. REALISATION DE L’ANGLE D’AJUSTEMENT SAISONIER
Chapitre 7 : ETUDES ECONOMIQUES ET IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
7.1. INTRODUCTION
7.2. COMPARAISON DE L’ENERGIE CAPTEE SUR UNE SURFACE INCLINEE ET D’UN CAPTEUR MAINTENU PERPENDICULAIRE A LA DIRECTION DU SOLEIL
7.3. ENERGIES FOURNIES
7.4. PRIX, COUT D’EXPLOITATION ET ENTRETIEN DU SYSTEME DE TRAQUEUR POUR LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE
7.5. DEFINITIONSET RATIOS
7.6. IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
7.6.1. OPPORTUINITE DE L’ENERGIE SOLAIRE
7.6.2. AVANTAGES DE L’ENERGIE SOLAIRE
a) Avantage en environnement naturel
b) Avantage du point de vue développement
7.6.3. INCONVENIENT DE L’ENERGIE SOLAIRE
CONCLUSION GENERALE