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INSA DE STRASBOURG
Etude d’un nouveau système
solaire hybride : Produire de
l’eau en utilisant l’énergie
solaire Travail de recherche et d’étude
Réalisé par
Sylvain LEROY
Etudiant en génie électrique
Option Energie
Stage de fin d’étude réalisé du 16 Mai 2011 au 30 Septembre 2011
Responsable de stage : Jai Singh
Charles Darwin University
School of Engineering and IT, B-Purple 12
Darwin, NT 0909, Australia. Tél : +61 8 89 466 811
Tuteur de stage INSA : Damien Flieller
Sylvain LEROY
1
Objectifs du stage :
Le cahier des charges de mon projet imposé par mon superviseur de stage, Jai Singh, est vaste et laisse libre cours à
l’imagination.
Il est le suivant : « étude d’un nouveau système solaire hybride ».
La première étape fut donc de trouver un sujet en concordance avec le cahier des charges.
Ce sujet est donc effectué sur ma propre initiative et mes propres idées.
Une fois le sujet proposé à Jai Singh, ce dernier a pu me fixer l’objectif à atteindre qui est le suivant :
« Simuler la cheminée solaire pour obtenir une vitesse du flux d’air donc la puissance cinétique de ce même flux au sein
de la cheminée ».
Pour réaliser cela, j’ai dû me fixer plusieurs objectifs tels que :
- Réaliser un état de l’art des différentes sous-parties du système
- Créer l’enceinte sous un logiciel de construction mécanique et de maillage.
- Réaliser une étude dynamique du flux d’air présent dans une enceinte ouverte en utilisant des solveurs de
simulation par éléments finis
- Simuler différentes formes de cheminée dans le but de comparer plusieurs résultats théoriques.
Pour arriver à ces objectifs, de nombreuses étapes ont été franchies et toutes vous seront exposées dans ce rapport.
Comme pensé de nombreuses fois au cours de cette expérience, cela ne peut être que bénéfique de travailler sur un
sujet personnel qui tient à cœur. Outre son interêt, ce projet a de l’ambition si les objectifs suivants sont atteints :
- Produire de l’eau par condensation passive
- Produire de l’énergie qui sera convertie en électricité à l’aide d’un aérogénérateur
- Produire de l’eau par condensation active
- Permettre une croissance normale de plantes au sein du chapiteau
Cependant, ces objectifs feront l’œuvre d’une nouvelle étude et pourquoi pas l’aboutissement d’un modèle réel qui
verra le jour dans les prochaines années si les faits le permettent.
Un des buts de ce projet n’étant pas de chercher à produire un maximum d’électricité, ni une quantité d’eau
phénoménale, mais plutôt de récupérer ces deux derniers dans le but de trouver un compromis entre production
d’électricité et d’eau nécessaires à un ou plusieurs particuliers ou à une production agricole.
Sylvain LEROY
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Résumé :
Pour finaliser mon cycle d’ingénieur à l’Institut National des Sciences Appliquées, j’ai eu l’opportunité d’effectuer mon
projet de fin d’étude au sein de l’Université Charles Darwin en Australie.
Ce projet porte sur l’étude d’un nouveau système solaire hybride renouvelable :
Une cheminée solaire est composée d’une turbine électrique à air entraînée par le mouvement de convection naturelle
au sein de la cheminée alimentera en électricité un condenseur actif qui produira de l’eau.
De plus, le collecteur de la cheminée solaire servira de condenseur passif.
Le but de ce système étant de produire en priorité de l’eau en combinant à la fois condensation active et passive.
Ma problématique principale étant de connaître la puissance électrique théorique que peut fournir un tel système,
l’étude a donc été orientée vers la simulation d’un flux d’air dans une cheminée solaire pour obtenir la puissance
cinétique théorique de l’air récupérable dans celle-ci.
Grâce à un logiciel de simulation de dynamique des fluides, il m’a été permis d’effectuer cette simulation après avoir
réalisé la structure avec un logiciel de construction mécanique.
Ce présent rapport vous présente toutes mes démarches jusqu’à l’obtention d’un tel résultat.
Abstract :
As a student at INSA de Strasbourg (Institut National des Sciences Appliquées), I had a great opportunity to study
abroad.
My last study project has been performed at Charles Darwin University in Australia. The purpose of this project is to
study a new solar hybrid system :
The natural convection in the center of the solar chimney spins an electrical turbine which provides electricity. This
electricity will supply an active condenser which will provide water. The collector of the solar chimney will be the
passive condenser.
The main goal of this system is to provide water with an active and a passive condensation. The main question is to
know the theoretical electrical power generated by this system. Then, the air flow modeling in the solar chimney has
been studied to get the kinetic power in the chimney.
The design of the solar chimney has been modeled with mechanical software. The air flux modeling has been computed
with a computational fluids dynamics software.
This report presents all the steps to get to the result of the speed and the power in the chimney.
Sylvain LEROY
3
Table des matières :
Objectifs du stage : ................................................................................................................................................................. 1
Résumé : ................................................................................................................................................................................. 2
Abstract : ................................................................................................................................................................................. 2
Remerciements ....................................................................................................................................................................... 5
1. Introduction .................................................................................................................................................................... 6
2. Etat de l’art ..................................................................................................................................................................... 8
2.1. Les systèmes solaires .............................................................................................................................................. 8
2.1.1. La cheminée solaire ........................................................................................................................................ 8
2.1.2. La tour de type vortex ................................................................................................................................... 10
2.1.3. La tour solaire à concentration ..................................................................................................................... 11
2.1.4. La tour à concentration de vent ................................................................................................................... 11
2.2. La condensation de l’eau contenue dans l’air ...................................................................................................... 12
2.2.1. Les premières techniques ............................................................................................................................. 12
2.2.1.1. Le condenseur de Friedrich Johan Zibold ............................................................................................. 12
2.2.1.2. Le puits aérien du professeur Achille Knapen ...................................................................................... 13
2.2.2. Les techniques actuelles ............................................................................................................................... 13
2.2.2.1. Les condenseurs radiatifs passifs .......................................................................................................... 13
2.2.2.2. Les générateurs d’eau atmosphérique ................................................................................................. 14
2.2.2.2.1. Les générateurs terrestres .................................................................................................................... 14
2.2.2.2.2. Les générateurs aériens ........................................................................................................................ 15
2.3. La production de froid .......................................................................................................................................... 16
2.3.1. La machine frigorifique à compression ......................................................................................................... 16
2.3.2. La machine frigorifique à sorption ................................................................................................................ 16
2.4. La partie mécanique électrique ............................................................................................................................ 17
2.4.1. La turbine ...................................................................................................................................................... 17
2.4.2. Le générateur électrique .............................................................................................................................. 17
3. La cheminée solaire hybride ......................................................................................................................................... 18
3.1. Introduction au système solaire hybride .............................................................................................................. 18
3.2. Problématiques, démarche et problèmes rencontrés.......................................................................................... 19
3.2.1. Démarche scientifique .................................................................................................................................. 19
3.2.2. Problèmes rencontrés ................................................................................................................................... 21
3.2.3. Problématiques et questions fondamentales ............................................................................................... 22
Sylvain LEROY
4
3.3. Pré-dimensionnement .......................................................................................................................................... 26
3.3.1. Choix pour le pré-dimensionnement ............................................................................................................ 26
3.3.2. Puissance électrique nécessaire ................................................................................................................... 27
3.3.3. Puissance électrique récupérable ................................................................................................................. 28
3.3.4. Puissance théorique de l’air .......................................................................................................................... 29
3.4. Simulation ............................................................................................................................................................. 29
3.4.1. Hypothèses ................................................................................................................................................... 30
3.4.2. Conception mécanique ................................................................................................................................. 31
3.4.3. Simulation dynamique .................................................................................................................................. 34
3.5. Résultats ............................................................................................................................................................... 38
3.5.1. Cheminée : H=10m et Collecteur : R=10m ................................................................................................ 39
3.5.2. Cheminée : H=15m et Collecteur : R=15m ................................................................................................ 40
3.5.3. Cheminée : H=15m et Collecteur : R=25m ................................................................................................ 43
3.5.4. Comparaison ................................................................................................................................................. 44
3.5.5. Meilleur cas de figure ................................................................................................................................... 45
3.6. Etude des autres parties du système .................................................................................................................... 47
3.6.1. Le condenseur passif ..................................................................................................................................... 47
3.6.2. L’aérogénérateur .......................................................................................................................................... 49
3.6.3. Le groupe froid .............................................................................................................................................. 49
3.6.4. La partie architecturale ................................................................................................................................. 50
3.7. Discussion ............................................................................................................................................................. 50
3.7.1. Améliorations ................................................................................................................................................ 50
3.7.2. Autres solutions ............................................................................................................................................ 52
3.8. Suite du projet ...................................................................................................................................................... 52
4. Conclusion ..................................................................................................................................................................... 53
5. Revue bibliographique .................................................................................................................................................. 55
Sylvain LEROY
5
Remerciements
Je souhaite remercier l’INSA de Strasbourg et l’ensemble de mes professeurs m’ayant autorisé à réaliser mon stage de
fin d’étude à Darwin en Australie. Cela m’a permis de poursuivre mon expérience au sein d’une nouvelle équipe dans un
environnement inconnu.
Je souhaite remercier Damien Flieller, mon tuteur de stage à l’INSA de Strasbourg, de m’avoir suivi tout au long de ce
projet.
Je souhaite remercier l’Université Charles Darwin (Charles Darwin University) du territoire du nord de l’Australie d’avoir
accepté ma requête de stage. En effet, leur sympathie et leur amicalité m’a permis de m’intégrer rapidement dans ce
nouveau continent, ce nouvel environnement si fascinant et énigmatique à la fois.
Je souhaite remercier Jai Singh, mon superviseur de stage à l’Université Charles Darwin, de m’avoir accepté au sein de
son équipe et de m’avoir proposé un sujet d’étude faisant libre court à mon imagination. En effet, en m’imposant
d’étudier un système solaire hybride quelconque, celui-ci m’a entrainé à réfléchir à la conception d’un nouveau
système. Ce projet m’a permis de devenir vraiment autonome quant à la réalisation d’un projet. Je souhaite remercier la
confiance et la motivation que Jai Singh m’a apporté au début de ce projet. En effet, des doutes ont vu le jour quant à la
faisabilité d’un tel système mais Jai Singh fut toujours à mes côtés pour me soutenir dans cette étude.
Je souhaite aussi remercier Jai Singh encore une fois pour les propositions concrètes qu’il m’a tendu. En effet, des offres
telles que la poursuite de cette étude vers une thèse ou encore la construction d’un modèle réel pour vérifier les
résultats théoriques sont très motivantes. Elles m’ont permises de m’investir encore plus dans ce projet.
Sylvain LEROY
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1. Introduction
De nos jours, nous constatons une évolution permanente du taux de gaz à effets de serre dans l’atmosphère.
En effet, nombreux sont les systèmes qui polluent énormément ; nombreux sont les déchets que nous imposons à notre
environnement ; nombreux sont les produits toxiques rejetés dans les rivières, les fleuves, les embouchures, les mers et
les océans.
Les contraintes environnementales imposées à notre planète sont donc énormes. Toutes ces actions amènent au
gaspillage des énergies fossiles de notre belle planète. En effet, un déchet ne devrait pas avoir lieu d’être.
C’est pourquoi, aujourd’hui, et depuis déjà des dizaines d’années, de nombreux chercheurs aident au développement
d’énergies propres qui ne polluent pas localement. Le problème avec certaines de ces nouvelles technologies, sont les
suivants :
- La pollution est générée lors de la fabrication du système (pollution décentralisée)
- Le recyclage des éléments constituant le système est souvent difficile et très cher
- Elles ont une seule fonction qui est de produire de l’énergie
Le défi, à l’heure actuelle, est de trouver et de concevoir des systèmes de production d’énergie qui n’engendrent pas les
précédentes problématiques.
Comme le disait le fameux Albert Einstein : « Inventer c’est penser à côté. »
De plus, il ajoutait : « Pour parer au déclin énergétique et environnemental de notre planète, il nous faudra trouver des
solutions bien plus réfléchies et performantes que celles qui nous permises d’arriver à cet état de décadence mondiale
tant au niveau énergétique que environnemental ».
Au cours de réflexions, il m’est arrivé, lors de mes études, de penser à l’élaboration de nouveaux systèmes
énergétiques. C’est pourquoi, aujourd’hui, j’ai décidé, grâce à l’aide de l’INSA de Strasbourg et l’université Charles
Darwin, de vous présenter un projet qui me tient à cœur.
Ce projet est, bien sûr, en rapport avec mes études d’ingénieur électrique, mais appel beaucoup d’autre domaines, tels
que : l’ingénierie thermique, l’ingénierie méchanique mais aussi la météorologie et l’ingénierie agronome ou encore
l’ingénierie architecturale.
C’est pourquoi il m’est difficile de concevoir une étude complète vu les connaissances que celui-ci requiert. Cependant,
j’ai pu commencer à étudier ce système, de simuler les quelques parties les plus importantes du système pour pouvoir
continuer par la suite mon travail et aboutir, peut-être, à la finalisation de cette aventure.
Le cahier des charges du stage est très vaste mais précise l’utilisation d’énergies solaires sur un système hybride.
J’ai donc orienté celui-ci vers une application intéressante pour le particulier et l’industrie.
En effet, mon but final étant de créer un système produisant à la fois de l’électricité et de l’eau.
Le principe est simple : « Récupérer l’eau de l’air en combinant la condensation active et passive à l’aide d’une
cheminée solaire.»
La condensation active produira de l’eau en journée et la condensation passive pendant la nuit.
Sylvain LEROY
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En commençant mes recherches, j’ai découvert que l’idée de récupérer l’eau de l’air avait déjà été pensée et le système
déjà conçu. Cela me prouve que mon idée marche et me réjouit d’avance de continuer à étudier un tel système.
Bien sûr, mon idée diffère quelque peu de celle déjà créée, mais il n’y a pas de raison pour que mon système ne
fonctionne pas.
Ce dernier sera présenté en détail dans la suite du rapport.
Pour vous introduire dans le vif du sujet, je vais vous présenter l’état actuel de l’art en les questions :
« Comment récupérer l’eau à partir de l’air ? »
« Quels types de cheminées solaires sont existantes ? »
« Quelles sont les états de l’art des autres technologies ? »
De plus, une présentation en l’état actuel de l’utilisation des énergies solaires applicables au dit système sera présentée.
Comme nous le savons fort bien, un ingénieur électrique doit connaitre les bases de la thermique. C’est pourquoi je suis
satisfé de mon choix d’étude et suis parti dans cette direction.
Vu la quantité énorme de travail à fournir, il ne me sera pas possible d’étudier toutes les parties de ce système.
J’ai donc orienté mon stage vers le commencement que je pense logique, c’est-à-dire :
« Simuler un flux d’air dans une cheminée solaire pour obtenir la puissance cinétique théorique de l’air récupérable
dans cette cheminée ».
Ce résultat est le plus important car il nous permettra d’obtenir la valeur de la puissance instantanée qui nous
permettra d’alimenter le condenseur actif. C’est cette valeur de puissance qui prouvera la faisabilité première de ce
système.
La deuxième étude se résume à étudier brièvement les autres parties du système telles que le condenseur passif qui
combine le stockage de la chaleur en laissant passer les rayons lumineux du soleil tout en permettant un sur-
refroidissement par rapport à la température de l’air pendant la nuit, l’aérogénérateur ou encore le condenseur actif.
Ce projet est, selon moi, très important d’un point de vue technique. En effet, c’est la première fois que je travaille sur
un projet complètement livré à moi-même et sans aide extérieure. Ceci est très important pour un futur ingénieur qui
termine son cycle scolaire soutenu par l’aide de ses professeurs.
De plus, celui-ci est important d’un point de vue économique de part son originalité. En effet, si les résultats s’avèrent
plus ou moins positifs, ce dernier pourrait alors combler les besoins en eau pour des agriculteurs isolés ou dans des pays
où le besoin en eau augmente constament.
Ce rapport étant la porte de mon entrée dans la vie active, je vous en laisse le choix de l’approfondir.
La structure de ce rapport sera présentée de telle sorte que l’ordre de chaque partie correspondra à l’ordre par lequel
j’ai travaillé sur ce système tout au long de ce projet.
Sylvain LEROY
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2. Etat de l’art
Pour vous faire comprendre simplement le système, il me faut, tout d’abord, vous présenter l’état de l’art en la matière
applicable à mon système et l’état de l’art en la récupération de l’eau contenue dans l’air.
Toutes les recherches qui suivent ont été réalisées dans le but d’obtenir un système le plus fiable et le plus efficace
possible.
2.1. Les systèmes solaires
Les systèmes solaires sont le fondement de ce projet. En effet, un des buts du stage étant d’étudier une cheminée
solaire, c’est pourquoi, une présentation des technologies similaires déjà existantes vous est présentée.
2.1.1. La cheminée solaire
La cheminée solaire (single flow upwind system) est née dans les années 1970 à 1980.
Cette technologie renouvelable est utilisée principalement pour la production d’électricité.
En effet, une cheminée solaire met à profit le vent créé dans une cheminée, par les différences de densité due à
l’échauffement de l’air, pour faire tourner une turbine et générer de l’électricité.
Figure 1 : Principe de fonctionnement d’une cheminée solaire :
Le système est simple. On aperçoit deux turbines dont les hélices vont être mises en rotation grâce au flux d’air créé par
la différence de température entre le bas de la cheminée et le sommet de celle-ci.
Cette technologie utilise un principe de base : « L’air chaud, engendré par l’effet de serre au bas de la serre, est dirigé
vers le haut de la cheminée, par convection, de par sa faible densité par rapport à l’air froid. Le flux d’air créé permet
alors la mise en rotation des turbines. »
Sylvain LEROY
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Les avantages de cette technologie est son prix car elle nécessite peu d'entretien et fait appel à une mécanique
« simple ». De plus, ajoutons la gratuité des rayons du soleil ainsi que la sûreté de l’installation. De plus comme le sol
emmagasine de la chaleur le jour pour la redonner la nuit, le système est totalement opérationnel 24 heure sur 24 si le
soleil est présent la journée. Cependant, l'investissement de départ est très important.
Le kw.h fournit par la cheminée solaire serait près d'un tiers moins onéreux que ceux fournis par les panneaux solaires,
mais en général cinq fois plus cher que l'électricité au charbon.
Une première Tour solaire existe en Espagne, à 150 kilomètres au sud de Madrid, dans la région de la Mancha. Cette
tour prototype, d'une hauteur de 194 mètres a fonctionné entre 1981 et 1989. La puissance produite atteignait 50
kilowatts.
En Chine, une tour solaire d’une puissance de 200 kW a été mise en fonctionnement le 27 décembre 2012.
Actuellement, un projet d’une tour de 1 km de hauteur commence à voir le jour en Australie. La société EnviroMission
espère produire une puissance de 200 MW.
D’autres projets voient le jour un peu partout dans le monde. De nombreux pays comptent sur l’apport énergétique de
cette technologie pour diminuer leur production de gaz à effets de serre conformément aux accords de Kyoto. D’autres
souhaitent seulement obtenir l’énergie la moins chère et la moins polluante du marché qui reviendrait aux alentours de
2 centimes d’euros le kWh.
D’autres techniques de cheminées solaires sont utilisées comme par exemple la construction de cheminées appuyées
sur falaises ou creusées dans une falaise ou encore créer un conduit sur relief.
On peut aussi intégrer cette technologie dans une maison ou un bâtiment ; le but étant de créer une aération naturelle
grâce à la convection naturelle et récupérer ou non l’énergie suivant la puissance engendrée par le flux d’’air.
Le but de ce projet n’est pas de créer un système de ce type mais plutôt d’utiliser l’idée pour une autre application.
Sylvain LEROY
2.1.2. La tour de type vortex
La tour solaire de type vortex (rotationnel
appelle aujourd’hui les centrales aérothermiques ou tour
(Atmospheric Vortex Engine).
Ces technologies exploitent un phénomène naturel très puissant tel que
l’ascendance tourbillonnaire.
Il en existe deux types qui sont à peu près similaires.
La première étant la centrale aérothermique du professeur français
Edgard Nazare qui vous est présentée ci-contre
La centrale aérothermique expérimentale en forme de venturi que souhaitait construire
un diamètre de base de 300m avec un diamètre au col du venturi de 30 m
Une différence de température (delta θ) de 30 °C entre les couches hautes et basses de l’atmosphère
produire une puissance électrique théorique de
grâce au simple effet de cheminée (tirage naturel).
La seconde centrale a été présentée par l’ingénieur canadien Louis Marc Michaud
qui publia son projet sous le nom de Vortex Power Station
La centrale A.V.E. de Michaud est une tour cylindrique d’une hauteur de 100 m
pour un diamètre de base de 400 m. Le tourbill
tour aurait un diamètre de 50 m à la base et une hauteur pouvant atteindre plus de
15000m. Comme pour la tour précédente, la puissance électrique théorique
fournie est de l’ordre de 200 MW.
Contrairement à la tour précédente, Le phénomène tourbillonnaire est théoriquement amorcé par l’utilisation de
brûleurs. Ces technologies ne sont, pour le moment
années 1990 en France et dans d’autres pays. Cependant, peu d’essai concluant ont mené à poursuivre les recherches
rares sont les organismes qui financent les recherches dans ce domaine
Ces tours ne nous sont donc d’aucune utilité pour n
Notre système doit être, quant à lui, de dimensions très petites. C’est pourquoi, la technologie de convection naturelle
reste la plus adaptée à notre environnement.
Il existe d’autres types de tours solaires présentées ci
de type vortex
rotationnel flow wirling system) que l’on
aérothermiques ou tour à vortex
t un phénomène naturel très puissant tel que
qui sont à peu près similaires.
La première étant la centrale aérothermique du professeur français
contre.
Figure 2 : Centrale aérothermique de Nazare
La centrale aérothermique expérimentale en forme de venturi que souhaitait construire Edgard
un diamètre au col du venturi de 30 m.
) de 30 °C entre les couches hautes et basses de l’atmosphère
théorique de 200 MW. Le phénomène tourbillonnaire est théoriquement amorcé
au simple effet de cheminée (tirage naturel).
nde centrale a été présentée par l’ingénieur canadien Louis Marc Michaud
qui publia son projet sous le nom de Vortex Power Station.
La centrale A.V.E. de Michaud est une tour cylindrique d’une hauteur de 100 m
pour un diamètre de base de 400 m. Le tourbillon atmosphérique généré par cette
tour aurait un diamètre de 50 m à la base et une hauteur pouvant atteindre plus de
15000m. Comme pour la tour précédente, la puissance électrique théorique
Figure 3 : Centrale aérothermique de type Michaud
e phénomène tourbillonnaire est théoriquement amorcé par l’utilisation de
pour le moment, qu’à la phase d’essai. Des maquettes voient le jo
et dans d’autres pays. Cependant, peu d’essai concluant ont mené à poursuivre les recherches
rares sont les organismes qui financent les recherches dans ce domaine.
Ces tours ne nous sont donc d’aucune utilité pour notre projet du fait de leur hauteur minimale de 300m.
lui, de dimensions très petites. C’est pourquoi, la technologie de convection naturelle
reste la plus adaptée à notre environnement.
présentées ci-après.
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: Centrale aérothermique de Nazare
Edgard Nazare a une hauteur et
) de 30 °C entre les couches hautes et basses de l’atmosphère est souhaitée pour
e phénomène tourbillonnaire est théoriquement amorcé
: Centrale aérothermique de type Michaud
e phénomène tourbillonnaire est théoriquement amorcé par l’utilisation de
. Des maquettes voient le jour depuis les
et dans d’autres pays. Cependant, peu d’essai concluant ont mené à poursuivre les recherches et
otre projet du fait de leur hauteur minimale de 300m.
lui, de dimensions très petites. C’est pourquoi, la technologie de convection naturelle
Sylvain LEROY
11
2.1.3. La tour solaire à concentration
Les centrales solaires à concentration (CSP) utilisent les rayons solaires comme
source d’énergie à haute température pour produire de l’électricité à partir de
la chaleur.
La PS20 se compose d'un champ de 1 255 miroirs qui suivent la trajectoire du
soleil par asservissement. Chaque miroir, d'une superficie de 120 m2, reflète
alors le rayonnement solaire au sommet d’une tour de 160 m. Cette
concentration intense crée une quantité énorme d’énergie qui est utilisée pour
produire de la vapeur. Cette vapeur mise sous haute pression permettra la mise
en rotation d’une turbine qui produira de l’électricité.
Figure 4 : Tour solaire à concentration PS20
2.1.4. La tour à concentration de vent
Plus communément appelée « Wind Tower 360°», la compagnie japonaise Zena
System a développé cette nouvelle technologie pour produire de l'électricité en
utilisant la force du vent. Le principe est très simple : une tour concentre le
vent vers un générateur situé au sol.
La tour a une base hexagonale. Sa surface est constituée de portes qui ne
s'ouvrent que vers l'intérieur. Le vent est donc canalisé vers la base de l’édifice.
Il entraîne alors une ou plusieurs turbine(s). La forme hexagonale de la tour
permet d'utiliser tous les vents, quelle que soit leur direction, d'où le nom de
Wind Tower 360°. Les promoteurs de ce projet font valoir plusieurs arguments
qui prouveraient l'avantage de leur invention sur les éoliennes. D'une part, la
tour peut collecter les vents dans toutes les directions, mais aussi sur toute sa
hauteur alors que les éoliennes ne tirent profit du vent qu'au niveau de leurs
pâles.
Figure 5 : Maquette de la « Wind Tower 360° ».
Par ailleurs, la localisation au sol des générateurs en facilite la maintenance.
Intéressons-nous maintenant aux techniques utilisées pour récupérer l’eau contenue dans l’air. Celles-ci nous seront
très utiles pour le choix des condenseurs passifs et actifs.
Sylvain LEROY
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2.2. La condensation de l’eau contenue dans l’air
Le principe est naturel et indispensable à la vie sur Terre : la rosée.
La technologie existe depuis des milliers d’années.
2.2.1. Les premières techniques
L’idée de vouloir récupérer l’eau de l’air est déjà connue depuis bien longtemps. Dès l’antiquité, des restes de
condenseur retrouvés ont engendrés des recherches approfondies.
En effet, plusieurs ingénieurs ont tenté de renouveler, au début du 19ième siècle, des expériences prouvant que la
récupération de l’eau contenue dans l’air était possible.
2.2.1.1. Le condenseur de Friedrich Johan Zibold
Il construit en 1907 à Théodosia en Ukraine un condenseur massif en gros galets. Son hypothèse est que les
empilements de pierres, très poreux et perméables à l'air, peuvent se refroidir suffisamment la nuit pour permettre
d'atteindre le point de rosée en journée. Lorsque l'air y pénètre, une partie de la vapeur d'eau peut ainsi être
condensée.
Le puits aérien fut construit sur un sommet à 288 mètres d'altitude, dans un lieu bénéficiant de l'influence des vents
maritimes. Il est constitué d'une coupe, profonde de 1m15 et d'un diamètre de 20 mètres, dont la surface est
recouverte d'une couche de béton de 15 cm pour assurer l'imperméabilité. Au centre, une auge de descente dirige l'eau
condensée vers un tuyau en fonte qui mène à un bassin situé à 22 mètres du condenseur. Cette coupe est remplie de
galets entassés en forme de cône sur une hauteur de 6 mètres.
Figure 6 : Maquette du condenseur de F. Zibold
Avant de connaître un arrêt suite à des problèmes d'étanchéité du socle, le condenseur produit jusqu'à 360 litres d'eau
par jour. On ne sait toujours pas si les calculs de F. Zibold étaient corrects mais, malgré une faible production vu la taille
de la construction, le condenseur fonctionnait.
Ses travaux ont ensuite été repris par Léon Chaptal et Wolf Klaphake qui n’ont pas donné de suite favorable à la
continuité des recherches.
Une autre figure mondialement connue pour l’invention du siphon atmosphérique (le siphon Knapen) s’est intéressé,
par la suite, aux travaux des dites précédentes personnes.
Sylvain LEROY
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2.2.1.2. Le puits aérien du professeur Achille Knapen
Pensant utiliser un système inverse au siphon atmosphérique permettant de capter l’humidité de l’air pour la
condenser, Achille Knapen décide d’installer finalement son puits aérien en Provence. A une hauteur de 188m, de
dimensions confères à la figure 8, le site est parfaitement exposé aux vents humides et protégé des vents asséchants
comme le mistral.
Figure 7 : Photo du puits aérien d’Achille Knapen Figure 8 : Schema de principe du dit puits aerien
Les résultats furent décevants car, lors de son fonctionnement, le puits ne fournit que 10 litres d'eau les jours les plus
favorables, au lieu des 30 000 à 40 000 litres espérés. Cette différence est soi-disant liée aux hypothèses de départ. Les
calculs auraient été effectués sur des différences de températures ne correspondant pas au climat de la Provence. De
plus, le condenseur, trop massif, ne peut se refroidir suffisamment la nuit.
Ces techniques sont donc fausses théoriquement. Nous en prendrons compte dans la conception de notre système.
D’autres techniques plus modernes ont aujourd’hui vu le jour. En effet, les méthodes de condensation peuvent être
simples mais aussi complexes.
2.2.2. Les techniques actuelles
Il existe les technologies sans apport d’énergie et les technologies avec apport d’énergie.
Les productions diffèrent grandement. Les résultats seront détaillés par la suite.
2.2.2.1. Les condenseurs radiatifs passifs
Dans le début des années 1960, de simples condenseurs de rosée à partir de feuilles de polyéthylène ont été utilisés en
Israël pour irriguer les plantes.
En 1986, des recherches ont été effectuées pour élaborer la fabrication d’un film spécialement conçu pour
l’alimentation en eau de jeunes pousses.
En 1993, à la suite d’une conférence, un institut français s’intéressa de plus près aux découvertes des fondateurs des
techniques de récupération d’eau, comme présentés précédemment au 2.2.1.
Sylvain LEROY
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Depuis, de nombreuses expérimentations voient le jour en France,
en Croatie, en Polynésie ainsi qu’en Inde et au Maroc.
De plus en plus de pays considèrent cette technique comme une
aubaine pour leurs terres arides. C’est pourquoi elle a de l’avenir.
Certes, le rendement est faible mais le résultat est là. Les defaults
de cette technique sont le rendement faible par rapport à la
surface de film utilisé. Cependant, le système est abordable et ne
nécessite pas de production externe d’énergie.
C’est pourquoi nous allons nous en servir pour la conception de
notre système.
Figure 9 : Expérimentation de condenseurs à travers différents pays
Intéressons-nous maintenant aux générateurs d’eau atmosphérique. Il en existe deux types :
- Les générateurs terrestres
- Les générateurs aériens
2.2.2.2. Les générateurs d’eau atmosphérique
Comme on dispose d’énergie, le but est de générer de l’eau à l’aide d’un système réfrigéré et d’une convection forcée.
On récupère donc constamment l’eau de l’air par condensation.
2.2.2.2.1. Les générateurs terrestres
Ce type d’appareil n’est pas énormément répandu sur le marché. Une fois branché sur le réseau électrique, il fonctionne
de manière autonome. La puissance nécessaire à son bon fonctionnement varie en fonction de la température
extérieure. Un fonctionnement moyen, d’après les fabricants, se caractérise par une production d’environ d’eau
d’environ 1 litre par heure.
Condition: Température : 15-32 ; Taux d’Humidité : 40 à 95%
Alimentation 220V/50Hz, 110V/60Hz
Courant d'entrée (eau génération): 220V/350W, 110V/400W
Capacité de chauffage: 5L / H
Courant d'entrée (chauffage): 500W
Capacité de refroidissement: 2L / H
Courant d'entrée (refroid issement): 80W (lorsqu'elle est faite avec deux compresseurs)
Système de filtration: PP + CTO + UF + T33 + UV
Figure 10 : Caractéristiques d’un générateur d’eau atmosphérique terrestre
Sylvain LEROY
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N’oublions pas que ce système consomme encore beaucoup d’énergie, nécessite de changer 5 filtres lors de la
maintenance et élimine la plupart des minéraux présents dans l’eau. Ce système ne nous intéresse pas, au premier
abord, mais nous en reparlerons par la suite.
Voyons maintenant les caractéristiques des générateurs aériens.
2.2.2.2.2. Les générateurs aériens
Ce générateur aérien a deux buts.
Le premier de fournir de l’électricité, le deuxième de faire
fonctionner un condenseur, grâce à une partie de l’électricité
produite, qui produira de l’eau. Un schéma d’ensemble est
présenté sur la figure 11 ci-contre :
La mise en rotation des pâles génère de l’électricité dont une
partie sera utilisé par le compresseur frigorifique pour maintenir le
système à une température optimale pour condenser l’eau.
Figure 11 : Schéma d’ensemble d’une éolienne munie d’un condenseur
Une autre partie sera utilisée par l’aspiration d’air. De nombreux générateurs d'eau atmosphérique fonctionnent d'une
manière très semblable à celle d'un déshumidificateur : l’air traverse une bobine refroidie provoquant sa condensation.
Le taux de production d'eau dépend de la température ambiante, du taux d’humidité, du volume d'air circulant autour
de la bobine, et de la capacité de la machine à refroidir la bobine.
Ces systèmes réduisent la température de l'air, ce qui réduit la capacité de l'air à contenir (garder) sa vapeur d'eau. C'est
la technologie la plus commune.
Un compresseur fait circuler le réfrigérant dans un condenseur et un évaporateur qui refroidit l'air qui l'entoure.
L'abaissement du point de rosée de l'air engendre la condensation. Un ventilateur à vitesse contrôlée pousse de l'air
filtré sur la bobine. L'eau qui en résulte est ensuite passé dans un bac de rétention avec le système de purification et de
filtration pour garder l'eau pure.
Les générateurs d'eau atmosphériques deviennent plus efficaces à mesure que l'humidité relative et la température de
l’air augmentent. En règle générale, ils ne fonctionnent pas efficacement lorsque la température tombe en dessous de
18,3 ° C ou le taux d'humidité relatif est inférieur à 30%. Le rapport coût-efficacité d'un générateur d'eau atmosphérique
dépend de la capacité de la machine, de l'humidité ainsi que des conditions locales de température et du coût
d'alimentation de l'appareil.
L’eau ainsi produite est analogue à l’eau de pluie
et donc potable. Elle possède un pH de 6,3 au
minimum avant minéralisation artificielle. Bien
sûr, la minéralisation totale de cette eau douce
étant de 80 mg par litre, cela ne la qualifie donc
pas d’eau riche en minéraux.
Ce système est très intéressant et pourra nous
servir pour améliorer notre chapiteau. Nous en
reparlerons par la suite.
Il nous faut maintenant nous intéresser à la
manière dont on peut refroidir le système sans
dépenser trop d’énergie.
Figure 12 : Exemple de système d’un générateur d’eau atmosphérique
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2.3. La production de froid
Dans cette partie, il vous est présenté deux types de production de froid. Le premier est bien connu mais le deuxième,
beaucoup moins, et nous intéresse particulièrement pour notre système vu sa faible consommation d’électricité.
2.3.1. La machine frigorifique à compression
La machine à compression utilise un compresseur, comme son nom
l’indique, et consomme une quantité énorme d’électricité que nous ne
pouvons nous permettre de gaspiller. Le coefficient de performance
(COP) est d’environ 3. Ce système est donc performant mais trop
gourmand en électricité.
Figure 13 : Schéma global d’une machine a compression
2.3.2. La machine frigorifique à sorption
Le but d’une machine à sorption est de ne pas utiliser de
compresseur. En effet, le fluide est comprimé par thermochimie et le
type d’énergie nécessaire à cette compression est calorifique. La
consommation électrique n’est donc engendrée que par
l’alimentation en énergie des pompes de circulation des fluides.
Le COP d’une telle machine est d’environ 0,7. Elle n’est donc pas très
performante. De plus, pour fonctionner, celle-ci demande une
température d’eau minimale de 80 degrés Celsius.
En fait, l’intérêt d’une telle machine réside dans la simultanéité d’une
demande de froid et d’ensoleillement. Ceci correspond
«parfaitement » à notre application car on souhaite créer de l’eau
surtout en journée donc lorsque ce que l’on a du soleil.
Figure 14 : Schéma global d’une machine a sorption
La production d’eau chaude pourra être engendrée par des panneaux solaires thermiques.
Intéressons-nous maintenant aux types de turbines utilisées pour produire de l’électricité. Bien sûr, les technologies
utilisées sont déjà connues mais il est nécessaire de faire un état de l’art pour optimiser le rendement du système en
sachant quelle technologie est la plus appropriée à notre futur système.
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2.4. La partie mécanique électrique
2.4.1. La turbine
Pour la turbine, il nous faut savoir quelle technologie utiliser pour notre application. De nombreuses possibilités
existent :
- Turbine unique à axe vertical.
- Turbines multiples à axe vertical.
- Turbines multiples à axe horizontal.
- Turbine à rotor unique.
- Turbine contre rotative.
- Turbine avec ou sans stator.
Suivant la puissance délivrée par notre système, nous en serons plus sur le type de turbine à mettre en place et à
étudier.
Cependant, comme on peut l’apercevoir sur la figure 1, en général, les turbines électriques sont situées au sol ce qui
facilite la maintenance de l’installation. Pour la conception de mon système, je ne pense pas partir dans cette direction
car cette place est réservée à la culture des plantes. Même si la maintenance est plus aisée, le rendement des récoltes
s’avérait bien moindre de par le faible espace au sol car, je vous le rappel, je souhaiterai créer un système surtout pour
le particulier.
Pour savoir quel type de générateur utiliser, il me faudra d’abord préciser comment utiliser l’énergie cinétique de la
turbine à air. Deux choix peuvent être alors proposés :
- La turbine à vitesse fixe
- La turbine à vitesse variable
Cependant, la solution retenue sera l’utilisation d’un aérogénérateur pour des simplicités de mise en place. Nous ne
nous intéresserons donc pas particulièrement au type de turbine utilisée.
2.4.2. Le générateur électrique
Grâce à notre formation, en génie électrique, la plupart des technologies utilisées au sein d’un générateur électrique ont
déjà été étudiées.
Pour la partie électrique, on choisit d’utiliser une turbine avec un moto-réducteur et générateur synchrone intégré. Cet
aérogénérateur vous sera exposé par la suite.
Nous n’étudierons pas le système de stockage d’energie qui pourra être une batterie lithium-ion par exemple pour son
bon rendement de charge décharge.
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3. La cheminée solaire hybride
Comme mentionné précédemment, cette cheminée hybride solaire est le résultat de ma propre imagination. En effet,
comme le disait si bien ce fameux Albert Einstein : « Inventer, c’est penser à côté » et c’est en réfléchissant à un
système simple et complexe à la fois, à partir de technologies déjà existantes, qu’il m’est venu l’idée de concevoir un
système produisant électricité et eau simultanément tout en permettant la culture de plante. C’est la combinaison de
toutes les technologies déjà existantes qui m’a permis d’arriver à ce résultat.
Bien sûr, je ne sais pas si ce système est rentable, fonctionne ou est possible à mettre en œuvre mais cette idée
m’intéresse et le but d’un ingénieur est justement de chercher des solutions en explorant tous les chemins possibles. Ce
chemin, le voici :
3.1. Introduction au système solaire hybride
Je veux créer une cheminée solaire de petite taille pour le particulier mais aussi de plus grande taille pour le domaine de
l'agriculture permettant une production d'eau et d'électricité.
Mon système hybride consiste à utiliser un générateur d'eau atmosphérique alimenté par une turbine aérienne. Le
chapiteau sera constitué d'une toile en tissu (sorte de polyéthylène) et sera donc léger pour permettre un
refroidissement très rapide et obtenir ainsi une condensation passive lorsque les températures le permettent.
Pour résumé, le but est donc de créer de l'eau et de l'électricité pour alimenter respectivement des plantes et le
générateur d'eau atmosphérique. Le surplus d'électricité, s'il existe, servira à alimenter la maison ou autres choses aux
alentours. On ne souhaite pas équiper la cheminée d’un système de ventilation commandé par ordinateur pour gérer la
température de la serre. En effet, cela demande encore de l’énergie pour alimenter le système de contrôle et ses
actionneurs. On ne souhaite pas non plus réchauffer la serre en cas de basses températures à l’aide d’un groupe
électrogène ou autre système consommant de l’énergie. On se contentera donc de cultiver des plantes en concordance
avec la saison. On obtiendra donc un système parfaitement autonome.
3.1.1. Description des différentes composantes du système
Figure 15 : Vue d’ensemble de la cheminée solaire hybride
Le Collecteur :
Le collecteur est composé du sol comme un système de stockage de la chaleur. Ce dernier capte le rayonnement solaire,
stocke la chaleur et la retransmet (sur la figure ci-dessus, le stockage de cette chaleur se fait par l’intermédiaire du sol et
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de ballons remplis d’eau qui peuvent servir à retransmettre cette chaleur à la fin de journée). Bien sûr, le collecteur
permet aussi de canaliser le flux d’air. Il est aussi composé d’une réserve d’eau centrale, permettant un stockage de la
chaleur, dont la forme permettra la canalisation du flux thermique. Une surface transparente située à environ 2 mètres
au-dessus du sol permettra l’entrée du flux solaire et créera le domaine de circulation de l’air en conservant la chaleur
dans le système. Le collecteur, ouvert aux extrémités, récupère l’énergie solaire incidente en réchauffant et en
contenant l’air qui y circule. L’air est réchauffé par l’absorption du flux solaire et par l’énergie émise par le sol. Le flux
solaire traverse donc la surface supérieure transparente du collecteur. L’air circule au sein du collecteur soumis à des
phénomènes de convection naturelle.
Le collecteur servira de condenseur passif lorsque les conditions le permettent, c'est-à-dire la nuit et tôt le matin. L’eau
sera canalisée jusqu’à atteindre le bas des plantes.
La Cheminée :
La cheminée est délimitée par une paroi au centre de laquelle se situe la zone d’écoulement du fluide. Celle-ci crée un
appel d’air en sortie du collecteur et le potentiel de pression entre le haut et le bas de cette dernière entraîne le fluide,
qui porte l’énergie cinétique et thermique, dans un mouvement ascendant.
La Turbine :
La turbine est située sur le parcours de l’écoulement du fluide. Elle transforme l’énergie cinétique du fluide en énergie
mécanique. Celle-ci sera ensuite transformée en énergie électrique par le biais d’un générateur.
Le générateur d’eau atmosphérique :
Le générateur d’eau atmosphérique sera situé à l’intérieur ou à l’exterieur de la cheminée. Il est alimenté par le
générateur électrique et récupère l’eau de l’air. Aucun emplacement n’est définitif.
Ceci est un aperçu global du système. Les modifications et les questions fondamentales vous seront exposées par la
suite.
Il vous est présenté dans un premier temps la problématique du sujet, les démarches que j’ai emprunté ainsi que tous
les problèmes rencontrés lors de ce passionnant projet.
3.2. Problématiques, démarche et problèmes rencontrés
3.2.1. Démarche scientifique
Je vous présente, dans cette partie, la démarche scientifique, que j’ai adopté quant à la réalisation d’un tel projet,
accompagnée de toutes les recherches.
En effet, la première étape fut d’étudier le projet de toute pièce, de penser à chaque élément le constituant.
Cela m’a donc permis de clarifier le problème.
Comme j'ai décidé d’étudier un nouveau type de cheminée solaire hybride, contrairement aux autres cheminées
solaires, mon système est de taille bien plus petite pour permettre à n’importe quelle personne, qui possède un terrain,
d’en acquérir une.
Le but principal est de créer une cheminée complètement autonome et ce pour la culture de plantes, la production
d’eau et d’électricité.
Mon système hybride consiste donc à utiliser un générateur d'eau atmosphérique (système actif) ainsi qu’un
condenseur passif mais aussi une turbine à air.
La cheminée sera donc un « énorme » condenseur passif qui produira de l’eau pendant la nuit grâce à l’humidité
contenue dans l’air. Ce condenseur passif abritera des plantes qui seront alimentées en eau chaque nuit par ce même
Sylvain LEROY
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condenseur.
De plus, le but de la cheminée est d’utiliser un mouvement de convection naturelle pour faire tourner une turbine.
Cette turbine, grâce à un probable complément de panneaux solaires photovoltaïques, permettra l’alimentation en
électricité d’un condenseur actif plus communément nommé générateur d'eau atmosphérique.
Pour poursuivre proprement mon projet, j’ai dû effectuer, en second lieu, un état de l'art des systèmes utilisés
concernant les types de cheminée déjà existants, les techniques pour récupérer l'eau de l'air ainsi que les types de
turbines utilisées pour les cheminées. J’ai donc effectué des recherches sur toutes ces technologies pour pouvoir les
sélectionner. Cela m’a permis d’en apprendre beaucoup sur les techniques actuelles de tours solaires et de production
d’eau.
Une étape cruciale du projet est le pré-dimensionnement du système pour savoir si celui-ci est réalisable ou non. Pour
réaliser le pré-dimensionnement, il m’a fallu faire des recherches sur les équations régissantes le système. Cela m’a
permis de me familiariser avec les sciences de l’ingénierie thermique. Pour réaliser ce pré-dimensionnement, j’ai dû
effectuer certaines hypothèses et simplifications. Pour ce pré-dimensionnement, plusieurs solutions ont été proposées
mais seulement quelques-unes sont viables et avant de simuler le chapiteau, un des points importants du pré-
dimensionnement d’un tel système est de trouver l’élément clé qui va engendrer toute son étude.
Le pré-dimensionnement des éléments du chapiteau sera donc réalisé à partir des dimensions du chapiteau. Ce choix
sera expliqué dans le rapport.
Le principe d'une cheminée solaire étant de faire tourner une turbine grâce à une convection créée par rayonnement
solaire, il me faut donc simuler le flux d'air dans la cheminée pour remplir le cahier des charges.
Comme nous étudions les éléments du chapiteau à partir de sa taille, nous pouvons d’ores et déjà simuler celui-ci et
fournir les dimensions nécessaires au logiciel pour concevoir le modèle mécanique.
Une étape importante fut donc de choisir le logiciel adapté à notre problème. Des recherches ont donc été effectuées
dans le but de trouver le meilleur moyen de simuler la vitesse du flux d’air dans notre cheminée en trois dimensions aux
allures courbes.
Une fois les logiciels adéquats trouvés puis installés par émulation, la maitrise de ceux-ci fut réalisée à l’aide des
tutoriaux et des guides d’utilisation.
Un premier modèle mécanique a donc été réalisé. Le chapiteau tout entier a été construit. Cependant, ne sachant pas
trop ou je m’aventurais et ne connaissant pas le logiciel de résolution de dynamiques des fluides Code Saturne, le
chapiteau fut maillé seulement en surface. Au fur et à mesure de mon avancement et de mon apprentissage solitaire, je
me suis rendu compte qu’il était nécessaire de simuler un volume et non une surface et que seulement une partie du
chapiteau devait être simulée. En effet, le logiciel de résolution de dynamiques des fluides nécessite qu’on lui indique
entrée(s) et sortie(s) ainsi que symétrie(s) et limite(s). Bien sûr, je voulais, de plus, simuler le chapiteau en trois
dimensions donc il m’a fallu recommencer totalement la conception mécanique du système. De plus, je n’ai simulé que
le huitième de par une facilité de conception et de calcul des longueurs et hauteurs de chaque point à rentrer dans le
logiciel. Le chapiteau simulé a donc été un octogone.
Le deuxième modèle, une fois conçu, a dû être repensé dans sa conception pour pouvoir appliquer des fusions, des
groupes, des partitions ainsi que des hexaèdres mais aussi pour concevoir le maillage du modèle dans le but de le
simuler correctement grâce au logiciel de résolution de dynamiques des fluides. Cela m’a permis de bien comprendre
chaque étape de conception.
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21
J’ai donc ensuite simulé le système (simuler le flux d'air dans la cheminée) sous Code Saturne et ainsi obtenu le résultat
que je souhaite, à savoir, la vitesse du fluide, la principale caractéristique permettant la mise en rotation de la turbine.
Ces caractéristiques me renseigneront sur la puissance de l’air. C’est cette puissance qui m’intéresse pour savoir si ce
système est réalisable ou non.
Une fois les caractéristiques de vitesse de flux d’air obtenus, nous pourrons enfin discuter du projet et parler des
avantages et des inconvénients de ce système.
C’est aussi la partie où d’autres solutions seront proposées.
Une fois toutes ces discussions terminées, nous pourrons enfin savoir si ce projet est à poursuivre, à développer, à
modifier ou à oublier.
Bien sûr, une conclusion bouclera notre travail en vous rappelant les étapes fondamentales de ce projet.
Le chapitre suivant vous présente les problèmes rencontrés lors de ce projet.
3.2.2. Problèmes rencontrés
Comme je vous l’ai mentionné, de grandes difficultés apparaissent au cours de ce projet. Je vais donc les énumérer l’une
après l’autre :
- C’est un projet pensé par moi-même donc toute la conception doit être réalisée.
- Celui-ci nécessite trop de connaissances dans trop de domaines spécifiquement en dynamique des fluides.
- Aucune personne n’est capable de m’aider aussi bien sur le plan théorique que pratique car il n’y a pas de
section thermique à l’université Charles Darwin. De plus, l’école ne possède pas de logiciel de résolution de
dynamiques des fluides.
- Il m’a donc fallu bien clarifier le problème et me familiariser avec les équations de thermiques pour pré-
dimensionner le système.
- Des recherches ont donc été effectuées pour obtenir un logiciel adapté à ce que je voulais simuler. Bien sûr, il
me fallait trouver un logiciel gratuit car, dans le cas contraire, je devais attendre environ trois mois pour pouvoir
travailler sur ordinateur et simuler le système.
- De grosses difficultés ont été rencontrées pour pouvoir travailler sur la plate-forme Linux. En effet, pour des
raisons de sécurité concernant leurs ordinateurs, je travaille sur Linux par émulation. Des problèmes quant à
l’installation des logiciels ont été permanents pendant près de deux semaines ainsi que des problèmes de
mémoires vives ont vu le jour par la suite.
- Il m’a fallu ensuite me familiariser avec la maitrise des logiciels de mécanique et de dynamique des fluides. En
effet, quand on n’a jamais utilisé, ne serait-ce qu’une sérieuse fois, ce genre de logiciel, il est particulièrement
difficile de concevoir puis de simuler un système quelconque. Grâce aux tutoriaux des deux logiciels, j’ai pu donc
me familiariser avec les notions de fusions, de groupes, de maillages qui sont absolument nécessaires pour
pouvoir simuler dynamiquement le système. Les difficultés les plus grandes furent de concevoir un système
composé de hexaèdres composé eux-même de 6 faces étant donné que le huitième du chapiteau est
triangulaire, de former des fusions de chaque hexaèdres, de créer ensuite des groupes et des partitions en bon
nombre pour simuler, de façon précise, dynamiquement le système. La réalisation de maillage du solide final fut
particulièrement difficile d’accès.
- C’est pourquoi je suis parti vers de fausses directions par exemple lors du maillage surfacique du système. Bien
sûr, je voulais simuler celui-ci en trois dimensions donc il m’a fallu penser complètement différemment la
Sylvain LEROY
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conception mécanique. Aussi, du temps a été perdu lors de recherches infructueuses dans le but de travailler
sur des simulations déjà existantes. Ce fut peine perdue car la plupart des chapiteaux sont de taille gigantesque
et, de plus, aucun ingénieur ne donne accès à son travail sur le réseau internet ce qui est parfaitement
compréhensible.
- Après la réalisation mécanique de la structure, il m’a fallu maitriser le logiciel de simulation de dynamique de
fluides. Grâce au tutorial de celui-ci, j’ai pu donc me familiariser avec toutes les notions de thermique
nécessaires à la bonne simulation du système et comprendre que la maitrise d’un logiciel de dynamique des
fluides comme Code Saturne demande beaucoup d’entrainement.
- La version de CAE Linux est celle de 2008 et fonctionne sur 32 Bits. Cela induit que les versions des logiciels, sur
lesquels je travaille, sont anciennes.
- Il est impossible d’obtenir un ordinateur avec un système opérateur 64 Bits ce qui implique que je ne peux pas
travailler sur des versions de logiciel plus récentes.
- Comme les logiciels sont obsolètes et l’ordinateur pas assez puissant du fait d’un travail par émulation, les
simulations sont particulièrement longues surtout si le maillage est fin. Les opérations de création de maillage et
de simulation dynamique duraient toute une nuit parfois plus donc il suffisait d’une petite erreur pour perdre
deux à trois jours de travail de par une nécessité de reconcevoir mécaniquement le système.
- Avant de concevoir mécaniquement le système, il m’a fallu réfléchir à partir de quel paramètre dimensionner
les éléments du problème. En effet, il ne sert à rien de simuler si on ne connait pas la taille du système. C’est
une des raisons pour lesquelles le dimensionnement des éléments composant la cheminée solaire s’est fait à
partir des dimensions que j’ai choisi dans le but de créer un système accessible pour une partie de la population.
- Une fois la structure construite, elle a du être compilée à l’aide de Code Saturne.Le guide d’utilisateur du logiciel
fut indispensable pour utiliser le pré-processeur de Code Saturne ainsi que son interface graphique et le fait de
bien paramétrer tous les éléments de l’étude de cas.
- Une des étapes de l’accomplissement du projet fut de réfléchir à quelles améliorations pouvait on apporter à
celui-ci.
Il fut très important, lors de ce projet, de clarifier correctement la problématique pour ne pas s’aventurer dans des
impasses ou des chemins inutiles qui auraient pu me faire perdre un temps précieux.
3.2.3. Problématiques et questions fondamentales
Comment obtenir un système produisant une quantité d’eau acceptable, dans un environnement adéquat, pour
alimenter toute sorte de plante, et générant une quantité d’électricité raisonnable pour alimenter le générateur d’eau
atmosphérique et plus si possible.
Par la suite vous sont présentés les questions fondamentales quant à ma démarche dans le but de mener à bien mon
projet.
1/ Est-il nécessaire de filtrer l’eau ?
Il n’est pas nécessaire de filtrer l’eau dans cette apllication car on souhaite alimenter en priorité des végétaux.
2/ Quelle quantité d’eau est-il nécessaire de produire ?
Il n’est pas nécessaire de produire une grosse quantité d’eau surtout si on isole le sol avec de la paille pour limiter
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l’évaporation d’eau et limiter ainsi les pertes hygrométrique du sol. De plus, nous pensons à mettre en place la
récupération de l’eau de pluie. Bien sûr, celle là est induite dans le système car nous collectons déjà l’eau qui coule sur
le condenseur passsif mais il faudra prévoir un ballon de stockage en cas de forte pluie.
Et pour répondre à cette question, nous ne nous pouvons fixer une quantité minimale de production d’eau étant donné
que nous ne connaissons pas la consommation en eau des plantes, ni l’hygrométrie de l’air, ni la quantité de production
d’eau par condensation active. On considèrera donc, pour cette étude, que l’eau produite sera suffisante pour les
végétaux.
3/ Est-ce que les plantes gênent le flux thermique ?
Les plantes gênent forcément le flux thermique du fait de la faible hauteur du collecteur. Cependant, pour notre étude,
nous considérerons que celles-ci sont inexistantes et ne serons donc pas simulées à l’intérieur de la cheminéé solaire.
4/ Comment réguler la température pour la viabilité des plantes ?
L’entrée d’air sur 360 degrés permettra une température vivable pour les plantes. On ne souhaite pas créer d’ouverture
au premier abord mais si cela est indispensable, il nous faudra réfléchir à la question.
5/ Quelle quantité d’électricité est-il nécessaire de produire ?
Pour notre application, nous ne raisonnons pas dans ce sens. En effet, nous essaierons de produire la quantité maximale
d’énerige que le système puisse produire.
6/ Quelle doit être la taille du collecteur pour produire assez de chaleur et créer ainsi un mouvement de
convection naturelle ?
Il faudra réaliser une autre étude pour déterminer cela.
Dans notre étude, on considérera que la convection naturelle est toujours présente. Le nombre de Rayleigh à l’intérieur
de la cheminée solaire excédera la valeur de 600.
7/ Quel matériaux utiliser, pour la toile du chapiteau, pour obtenir un compromis entre condensation la nuit et
effet de serre la journée ? Quel sont les propriétés optiques et d’émissivité optimales d’un tel matériau ? Ne
serait-il pas judicieux de distinguer les deux fonctions en utilisant un matériau pour la condensation passive et
un autre pour l’effet de serre ?
Un énorme compromis doit être trouvé entre ces fonctions. Nous en reparlerons par la suite.
8/ Quelles sont les conditions optimales pour obtenir une condensation passive pendant la nuit ? Quelles sont
les modifications que l’on peut apporter au système pour obtenir ces conditions ?
Pour obtenir une condensation passive optimale, il ne faut pas de convection sur les parois de la toile (le collecteur).
Pour cela, il nous faudra une toile non tendue pour permettre la création de cavité dans lesquelles la convection sera
très faible.
9/ Est-il judicieux de placer des « ballons d’eau » qui serviront à stocker la chaleur (solution utilisée dans les
cheminées solaires de grandes envergures) pour maintenir au maximum ce mouvement de convection naturel ?
Cela ne dérangerait-il pas les conditions optimales permettant la condensation passive la nuit ?
Les ballons gênent l’isolation du sol par de la paille et inversement. De plus, ces derniers peuvent limiter le sur-
refroidissement de la toile du collecteur passif pendant la nuit et augmentent le coût de fabrication. La solution des
Sylvain LEROY
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ballons est donc à oublier en premier lieu pour notre étude.
10/ Ou placer la turbine pour obtenir une vitesse maximale ?
Conformément aux études ménées sur différentes cheminées solaires, la vitesse du flux d’air est maximale au bas de la
cheminée. La turbine doit donc être placée à cet endroit.
11/ Quel type de générateur électrique est adapté à notre problème ? Quel est le choix technologique optimal
pour alimenter notre générateur (redresseurs + Batterie ou renvoie direct vers le générateur d’eau
atmosphérique et vers le réseau électrique pour le surplus de production)?
Nous choisissons d’adopter la solution de l’aérogénérateur déjà existant pour des raisons de simplicité.
Le choix de la génératrice sera fonction du fabricant.
Le choix de stocker l’énergie sur batterie est, je pense, primordial pour obtenir un système complètement autonome. En
effet, le fait de relier le système serait utile pour des systèmes non éloignés de celui-ci. De plus, l’excédant d’électricité
n’est pas forcément voulu car on souhaite créer un maximum d’eau.
12/ Ou placer le générateur d’eau atmosphérique pour générer un maximum d’eau et obtenir un rendement
maximale ?
Le condenseur actif demandera plus d’énergie pour fonctionner si celui-ci est perturbé par un flux de chaleur
quelconque, c’est pourquoi, celui-ci devra être placé à l’abri de la chaleur donc à l’extérieur de la cheminée solaire.
13/ Récupérer de la chaleur par le condenseur du groupe froid ne stopperait-il pas le mouvement naturel de
convection ?
Cette question existe si le condenseur et le générateur d’eau atmosphérique sont séparés. Cependant, il ne parait pas
logique de placer le condenseur dans la cheminée car celui-ci demandera plus d’énergie pour atteindre le même régime.
Cependant, s’ils sont séparés et que le condenseur est présent dans l’enceinte, en effet, cette question est
fondamentale et pour y répondre, il faudra simuler le phénomène de convection naturelle dans la cheminée solaire ainsi
que le condenseur passif. Mais à priori, la taille de cette cheminée est bien plus grande que celle du condenseur du
générateur d’eau atmosphérique.
Si par contre, celui-ci perturbe grandement la convection naturelle, on peut placer le condenseur à l’extérieur de la
cheminée solaire avec le générateur d’eau atmosphérique qui est la solution initiale retenue.
14/ Quel type de technologie utiliser pour produire du froid, compresseur ou absorbeur ?
Nous répondrons à cette question par la suite mais le choix ne sera pas définitif.
15/ A partir de quoi dimensionner le système ?
Ceci est la question la plus importante de notre étude et vous sera expliqué lors du pré-dimensionnement.
16/ Quelles sont les caractéristiques du fluide à connaitre pour pré-dimensionner notre système ?
Les caractéristiques du fluide à connaître sont la vitesse et la densité. C’est grâce à ces paramètres que nous pré-
dimensionneront notre système.
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17/ Que cherchons-nous à simuler ? Quels résultats souhaitons-nous obtenir ?
Nous cherchons à simuler la vitesse d’un flux d’air dans une cheminée solaire. Nous cherchons à obtenir la norme
maximale du vecteur vitesse et sa position dans la cheminée.
18/ Quel type de logiciel peut-on utiliser pour effectuer la simulation ?
Plusieurs logiciels peuvent être utilisés. On peut choisir de résoudre le problème analytiquement grâce à Matlab. L’autre
solution est de simuler le système grâce à des logiciels par interface graphique. C’est la dernière solution que nous
avons retenu. En effet, il nous a paru intéressant de manipuler de nouveaux logiciels et surtout d’utiliser des logicels
spécifiquement conçus pour la dynamique des fluides. De plus, cela nous permettra de nous familiariser avec de
nouveaux outils.
19/ Quelle est la forme optimale de la cheminée pour obtenir une vitesse importante ?
Nous répondrons à cette question lors de cette étude mais le profil géométrique optimal de la cheminée solaire qui
permettra une importante convection naturelle dépendra surtout de la taille du système.
Pour notre cas, sans convection naturelle, le profil géométrique optimal est « conique », ce qui veut dire que le
diamètre de la cheminée rétrécie de plus en plus avec la hauteur.
20/ Quelles sont les améliorations que nous pouvons apporter au système ?
Les améliorations et les modifications que nous pouvons apporter au système seront étudiées à la fin de ce rapport.
Etant donné que chaque question est précise, il nous sera difficile de répondre à chacune d’elle. Cependant, nous
essaierons, dans la mesure de notre temps limité, d’apporter quelques éléments de réponse.
Il me faut donc simuler le flux d'air dans la cheminée et obtenir les résultats.
Cependant, avant cette étape, les caractéristiques de vitesse et de densité me renseigneront sur la puissance de l’air.
C’est cette puissance qui m’intéresse pour pré-dimensionner le système.
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3.3. Pré-dimensionnement
3.3.1. Choix pour le pré-dimensionnement
Pour effectuer notre pré-dimensionnement, il nous a fallu choisir à partir de quel élément nous pouvions dimensionner
notre système.
Cet élément est l’élément clé qui va engendrer tout le dimensionnement du chapiteau.
Apres réflexion, cet élément, qui est la base de tout le projet est en fait la quantité d’eau dont ont besoin les plantes
pour vivre correctement.
Cependant, cette donnée, d’une part, est très variable suivant le type de plante, et d’autre part, dépend de beaucoup de
paramètres tels que la température de l’air et du sol, du taux d’humidité, de la vitesse de vent et bien d’autres
paramètres. Bien sûr, ces paramètres n’étant pas connus car c’est ce que nous cherchons, pour certains d’entre eux, à
calculer.
Il m’a donc fallu trouver un compromis et réfléchir à partir de quel paramètre dimensionner le système :
- Besoin en eau
- Besoin en électricité
- Puissance du compresseur très basse consommation du groupe froid
- Puissance d’une turbine déjà existante
- Dimension du chapiteau
Comme expliqué précédemment, le dimensionnement à partir du besoin en eau a été écarté.
Un dimensionnement à partir de notre besoin en électricité n’est pas recommandé car ce système n’est pas conçu pour
cette application.
Un dimensionnement à partir de la puissance du compresseur, ou une turbine que nous allons utiliser, reste judicieux
du fait qu’il nécessite une puissance minimale pour générer de l’eau à partir de l’air mais nous préfèrerons utiliser des
éléments spécifiquement conçus pour notre application car il se peut que notre turbine soit complètement différente
des autres turbines ce qui sera surement le cas vu les faibles contraintes mécaniques qui s’exercent sur celle-ci. De plus,
notre groupe froid devra consommer un minimum d’énergie donc on se posera la question suivante : quel type de
compresseur est le mieux adapté pour notre application ?
Nous en concluons donc que notre système sera dimensionné à partir de la taille que nous fixerons au chapiteau.
La question que nous pouvons nous poser directement est la suivante : quel est l’allure et la forme optimale pour notre
chapiteau ?
Il faudrait effectuer des simulations en trois dimensions d’une cheminée en faisant varier la géométrie du système et
ainsi comparer les résultats de vitesse. Cela sera étudier dans notre problème.
On peut d’ores et déjà se douter qu’une forme courbe de la cheminée est la mieux adaptée. Aussi, nous simulerons
plusieurs allures de cheminées pour observer l’effet de celles-ci sur la vitesse de fluide. De plus, pour canaliser le flux
thermique, nous avons placé au centre du collecteur une cavité qui empêchera la stagnation d’un flux thermique au
centre. Cela vous sera expliqué lors de la conception mécanique du système ci-après.
Pour la conception mécanique, la première simulation fut celle d’un chapiteau d’une hauteur de 10m et d’un diamètre
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de 20 mètres.
3.3.2. Puissance électrique nécessaire
La question principale du pré-dimensionnement est de calculer la puissance, récupérable dans la cheminée, engendrée
par le flux thermique naturel. En effet, grâce à cette puissance, nous pourrons savoir si oui ou non la puissance de l’air
est suffisante pour alimenter le condenseur actif.
Mais quelle puissance consomme un groupe froid ?
Cela dépend du type de groupe froid choisi. On peut produire du froid par compression ou par adsorption/absorption.
La deuxième solution consomme beaucoup moins d’énergie que la première mais est aussi plus chère. Ce système a été
expliqué brièvement dans l’état de l’art des technologies utilisées au 2.3.
Quelle est la quantité d’énergie nécessaire pour obtenir une condensation active ou, en d’autres termes, quel énergie
frigorifique doit-on fournir à une surface pour espérer obtenir une condensation ?
Comme expliqué au 2.2.2, pour générer activement de l’eau à partir de l’atmosphère, il nous faut fournir une certaine
puissance.
Grâce aux recherches effectuées sur internet, nous en avons conclu que, pour générer une quantité d’eau raisonnable,
la gamme de puissance d’un générateur d’eau atmosphérique commence à partir d’une puissance électrique d’environ
400W (voir annexe 1) si on utilise un compresseur pour produire du froid. Ce générateur d’eau pourra alors fournir
environ 25 Litres d’eau par jour. Ceci est le cas le plus défavorable donc, pour notre pré-dimensionnement, partons dans
cette optique.
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3.3.3. Puissance électrique récupérable
Comme l’air doit conserver une énergie cinétique
résiduelle pour qu’il subsiste un écoulement, Albert
Betz a démontré que le rendement théorique
maximal d’une turbine à air est d’environ 59%.
D’après des études menées sur la puissance
mécanique récupérable des éoliennes, voir figure ci-
après, nous pouvons dire que la puissance
mécanique maximale récupérable en sortie d’une
turbine à air est d’environ 45% (Cp=0.45) de la
puissance engendrée par le vent (Pvent).
Figure 16 : Courbe des rendements mécaniques des
éoliennes fonctions du ratio Tip-speed qui prend en
compte la vitesse en bout de pale et la vitesse de vent en amont
Sachant qu’il faut prendre en compte les pertes engendrées par la conversion électrique du système, en considérant un
rendement ����� du générateur électrique de 90%, nous pouvons en conclure la puissance électrique instantanée
récupérable dans les meilleures conditions. C’est-à-dire lorsque la turbine tourne à la vitesse minimale pour produire sa
puissance nominale.
Dans notre cas, il n’y a pas de fluctuations « rapides » de la vitesse du vent. Du moins, les fluctuations du flux thermique
sont beaucoup plus faibles du fait de la taille de notre système qui engendre une forte inertie thermique.
Nous pouvons donc dire que l’évolution journalière de la puissance instantanée mécanique récupérable en sortie de la
turbine à air sera une parabole inversée fonction de la température journalière du site si on ne prend pas en compte les
grosses perturbations dues aux nuages.
Si on considère une conversion d’énergie électrique suivi d’un stockage de cette énergie par batterie, il nous faut
prendre en considération les rendements de ces transformations d’énergie.
Considérons un rendement ����� de 90% pour une conversion alternative continue et un rendement �� de charge-
décharge de 90% pour un accumulateur de type Lithium.
On peut ainsi calculer approximativement le rendement global de l’installation sachant que Pmeca vaut Cp*Pvent:
����� = ���� ∗ ������ ∗ ����� ∗ ����� ∗ ��
Soit : ����� = ���� ∗ �� ∗ ����� ∗ ������ ∗ ����� ∗ �� = ���� ∗ 0,48 ∗ 0,9 ∗ 0,9 ∗ 0,9 ∗ 0,9
Soit : ����� = 0,314 ∗ ����
On prendra un rendement global de 30% pour notre système.
Sachant cela, nous savons que pour générer 400W électriques, il nous faudra générer une puissance instantanée de flux
thermique d’environ 1300W.
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3.3.4. Puissance théorique de l’air
Pour effectuer un premier calcul sur la puissance théorique de l’air, nous pouvons partir de l’exemple d’un tube
cylindrique de rayon R dans lequel circule un flux d’air constant. Nous pouvons alors facilement calculer la puissance
cinétique récupérable dans ce tube si nous considérons la masse volumique de l’air constante.
Nous savons que : �� = 0.5 ∗ � ∗ ²
Soit : �� = 0.5 ∗ " ∗ # ∗ ³ = 0.5 ∗ " ∗ $ ∗ %² ∗ ³
Avec : Ec = Energie cinétique du flux d’air et Pc la Puissance cinétique associée
ρ = La masse volumique de l’air dans nos conditions de fonctionnement = 1,146 kg/m³
S = La surface que couvrent les pâles de la turbine en rotation et R le rayon
V = La vitesse linéaire de l’air dans la cheminée
Pour pré-dimensionner notre système, nous pouvons partir dans deux directions. La première est de construire la
cheminée et la simuler pour voir quelle vitesse de vent est récupérable avec ce type de cheminée. La deuxième est de
construire la cheminée en fonction du rayon calculé grâce à une estimation de vitesse. Nous réaliserons les deux
solutions et comparerons nos résultats avec la simulation dynamique de notre système sachant que nous devons
obtenir une puissance de flux thermique de l’ordre de 1300W.
Si on estime qu’un rayon R=1m est suffisant, on peut en déduire la vitesse à obtenir dans le cylindre :
V = 9 m/s
Si on estime une vitesse de vent de l’ordre de 5m/s dans le cylindre, on en déduit le rayon de celui-ci.
R = 2,5 m
Comme vous pouvez le remarquer, ces valeurs sont importantes. La simulation nous en dira d’avantage quant à la
faisabilité de notre système.
Cependant, il ne faut pas oublier que nous avons pré-dimensionné le système à partir d’un compresseur pour produire
du froid donc notre système est très gourmand en énergie.
Nous allons donc simuler ces différents diamètres en fonction de la hauteur de la cheminée.
3.4. Simulation
Les dimensions du chapiteau étant fixées pour notre première simulation, nous pouvons commencer celle-ci.
Cette simulation est très importante pour notre projet du fait que ce prototype n’a jamais été construit. C’est pourquoi
il nous est indispensable de simuler le système pour savoir si celui-ci est réalisable.
De plus, la simulation en trois dimensions est indispensable pour notre projet car c’est la forme de celle-ci qui
engendrera une puissance récupérable importante. Etant donné qu’une simulation précise est nécessaire, nous avons
effectué des recherches dans le but de trouver les logiciels gratuits adaptés à notre système. C’est pourquoi nous nous
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sommes tournés vers un logiciel de conception mécanique par interface graphique dans le but de construire des formes
géométriques simples. Grâce aux autres logiciels, il nous sera permis de simuler la cheminée puis de visualiser les
résultats. De plus, ces logiciels permettent de réaliser des maillages par éléments finis simulables à l’aide de solveur de
résolution de dynamiques des fluides. Comme nous voulons connaître la vitesse du fluide dans une cheminée à trois
dimensions, nous avons fait appel à ces types de logiciels. Ces derniers sont censés prendre en compte le rayonnement
solaire. Cependant, l’université Charles Darwin n’a pu me donner accès à un système d’exploitation 64bits. J’ai dû faire
mes simulations sur des anciennes versions de logiciels.
Cependant, avant d’entreprendre une simulation, il nous savoir si nous pouvons utiliser une symétrie quelconque pour
simplifier la conception mécanique du système.
C’est pourquoi, une pré-étude de la cheminée est nécessaire dans le but de présenter nos hypothèses.
3.4.1. Hypothèses
Premièrement, il nous faut connaître la nature de l’écoulement dans la cheminée. Celui-ci sera soit laminaire, soit
turbulent.
Pour prouver la nature de l’écoulement, nous devons calculer le nombre de Reynolds de la cheminée solaire.
Une fois la nature de l’écoulement déterminé, nous en saurons plus sur les hypothèses que nous pourrons réaliser.
Pour ce calcul, on considère l’air à la pression atmosphérique dans toute la cheminée. De part la taille de cette dernière
et du fait que nous supposons l’écoulement incompressible dans la cheminée solaire, nous pouvons d’ores et déjà savoir
que la pression atmosphérique ne variera que très peu.
Nous savons que : %� = ∗ & ∗ " ' ⁄ = 1.2*10^5
Avec : Re = Nombre de Reynolds (sans dimension)
V = Vitesse du fluide qui traverse la section de la cheminée = 1 m/s (nous prendrons cette valeur car il parait
logique que la vitesse de fluide soit faible. De plus, plus on augmente la valeur de la vitesse du fluide, plus le système
devient turbulent donc ce paramètre ne changera pas le résultat de notre conclusion sur la nature de l’écoulement dans
la cheminée)
L = Longueur caractéristique du diamètre de la cheminée = 2 m
ρ = Densité de l’air = masse volumique de l’air sec à environ 35°C = 1.146 kg/m³
μ = Viscosité dynamique de l’air à environ 35°C et à 0,101 M.Pa ( 1 atm) = 19 μPa.s
L'expérience montre que la distribution de vitesse universelle est aussi applicable pour la description d'un écoulement
turbulent dans un tube circulaire à parois lisses pour des nombres de Reynolds suffisamment élevés ce qui est notre cas.
Selon le laboratoire d’ingenierie numerique de l’EPFL en Suisse, nous vous présentons la distribution de la vitesse
turbulente dans un tube circulaire de rayon y.
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Figure 17 : Distribution de la vitesse turbulente dans un tube circulaire et variable y correspondante.
Résultat obtenu grâce à un cours de dynamique des fluides de l’école polytechnique fédérale de Lausanne EPFL.
Selon le même laboratoire, pour la valeur de notre nombre de Reynolds (1,2*10^6 => n = 10), le profil de vitesse
approximative (u) de la forme : )
*+= (
-
.)
0 12 avec Uc = Vitesse au centre du tube et a = rayon
La symétrie de vitesse est donc possible dans le cylindre.
De plus, pour notre étude, nous faisons les hypothèses suivantes :
- On considère une température de l’air extérieur constante et égale à 35°C.
- On considère un vent extérieur nul partout dans le but de ne pas avoir de déséquilibre dans la cheminée et
d’obtenir une vitesse de flux d’air symétrique.
- On considère qu’il n’y a pas d’ombre sur la cheminée engendrée par un nuage, un arbre, une montagne ou
la cheminée elle-même pour que la variation de température soit symétrique à l’intérieur de cette dernière.
Le soleil est donc à son zénith et le restera au cours des simulations.
- On considère le sol à une température constante et différente de la température à l’intérieur de la serre.
- On considère que les plantes dans le collecteur ne gênent pas le flux thermique.
- L’écoulement d’air est suposé incompressible et permanent car nous souhaitons observer le régime
permanent du système (température et vélocité ne varient « plus ») étant donné que nous ne pouvons pas
modéliser la convection naturelle.
3.4.2. Conception mécanique
Le logiciel utilisé pour la conception mécanique du chapiteau fut Salome v3.2.9.
La conception mécanique de notre système fut une partie longue et complexe. En effet, après la fabrication de tout un
chapiteau, je me suis rendu compte que celui-ci ne pouvait être maillé en surface de part une forme non fermée et
géométriquement non conforme à la réalisation d’un maillage volumique.
De plus, grâce aux tutoriaux des logiciels de simulation mécanique et de dynamiques des fluides, j’ai pu comprendre
l’intérêt d’utiliser une symétrie si, bien sûr, on peut appliquer cette hypothèse. C’est pourquoi, je me suis donc orienté
vers la conception du huitième du chapiteau pour profiter de cette symétrie. J’ai choisi de modéliser le huitième de la
cheminée solaire pour des raisons de simplicité de calculs géométriques des coordonées cartésiennes pour la
conception de chaque point et des arcs de cercle.
Le module de maillage de Salome maille le système par élément tétraédrique ou plus. De plus, on ne peut former que
des hexaèdres en éléments volumiques de formes simples ce qui induit que notre système doit être fabriqué en une
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somme d’hexaèdre. C’est pourquoi la conception mécanique m’a posé un certain nombre de problème.
La conception mécanique du système se compose de points pour former les lignes et les arcs de cercle. Ces lignes et
arcs de cercle sont utilisés pour former les surfaces à quatre angles. Ces surfaces sont utilisées à leur tour pour former
les hexaèdres. Bien sûr, pour résoudre les problèmes de conception de l’hexaèdre de la cheminée centrale, celle-ci a été
divisée en deux parties dont l’une contient la partie centrale (le volume cônique central) destinée à canaliser le flux d’air
vers le haut de la cheminée. L’autre partie correspond à la cheminée elle-même dont la face côté centre, qui devrait
être une ligne parfaite au vu de la symétrie appliquée, a été remplacé par une surface plane de très faible largeur pour
pouvoir créer ce dernier hexaèdre.
La conception est donc formée de 3 hexaèdres.
Nous avons alors choisi de construire une cheminée de forme octogonale pour pouvoir construire ces hexaèdres. La
forme octogonale de la cheminée reflète la réalité dans le sens ou la cheminée est ouverte sur 360°.
Figure 18 : Vue d’ensemble du chapiteau créé sous Salome
Une des parties les plus importantes et indispensables fut de créer des groupes dans le but d’appliquer les
caractéristiques requises par le logiciel de simulation de dynamique des fluides. En effet, celui-ci requiert des surfaces
spécifiques communément appelées sous le nom de : entrée de fluide, sortie de fluide, symétrie et paroi.
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Figure 19 : Nature des parois de la cheminée à caractériser pour compléter la simulation thermique
Nous pouvons créer autant de surface que l’on souhaite pour chacune de ces parties, le but étant, par la suite de les
nommer correctement tout en restant cohérent. Plus on aura de surface donc de groupe, plus on pourra appliquer
précisément à celles-ci les paramètres que l’on souhaite si cela est, bien sûr, nécessaire. Une dernière étape sous
Salomé fut donc de créer des partitions dans le but de découper les surfaces en plusieurs parties et d’appliquer les
paramètres désirés.
Figure 20 : Vue précise des hexaèdres et des partitions du chapiteau
Apres avoir réalisé la pièce, nous avons pu enfin réaliser le maillage.
Nous avons choisi d’appliquer un maillage tétraédrique :
- 3D : chaque volume est donc un tétrahèdre et est calculé grâce à un algorithme de tétrahédialisation du
module de maillage de Salome (tétrahedron netgen)
- 2D : chaque face de ce volume est un triangle (mefisto)
- 1D : Chaque trait est discrétisé avec une longueur maimale (MaxSize) égale à 0,2m
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Nous avons choisi une longueur maximale de discrétisation égale à 0,2m pour obtenir un maillage fin.
Le nombre de volume calculés par le mailleur varie entre 50000 à 80000 suivant la géométrie de la cheminée solaire.
Nous avons aussi essayé de mailler notre composant grâce à un « Netgen 1D 2D 3D » qui maille plus précisemment les
parties fines (centre de la cheminée). En choisissant un maillage fin, le nombre de volume est élevé ce qui engendre une
bonne précision dans nos résultats. Cependant, les résultats sont identiques et pour mailler aussi précisemment les
volumes des centres de chaque hexaèdre qu’avec le type de maillage précédent, il nous faut paramétrer des valeurs
très fines ce qui engendre souvent des erreurs dans la compilation du maillage.
Figure 21 : Vue générale du maillage appliqué à notre solide
Une fois le maillage compilé, nous pouvons à nouveau créer nos groupes pour caractériser notre maillage. En effet, ce
dernier doit contenir les informations sur la nature des éléments qui le composent.
Une fois le maillage réalisé puis exporté au format MED, nous pouvons enfin simuler de manière dynamique le système.
3.4.3. Simulation dynamique
La simulation dynamique a été réalisée sous Code Saturne v1.3.1. C’est un logiciel de résolution de dynamique des
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fluides gratuit sous la plate-forme Linux.
Comme il vous a été expliqué, n’ayant pu avoir accès à un système d’exploitation 64bits, toutes les simulations ont été
réalisées avec d’ancien logiciels ce qui implique que le rayonnement solaire n’a pu être pris en compte. J’ai donc
contourné ce problème en simulant des corps rayonnant autour de la cheminée solaire. La simulation dynamique a donc
été réalisée à l’aide de valeurs de températures et de caractériques de milieu. Ce sont donc nos premières hypothèses
pour obtenir nos premiers résultats. Il nous faudra demander l’avis des ingénieurs thermiques pour valider ou non ces
hypothèses.
Une fois le maillage exporté, nous avons pu le simuler dynamiquement en ayant, au préalable, rentré tous les
paramètres, fait appel au préprocesseur du logiciel, configuré les groupes, initialisé le système, rentré les valeurs des
conditions aux limites ainsi que d’autres paramètres à régler tels que le mode de turbulence, les caractéristiques du
fluide ou encore les scalaires de température additionnels.
La première étape fut d’importer le maillage au format adéquat. Nous avons choisit de travailler avec le format MED car
il est compatible entre Salome et Code Saturne.
La deuxième étape est d’appeler le pré-processeur de Code Saturne pour que celui-ci vérifie la conception et importe les
groupes de notre système.
Ensuite, nous choisissons de renseigner un scalaire de température en degré Kelvin. Cela nous permettra de fixer les
conditions aux limites de notre système.
Il nous faut fixer les caractéristiques du fluide circulant dans la cheminée telles que la pression, la densité volumique, la
viscosité, la chaleur spécifique et la conductivité thermique. Nous avons choisit de simuler le système avec des valeurs
constantes (les lois de variations vous seront exposées dans les améliorations de la simulation dynamique).
Voici les valeurs choisies pour chacun de ces paramètres : (Voir annexe 2 et sources internet)
- Pression atmosphérique = P = 1013 hPa
- Masse volumique = ρ = 1,146 kg/m³ à 35°C.
- Conductivité électrique = λ = 0,0262 W/m/K à 1 atmosphère.
- Viscosité = 1,884.10⁻⁵ kg/m.s à 308,15K (=35°C)
Pour une pression inférieure ou égale à la pression atmosphérique, on a avec une précision de ±2%
- Chaleur spécifique = Cp = 719 J/kg/K car on choisit de faire l’hypothèse d’une chaleur massique à volume
constant.
Pour finir cette étape, il nous faut initialiser le vecteur gravité. Dans notre cas, il est initialisé sur l’axe Z à -9,81 m/s².
Passons maintenant à l’initialisation du système.
Les conditions initiales :
Ensuite, il nous faut initialiser chaque volume du système. On choisit d’initialiser une vitesse de fluide, sur
chaque cellule du maillage, de 0,01 m/s sur l’axe X ainsi qu’un vecteur turbulent de 0,01 m/s. De plus, chaque
cellule du maillage est initialisée à la température minimale de 35°C (308,15K).
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Comme mentionné précédemment, nous avons fixé une plage de variation de température dans la cheminée. Cette
plage est la suivante : Tmin = 35°C = 308,15K et Tmax = 40°C = 313,15K.
En effet, nous savons déjà que la température à l’intérieur de la cheminée ne dépassera que très rarement la valeur de
40°C. De plus, la température de l’air extérieur étant de 35°C, la température à l’intérieur de la cheminée ne pourra être
inférieure dans les conditions de l’étude.
On caractérise ensuite la nature des parois telles que l’entrée, la sortie, les murs et les symétries (inlet, outlet, wall,
symetry).
Le logiciel Code Saturne fixe les conditions aux limites des symétries (conservation du flux et de la température).
La prochaine étape est de fixer les conditions aux limites à l’entrée, la sortie et les murs de la cheminée solaire.
Pour fixer les conditions aux limites, nous sommes partis dans le but de recréer les caractéristiques d’un modèle de
simulation. Pour cela, nous avons utilisé les résultats de Mr. Tayebi Tahar [1] qui a étudié le processus de convection
naturelle laminaire dans une cheminée solaire. Vous pouvez visualiser la simulation suivante à la page 52 de son
mémoire.
Figure 22 : Simulation réalisée par Tayebi Tahar : Isothermes d’une cheminée 2D avec un nombre de Rayleigh égale à
1000. Ce nombre caractérise la puissance de transfert de chaleur par convection.
Comme expliqué précédement, les rayonnements solaires traversent le collecteur et réchauffent le sol. Le sol restitue
cette chaleur comme étant la source de chaleur elle-même.
C’est pourquoi, nous simulerons le sol comme source de chaleur à une certaine température pour retrouver les
conditions de cette simulation. De plus, nous faisons l’hypothèse, comme pour cette simulation que le nombre de
Rayleigh de notre cheminée est supérieur à la valeur critique de 2000 qui caractérise un mode de transfert par
convection naturelle comme prépondérant.
On peut maintenant fixer les conditions aux limites du système.
Les conditions aux limites :
Pour l’entrée (inlet) :
Pour simuler ce phénomène de convection naturelle, nous posons une condition initiale de vitesse égale
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à 0.1 m/s. Cela signifie qu’un phénomène de convection naturelle est constamment présent dans
l’enceinte et que celui-ci engendre un flux thermique de 0,1 m/s. On fixe la condition aux limites de
tempérarure en entrée à 35°C soit 308,15K. En effet, comme on peut apercevoir sur la simulation
précédente, la température en entrée est égale à la température extérieure.
Pour la sortie (outlet) :
Seule une condition aux limites de température fut imposée pour la sortie de la cheminée solaire.
Comme expliqué précédement, nous avons fixé la température à la sortie égale à la température
extérieur de 35°C soit 308,15K.
Pour les murs (wall) :
Pour imposer les conditions aux limites des parois, nous avons fait le choix que les sources de chaleur
soient le sol et la face conique du centre de la cheminée. Nous avons renseigné les paramètres utiles
pour simuler ce transfert de chaleur. L’émissivité de matériau ainsi que sa conductivité thermique, son
épaisseur et les températures externes et internes ont du être renseignées.
Nous nous sommes donc orientés vers une différence de température de 2°C entre la température
extérieure et le sol de la cheminée solaire. Pour toutes les simulations, les surfaces du collecteur sont à
une température de 35°C. La température du sol de la cheminée solaire a donc été fixée à 37°C.
Pour le sol, nous avons choisit :
o Emissivité = 0,9
o Conductivité thermique = 2 W/m/K
o Epaisseur du sol = 0,1 m
o Température intérieure = 37°C (température fixée selon nos hypothèses)
o Température extérieur = 35°C (Conformément au graphique ci-après et aux autres graphiques sur
le site web (voir référence internet), on choisit de soustraire 2°C par rapport à la température de
l’air au niveau du sol lorsque le soleil est au zénith)
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Figure 23 : Evolution de la température de l’air et du sol provenant d’une station météo en Haute-Savoie.
Pour la surface conique :
o On choisit une émissivité eau (0,95) + plastique (entre 0,85 et 0,95) (car le cône est une sorte de
ballon rempli d’eau) égale à 0,9 car ces matériaux ont tous les deux une émissivité proche de 0,9
o Sachant que λeau = 0,6 W/m/K et λplastique = 0,22 W/m/K, on obtient une conductivité
thermique totale = 1/(1/0,6+1/0,22) = 0,16 W/m/K. On a un mur série donc on aditionne les
résistances thermiques.
o On choisit une épaisseur moyenne de 0,1m
o La température intérieure sera fixée à 37°C
o On considère la température de l’eau homogène et le régime permanent atteint soit Tint=37°C
Pour les autres parois qui sont la toile du collecteur, nous avons renseigné les conditions aux
limites suivantes :
Flux thermique = 0 m/s, Température = 35°C (soit 398,15K) et Emissivité moyenne = 0,9
En effet, comme nous ne connaissons toujours pas le matériau choisi pour le collecteur, nous avons
calculé une émissivité moyenne entre verre (=0,92) et plastique (entre 0,85 et 0,95).
Une fois les conditions aux limites fixées, il nous faut régler le pas de calcul et le nombre d’otérations. Après plusieurs
simulations, nous avons remarqué que le régime permanent est atteint en environ 50 s. C’est pourquoi, nous avons
simulé notre système sur un espace de temps de 50s avec un pas de calcul de 1 s grâce à 50 itérations.
On sélectionne les paramètres que nous souhaitons simuler et on peut envisager la simulation de la cheminée solaire.
Après avoir sélectionné le fichier de démarrage de la simulation, on obtient les résultats après calculs de l’ordinateur
dans un fichier au format MED que l’on pourra visualiser grâce au post-processeur de Salome.
Ci-après, vous sont présentés les résultats de plusieurs simulations réalisées avec toutes les hyptohèses et conditions
présentées auparavant.
3.5. Résultats
Une fois la simulation dynamique réalisée, il nous a fallu récupérer le code généré et l’exporter au format « MED » pour
ensuite observer les résultats sous Salome grâce à l’interface « post-processeur ».
Cette interface permet d’afficher les résultats de la simulation du maillage sous forme graphique. Le résultat le plus
important est, bien sûr, la vitesse et la direction du flux d’air au centre de la cheminée.
Comme énoncé précédemment, on considère une température homogène initiale de 35°C répartie dans toute la
cheminée. On se place donc à l’instant précédent le début de la convection naturelle. La convection naturelle est créée
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par le vecteur vitesse fixé à l’entrée du système.
On souhaite simuler le flux d’air présent dans la cheminée pour obtenir la norme du vecteur vitesse.
On souhaite aussi observer l’évolution de la température au sein de la cheminée.
Les résultats sont présentés pour plusieurs allures de chapiteaux.
Chaque modèle mécanique a donc été construit et maillé sous Salomé puis simulé sous Code Saturne et visualisé grâce
au post-processeur de Salome.
La valeur du rayon donné pour la cheminée sera précisée pour chaque cas.
La direction du vecteur vitesse dans chaque cheminée est du bas vers le haut ce qui est absolument nécessaire de
savoir.
3.5.1. Cheminée : H=10m et Collecteur : R=10m
Le premier modèle simulé a été conçu dans le but de rendre ce système accessible au maximum de personnes de par
ses dimensions. En effet, la hauteur de la cheminée ne dépasse pas 10 mètres et le diamètre du collecteur est égal à 20
mètres. La cheminée est conique ; son diamètre de base est d’environ 5 mètres et le diamètre du sommet est égal à 2
mètres. La hauteur du collecteur croit légèrement ; sa hauteur aux extrémités est de 1,5 mètre jusqu’à atteindre environ
2,5 mètres avant de rencontrer la cheminée.
Figure 24 : Evolution de la température dans la cheminée solaire de hauteur 10m et d’un collecteur de 20m de
diamètre
On remarque un profil de température presque identique à celui étudié précédemment à la figure 22.
Comme précisé, la différence de température n’excède pas 2°C entre le sol et la sortie de la cheminée solaire.
Sylvain LEROY
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Observons maintenant le profil de la vitesse du fluide.
Figure 25 : Evolution de la vitesse du flux d’air dans la cheminée solaire de hauteur 10m et d’un diamètre de
collecteur de 20m
Comme vous pouvez observer, le haut de la cheminée se rétrécie. C’est à cet endroit que la section de la cheminée est
la plus petite donc c’est ici que le flux d’air sera le plus important.
On observe une vitesse d’environ 2,5m/s en haut de la cheminée sur un diamètre de 2m (n’oublions pas la symétrie).
Calculons la puissance du flux d’air récupérable :
� = 0.5 ∗ " ∗ $ ∗ %² ∗ ³ = 0,5 ∗ 1,146 ∗ 3,14 ∗ 1 ∗ 2,5³ = 28 6
On remarque que cette vitesse n’est pas du tout acceptable si nous souhaitons alimenter un groupe froid comme nous
l’avons précédemment expliqué. En effet, nous obtenons une puissance récupérable particulièrement faible.
Cependant, rappelons que nous imposons une vitesse à l’entrée de 0,1m/s et que si la convection naturelle entraine un
flux d’air plus important, alors nous pourrons récupérer bien plus de puissance.
De plus, dans ce cas-ci, il nous faudra placer l’aérogénératuer en haut de la cheminée pour bénéficier de la puissance
maximale ce qui compliquera la mise en place de celui-ci ainsi que sa maintenance.
Nous avons donc décidé d’agrandir le diamètre du collecteur pour la prochaine simulation.
3.5.2. Cheminée : H=15m et Collecteur : R=15m
Nous souhaitons maintenant étudier une cheminée solaire de hauteur 15m et d’un diamètre de collecteur égale à 30m.
On observera l’effet de la géométrie de la cheminée sur la norme du vecteur vitesse. Pour cela, nous étudierons 3
géométries dans cette partie.
Nous commencerons la première simulation par une cheminée droite. En effet, les cheminées déjà construites sont
Sylvain LEROY
41
droites.
La cheminée droite possède un diamètre de base d’environ 5 mètres et un diamètre du sommet égal à 5 mètres. La
hauteur du collecteur croit légèrement de 1,5 mètre aux extrémités jusqu’à atteindre environ 2,5 mètres avant de
rencontrer la cheminée.
Figure 26 : Evolution de la vitesse du flux d’air dans la cheminée solaire de hauteur 15m et d’un diamètre de
collecteur de 30m ; la chéminée est droite.
On remarque sur cette figure que la vitesse maximale est atteinte au centre de la cheminée et au début de celle-ci.
En effet, comme sur la simulation présentée par Tayebi Tahar [1], le flux maximal est au début de la cheminée. Cela
vous sera montré par la suite lors des comparaisons.
On observe une surface de flux maximal très petite (environ 1m de rayon). Nous savons d’ores et déjà que la puissance
récupérable sera très faible. Nous prendrons les mimimaux et maximaux de vitesse pour faire le calcul moyen
approximatif de la puissance. Le calcul n’est qu’approximatif mais à la vue du résultat, il n’est pas nécessaire que celui-ci
soit précis.
� = 0.5 ∗ " ∗ $ ∗ %² ∗ ³ = 0,5 ∗ 1,146 ∗ 3,14 ∗ (1 ∗ 1,557 + 1,5² ∗ 1,157) = 12 6
Ce qui est encore moins que la cheminée précédente. Nous savons cependant une chose ; l’évolution de la norme du de
la vitesse du flux d’air correspond aux simulations de Tayebi Tahar [1] comme expliqué par la suite.
De plus, comme précédemment, le flux d’air en entrée est très faible (0,1m/s) ce qui nous montre que même avec une
vitesse très faible à l’entrée (et avec bien sûr une convection naturelle présente), nous pouvons récupérer de la
puissance.
Nous sommes partis sur des valeurs de vitesse d’entrée de fluide très faible pour ne pas trop s’enthousiasmer quand à la
valeur des résultats. En effet, ne sachant pas si une convection naturelle peut se créer, nous préférons rester très
critiques sur la valeur de la puissance récupérable dans la cheminée.
Sylvain LEROY
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Etudions maintenant la géométrie conique de cette cheminée et observons les résultats.
La cheminée conique possède un diamètre de base d’environ 5 mètres et un diamètre du sommet égal à 2 mètres. La
hauteur du collecteur croit légèrement de 1,5 mètre aux extrémités jusqu’à atteindre environ 2,5 mètres avant de
rencontrer la cheminée.
Voici le graphique de vitesse que l’on obtient grâce au post-processeur de Salome.
Figure 27 : Evolution de la vitesse du flux d’air dans la cheminée solaire de hauteur 15m et d’un diamètre de
collecteur de 30m ; la chéminée est conique.
Pour ce modèle, on remarque que la vitesse maximale atteinte dans la cheminée est de 5m/s. Bien sûr, nous souhaitons
bénéficier du meilleur produit vitesse³*rayon². On remarque que la plage de rendement maximum (le produit
vitesse³*rayon² est maximal) se situe entre 5 et 10 mètres de hauteur.
Calculons la puisance du flux d’air cans la cheminée :
� = 0.5 ∗ " ∗ $ ∗ %² ∗ ³ = 0,5 ∗ 1,146 ∗ 3,14 ∗ 1 ∗ 5³ = 224 6
Cependant, cette puissance n’est toujours pas acceptable et ne correspond pas à nos attente mais on remarque la
puissance récupérable dans cette cheminée est bien supérieur à celles calculées précédemment.
Une troisième géométrie est étudiée. En effet, nous voulons observer l’effet de la géométrie du haut de la cheminée.
La cheminée qui s’élargie possède un diamètre de base d’environ 5 mètres et un diamètre du sommet égal à 6 mètres.
La hauteur du collecteur croit légèrement de 1,5 mètre aux extrémités jusqu’à atteindre environ 2,5 mètres avant de
rencontrer la cheminée.
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Figure 28 : Evolution de la vitesse du flux d’air dans la cheminée solaire de hauteur 15m et d’un diamètre de
collecteur de 30m ; la chéminée s’élargie.
Au vu de cette simulation, nous comprenons qu’il est inutile d’élargir la cheminée. En effet, cela engendre l’effet inverse
que nous souhaitions.
On peut considérer que la valeur maximale de la norme du vecteur vitesse est environ 1,15 m/s au centre de la
cheminée. Le rayon à cet endroit mesure environ 2,5m.
Calculons la puissance récupérable :
� = 0.5 ∗ " ∗ $ ∗ %² ∗ ³ = 0,5 ∗ 1,146 ∗ 3,14 ∗ 2,5² ∗ 1,15³ = 17 6
On n’en conclut que nous pouvons oublions cette géométrie.
Pour la simulation suivante, nous avons donc décidé d’agrandir le diamètre du collecteur. En effet, la surface d’entrée
étant plus grande, le flux d’air de 0,1m/s entrainera une vitesse plus importante à la sortie.
3.5.3. Cheminée : H=15m et Collecteur : R=25m
Pour observer l’effet de l’agrandissement de la surface du collecteur, nous avons décidé de simuler un diamètre de
50m.
Nous avons gardé la géométrie de cheminée sur laquelle nous pouvons récupérer un maximum de puissance, c'est-à-
dire la géométrie de la cheminée conique.
La cheminée conique possède un diamètre de base d’environ 5 mètres et un diamètre du sommet égal à 2 mètres. La
hauteur du collecteur croit légèrement de 1,5 mètre aux extrémités jusqu’à atteindre environ 2,5 mètres avant de
rencontrer la cheminée.
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Figure 29 : Evolution de la vitesse du flux d’air dans la cheminée solaire de hauteur 15m et d’un diamètre de
collecteur de 50m ; la chéminée est conique.
On remarque que la norme du vecteur vitesse atteint environ 8m/s (ou plus) au cœur de la cheminée.
On remarque sur cette simulation que la norme du vecteur vitesse en entrée est de 0,05m/s.
Calculons la puissance du flux d’air récupérable dans la cheminée :
� = 0.5 ∗ " ∗ $ ∗ %² ∗ ³ = 0,5 ∗ 1,146 ∗ 3,14 ∗ 1 ∗ 8³ = 920 6
Cette puissance de flux d’air commence à devenir intéressante. En effet, comme expliqué auparavant, avec une telle
puissance cinétique, nous pouvons environ générer le tiers en puissance électrique soit 300W.
N’oublions pas aussi que le groupe froid du générateur d’eau atmosphérique ne fonctionne pas tout le temps. De
manière générale, ceux-ci fonctionne à environ 50% du temps.
Cependant, pour notre modèle, nous ne savons pas si le constructeur parle de puissance instantanée ou puissance
moyenne. Là n’est pas la question car nous savons très bien que nous n’utiliserons pas ce type de condenseur actif et
que les chiffres fournis servent à titre indicatif.
On en conclut que cette géométrie est la plus avantageuse d’un point de vue puissance instantanée récupérable.
Encore faut-il que la convection naturelle se crée ce qui ne parait pas surréaliste.
L’étude de la convection naturelle fera donc l’objet d’une nouvelle étude grâce à la modélisation du rayonnement
solaire.
Nous pouvons maintenant comparer nos résultats.
3.5.4. Comparaison
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La comparaison de nos résultats permettra de valider ou non notre modèle. Bien sûr, aucune étude en trois dimensions
d’un tel système n’a été réalisée. C’est pourquoi nous comparerons nos résultats avec un modèle en 2 dimensions.
Cette étude est le résultat d’une thèse, c’est pourquoi la simulation est plus précise que la nôtre. Cependant, les formes
des cheminées diffèrent quelque peu donc nous ne pourrons pas comparer exactement nos résultats avec cette
simulation. De plus, le modèle précédent n’est simulé que sur 2 dimensions donc il ne prend pas en compte
physiquement le rétrécissement de volume donc l’accélération naturelle des particules duent au rétrécissement de la
section de la cheminée. Aussi, c’est un écoulement laminaire qui fut étudié alors que nous savons fort bien, comme
démontré précédement, que l’écoulement est turbulent pour notre petit système.
La simulation suivante a été réalisée par Tayebi Tahar [1] qui a étudié le processus de convection naturelle laminaire
dans une cheminée solaire. Vous pouvez visualiser cette simulation à la page 57 de son travail de thèse.
Figure 30 : Simulation du vecteur vitesse d’une convection naturelle laminaire dans une cheminée solaire
On observe sur cette simulation que la norme maximale du vecteur vitesse se situe en plein cœur de la cheminée.
Ces résultats confirment la simulation de notre cheminée « droite ».
Cependant, on ne peut pas en conclure que les simulations des cheminées « coniques » reflètent la réalité étant donné
que nous ne simulons pas la convection naturelle.
N’ayant aucun résultat théorique ou pratique sur lesquels je peux comparer mes résultats, je ne pourrai estimer le
poucentage d’erreur de mes simulations.
3.5.5. Meilleur cas de figure
Le meilleur cas de figure est donc la cheminée « conique » avec un large collecteur. Celle-ci, d’après nos résultats, serait
capable de générer un flux d’air de 8m/s en haut de la cheminée avec nos hypothèses et nos conditions. N’oublions pas
que la norme du vecteur vitesse à l’entrée de la cheminée est de l’ordre de 0,05m/s ce qui est relativement faible.
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Nous pourrons espérer que le phénomène de convection naturelle entrainera une vitesse du fluide plus importante en
entrée. Cela devra faire l’objet d’une autre étude plus complète.
Cependant, avec à nos résultats, nous pouvons croire à la faisabilité d’un tel projet. Pour la vérifier totalement, nous
pourrons essayer de proposer des améliorations dans la simulation du système. Ces améliorations vous seront
présentées par la suite.
On peut essayer de calculer un rendement approximatif de la cheminée solaire.
En partant sur une base de rayonnement solaire de 1000W/m² qui est le rayonnement solaire moyen sur terre, on peut
grâce à un calcul de surface déterminer le rendement théorique du système.
Considérons les 2 surfaces du bas de la cheminée solaire car ce sont elles qui retransmettent toute la chaleur au sol. Ce
sont donc ces deux surfaces à prendre en compte.
Ces surfaces sont approximées par des trapèzes. Nous aurons donc 2 trapèzes.
Grâce à un calcul des côtés de chaque trapèze, on peut déterminer la surface de captation du rayonnement solaire.
La figure suivante nous montre les dimensions des côtés des trapèzes.
Figure 31 : Dimensions de la plus grande cheminée
#��:�� �;�� é�é��� == + >1
2∗ ? +
>1 + >2
2∗ � = 237,6 �²
#��:�� ��� = 8 ∗ #��:�� �;�� é�é��� = 1900�²
Soit Pray, la puissance totale générée par le rayonnement solaire sur la cheminée :
��@ = 1900 ∗ 1000 = 1,9 ∗ 10A 6
Si nous générons 400W d’électricité, on en déduit un rendement instantané pour cet état de :
Sylvain LEROY
47
� B�C (����� = 4006) = �����/��@ = 0,02 %
Soit un rendement très faible ce qui était à prévoir vu la surface utilisée par le système.
3.6. Etude des autres parties du système
Une fois les simulations réalisées, une étude des différentes parties du système peut être envisagée si les résultats sont
favorables à la réalisation d’un tel système. Une fois les résultats établis, on remarque que la puissance électrique
récupérable dans la cheminée est relativement faible de l’ordre 300W.
Les résultats étant mitigés, nous avons décidé d’étudier les autres parties les plus importantes du système pour savoir si
nous devons combiner des technologies peu gourmandes en électricité comme la machine frigorifique à sorption avec
une turbine à air.
Les éléments à étudier sont les condenseurs passif et actif ainsi que la turbine.
Une des questions que l’on peut se poser est aussi la suivante : Est-il nécessaire de fabriquer une cheminée pour
produire une telle puissance (de l’ordre de quelques centaines de Watt) alors que celle-ci peut être produite par
quelques panneaux solaires ?
L’utilite de la cheminée est non seulement de permettre la récupération de l’énergie cinétique du flux d’air pour
produire de l’électricité mais aussi pour augmenter la surface du condenseur passif ce qui augmentera la production
d’eau. De plus, celle-ci permet la croissance de plantes de saison ainsi qu’une récupération de l’eau de pluie. De plus, ce
système simple de réalisation, s’il fonctionne, fonctionnerait de manière autonome ce qui est un atout considérable
pour des milieux isolés. Pour ce qui est de l’environnement, ce système ne pollue que lors de la fabrication de ses
éléments. Certes, la pollution est décentralisée mais n’existe qu’une fois. On peut donc considérer que ce système est
renouvelable.
Tous ces avantages ne sont pas négligeables pour certaines personnes, c’est pourquoi, c’est un projet qui se doit d’être
étudié plus précisément jusqu’à être conçu physiquement dans le but d’obtenir des résultats réel. En effet, simuler
autant de paramètres qui sont la variation météorologiques (rayonnement solaire, mauvais temps, ombre, directions du
vent, perturbations turbulentes…), les variations physiques du terrain, la croissance de plantes, la convection naturelle
créée dans l’enceinte et la condensation active lorsque la turbine fonctionne ainsi que la condensation passive pendant
la nuit, demande un travail considérable et chaque phénomène à simuler pourrait représenter peut-être le travail d’une
thèse.
3.6.1. Le condenseur passif
La couverture du chapiteau requiert des qualités très particulières.
En effet, celle-ci doit allier les propriétés d’un condenseur passif et d’un concentrateur de chaleur.
Nous ne savons pas si cela est réalisable.
C’est pourquoi des recherches ont été effectuées dans le but de trouver un matériau et des solutions permettant
d’obtenir les résultats que l’on souhaite. Nous savons bien que le type de matériau, la couleur, l’opacité et l’émissivité
Sylvain LEROY
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du matériau choisis vont jouer un rôle fondamental.
Condensation de l'eau :
- Le matériau doit posséder une bonne émissivité (pour le refroidissement nocturne, l’émissivité du corps
rayonnant sur 8 – 13 μm suffit selon le travail réalisé par Owen Clus [2]) pour pouvoir se sur-refroidir par
rapport à la température de l’air.
- La surface doit être hydrophile (condition nécessaire) pour favoriser la nucléation et la récupération par
gravité d’eau liquide. La condensation en film favorise l’écoulement et la récupération de l’eau condensée.
- Les composants doivent être agréés pour être en contact avec des produits alimentaires car l’eau récoltée
est destinée à être consommée (par les plantes et peut-être par les humains). Bien qu’il n’y ait pas
stagnation de l’eau, son écoulement ne doit pas dissoudre ou entraîner de composés toxiques.
Concentrateur de chaleur :
- Le matériau doit posséder des propriétés optiques telles qu’une faible réflexion (la réflexion correspond aux
pertes de l’énergie des photons donc de chaleur) donc un fort indice de réfraction, une forte transmittance
en lumière transmise (directe ou diffuse) et une faible absorption (le matériau doit être transparent) ainsi
que des caractéristiques thermiques spécifiques pour pouvoir accumuler la chaleur et chauffer l'air donc
faire fonctionner la tour solaire.
Dans tous les cas, le matériau doit résister à la photo-dégradation sous l’action du rayonnement ultraviolet (UV) et à
l’abrasion (applications en extérieur et en toitures ou au sol).
La différence fondamentale entre une serre et notre collecteur est la forte émissivité de la toile de notre collecteur pour
pouvoir se sur-refroidir fortement par rapport à la température ambiante pendant la nuit. Il nous faut donc trouver un
matériau adapté.
Sachant que le spectre d'absorption d'un élément est exactement le complémentaire du spectre d'émission, il nous faut
donc trouver au moins un des deux spectres des matériaux choisis.
Cependant, les spectres infrarouges moyens (30 à 1,4µm) des matériaux sont particulièrement difficiles à trouver.
De toute façon, ce type de matériau qui combine toutes les caractéristiques décrites précédemment n’existe pas.
Il nous faut ainsi combiner plusieurs matériaux pour obtenir le collecteur adéquat.
Cela fait l’objet d’une nouvelle étude.
Cependant, nous pouvons calculer approximativement la production d’eau théorique par condensation passive.
En effet, si nous partons d’une base de 0,3litres/m²/nuit de production d’eau pendant une nuit entière, nous pourrons
alors ainsi récolter grâce à notre surface de 1900m² :
F��Bé �;�� = 0,3 ∗ 1900 = 570 �B��C/��B
Si on ajoute les 30 litres d’eau potentiellement pruduits par le condenseur actif, on peut espérer obtenir 600 litres d’eau
par jour.
Bien sûr, après ce calcul, il est ligitime de se demander s’il est nécessaire d’utiliser un aérogénérateur et un condenseur
actif pour générer 30 litres d’eau par jour.
L’utilisation de ce système de condensation active présente un avantage. Si la quantité d’électricité générée au cours de
Sylvain LEROY
49
la journée est supérieur à la demande du condenseur actif, alors on pourra alimenter ce dernier jusqu’à épuisement des
batteries et peut être même fournir constamment de l’eau.
De plus, la production d’eau théorique de la condensation passive se base sur un condenseur passif plan. Le nôtre ne
l’est pas pour éviter la convection sur l’extérieur de la toile du collecteur. En effet, cette convection risque d’assécher le
condenseur passif. Comme notre collecteur est haut (jusqu’à 4,5m), il sera fortement sujet au vent naturel présent
autour de lui. C’est pourquoi certaines nuits, il n’y aura pas ou très peu de condensation passive.
On en conclut que les deux types de condenseurs sont utiles.
Bien sûr, on pourrait par exemple se servir du condenseur actif pour générer de l’eau potable. Il faudrait alors filtrer
cette eau.
3.6.2. L’aérogénérateur
On utilisera une seule turbine à axe verticale au cœur de la cheminée pour diminuer les couts de fabrication ainsi que
pour faciliter la mise en œuvre de conception et la maintenance.
Elle devra produire environ 400W comme vu précédemment.
Le régime nominal devra être obtenu pour une vitesse d’environ 5 à 10 m/s d’après les résultats de la simulation de la
plus grande cheminée.
Cependant, n’oublions pas la limite matérielle et de la technologie des aérogénérateurs actuels.
Sachant pertinament qu’à faible vitesse de vent la puissance récupérable est très limitée, il nous faut encore trouver un
aérogénérateur adéquat à ces conditions de fonctionnement. Aujourd’hui, il existe des aérogénérateurs qui démarrent
à faible vitesse de vent comme par exemple le modèle « Honeywell WindTurbine Model WT6500 » (voir annexe 3).
D’après la documentation du constructeur, celle-ci peut délivrer une puissance de 535W à une vitesse de rotation du
rotor de 8,5m/s.
Le diamètre du rotor mesure 1,82m. Ce diamètre est adaptable sur notre cheminée. Reste à savoir s’il est facile de
coupler ce système à notre cheminée. N’oublions pas que l’aérogénérateur étudié est à axe horizontal.
Cette nouvelle technologie d’aérogénérateur semblant convenir, seul le prix nous laisse dubitatif.
Bien sûr, le régime nominal est atteint pour des vitesses de 14m/s. C’est pour cela qu’il nous faut modéliser la
convection naturelle au sein de la cheminée pour savoir si nous pouvons atteindre une telle vitesse.
Si ce n’est pas le cas, il nous faudra alors utiliser cet aérogénérateur hors de sa plage de fonctionnement ou concevoir
un modèle dont la plage de fonctionnement nominal sera en concordance avec les vitesses obtenues dans la cheminée.
Celle-ci devra aussi démarrer avec des faibles vitesses de vent.
3.6.3. Le groupe froid
Si, comme vu précédemment, l’aérogénérateur fournit environ 500W d’électricité, nous pouvons utiliser un
compresseur pour générer du froid. Et nous pouvons utiliser un générateur d’eau atmosphérique mais bien sûr différent
que celui proposé en annexe 1. En effet, ce dernier utilise un module de chauffage ainsi qu’un module de sur-
Sylvain LEROY
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refroidissement de l’eau qui consomment énormément d’électricité. De plus, une filtration de l’eau est présente ce qui
ne nous intéresse pas à première vue.
Notre condenseur actif de petite taille n’existe pas, c’est pourquoi il faudra le dimensionner entièrement.
De plus, nous savons que la gamme de puissance de fonctionnement d’une machine frigorifique à sorption commence à
partir de 400W d’après nos recherches. C’est pourquoi, nous pourrons utiliser ce type de machine pour produire du
froid si on souhaite consommer encore moins d’électricité.
Ceci fera l’objet d’une autre étude.
3.6.4. La partie architecturale
Nous n’irons pas sans dire que toute la partie architecturale ne pourra pas être étudiée.
Cependant, en étudiant ce genre de système, une bonne question aurait été soulevée :
Quelle est la possibilité et le coût de mise en œuvre d’une telle forme de chapiteau avec un condenseur en
polyéthylène par exemple?
Notre idée aurait été d’utiliser une structure centrale simple en forme de colonne. Ce système basique serait facilement
mis en place.
Cependant, il faut penser à la prise au vent du système.
Bien sûr, il est nécessaire d’avoir une certaine légèreté du profil de la serre pour une meilleure luminosité tout en
gardant une charpente solide résistante aux charges telles que le vent ou la neige.
Ceci fera l’objet d’une autre étude.
3.7. Discussion
3.7.1. Améliorations
Nous avons réfléchi à quelles améliorations apporter pour la simulation de la cheminée.
Améliorations pour la simulation :
Construire un chapiteau la forme la plus circulaire possible en construisant un polygone de 64, 128 voire 256 cotés si
nous souhaitons que notre cheminée solaire soit circulaire.
Modéliser le rayonnement thermique et simuler le système sur une journée grâce à des données météorologiques.
Simuler la condensation passive du condenseur.
Couplage avec le logiciel de thermique des solides pour modéliser le sol et le condenseur
Nous pouvons proposer des améliorations dans la simulation dynamique. Etant donné que nous n’avons pu nous
concentrer sur ces lois de variations par manque de temps et manque de maîtrise des logiciels, nous souhaitons quand
Sylvain LEROY
même proposer ces solutions.
Pour la pression de l’air p, on néglige la variation horizontale car on considère notre cheminée
plat. La variation verticale est d’environ 1mbar (1 hPa) tous les 10 mètres. La pression atmosphérique, notre pression de
référence, étant de 1013,25 hPa. Elle augmentera d’une unité par pas de 10 mètres.
On choisit la loi de Charles qui relie la pression d’un gaz réel en fonction de la température à volume constant.
Le volume d’air varie très peu car la toile de la cheminée solaire est tendue.
calculer le volume de la cheminée « gonflée
permettrait de prendre en compte la variation de volume.
Si on considère un volume constant, on pourra utiliser la relation suivante
Pour la conductivité thermique λ en W/m/K avec la température T en Kelvin
Pour la viscosité μ, nous avons choisit d’utiliser la loi de Sutherland
Avec les valeurs initiales μ0 = 1,711⋅10-5 Pa.s et T
Pour la masse volumique ρ en kg/m³
Pour la chaleur spécifique Cp en J.
Grâce à ces modèles, la convection naturelle pourra être prise en compte et nous pourrons déterminer alors le f
solaire minimal entrainant la convection naturelle.
, on néglige la variation horizontale car on considère notre cheminée
plat. La variation verticale est d’environ 1mbar (1 hPa) tous les 10 mètres. La pression atmosphérique, notre pression de
référence, étant de 1013,25 hPa. Elle augmentera d’une unité par pas de 10 mètres.
lie la pression d’un gaz réel en fonction de la température à volume constant.
Le volume d’air varie très peu car la toile de la cheminée solaire est tendue. Une bonne simulation serait de
gonflée » et calculer le volume de la cheminée avec la toile détendue. Cela
permettrait de prendre en compte la variation de volume.
Si on considère un volume constant, on pourra utiliser la relation suivante :
�1
H1 �2
H2
en W/m/K avec la température T en Kelvin
, nous avons choisit d’utiliser la loi de Sutherland :
Pa.s et T0 = 273,15 K. Température de Sutherland = S = 110,4 K
en kg/m³ avec T en °C :
.kg − 1.K – 1 avec T, la température en Kelvin :
à ces modèles, la convection naturelle pourra être prise en compte et nous pourrons déterminer alors le f
solaire minimal entrainant la convection naturelle.
51
, on néglige la variation horizontale car on considère notre cheminée sur un terrain
plat. La variation verticale est d’environ 1mbar (1 hPa) tous les 10 mètres. La pression atmosphérique, notre pression de
lie la pression d’un gaz réel en fonction de la température à volume constant.
Une bonne simulation serait de
» et calculer le volume de la cheminée avec la toile détendue. Cela
= 273,15 K. Température de Sutherland = S = 110,4 K
à ces modèles, la convection naturelle pourra être prise en compte et nous pourrons déterminer alors le flux
Sylvain LEROY
52
3.7.2. Autres solutions
La mise en œuvre d’un tel système est donc, comme on vient de vous le montrer, difficile d’un point de vue faisabilité.
De plus, outre ses avantages qui ont déjà été renseignés, ce système possède quelques inconvénients comme son
encombrement. En effet, la taille de ce système reste imposante de par ses dimensions. De plus, il nécessite beaucoup
de matériel actif comme l’aérogénérateur, le condenseur actif et les batteries. De plus, la position de l’aérogénérateur
peut poser des problèmes d’installation si on veut le placer au sommet de la cheminée. Bien sûr, le plus gros défaut de
ce système est la faible production d’électricité donc la faible production de quantité d’eau par condensation active.
On peut donc penser rajouter des panneaux solaires pour compenser le besoin en electricité du groupe froid.
On pourrait aussi ajouter une éolienne génératrice d’eau comme expliqué au 2.2.2. Elle permettrait ainsi une
récuperation d’eau importante ainsi que la production d’électricité nécessaire pour générer encore de l’eau ou de
l’électicité.
Une autre solution serait de n’utiliser que des panneaux solaires qui alimenteraient le groupe froid. On n’utiliserait,
dans ce cas, pas de cheminée mais simplement un condenseur passif en tant que « toile » pour la serre.
Une dernière solution serait d’oublier la cheminée et de n’utiliser qu’un condenseur passif avec aucun système
électrique. Il s’agirait simplement de récuperer l’eau du condenseur actif et l’eau de pluie et protéger les plantes tout en
leur permettant une croissance optimale.
En effet, au cas où une étude montrera que ce type de cheminée solaire est difficilement concevable, il reste encore ces
solutions de combinaisons d’énergie renouvelables pour combler les carences en électricité ou en eau du système. Et si
celui-ci est malheureusement irréalisable, il reste des solutions sans cheminée.
Par manque de temps, je ne pourrai étudier ces propositions dans le cadre de ce projet de fin d’étude. Cependant, je
pourrai toujours les étudier avec des personnes intéressées par la question et spécialistes dans ces domaines.
3.8. Suite du projet
Mon professeur, Jai Singh, supervisant ce projet en Australie fut très intéressé par ce projet de par son originalité. Ce
dernier m’a même proposé de réaliser une thèse au sein de son équipe une fois mon projet présenté en France.
En effet, ce projet mérite une modélisation plus précise et peut-être touverai-je les réponses que je cherche.
Ce dernier m’a aussi proposé d’essayer de trouver des financements dans le but de fabriquer un système réel.
Nous pourrons alors valider ou non le modèle théorique et savoir définitivement si ce projet est réalisable.
Sylvain LEROY
53
4. Conclusion
Au cours de mon stage de fin d’étude, j’ai voulu étudié une cheminée solaire de petite taille pour le particulier
permettant une production d'eau et d'électricité.
En effet, l’étude de ce système, d’un point de vue économique, représente une perspetive intéressante pour des pays
où l’eau se fait de plus en plus rare. En effet, ce générateur d’eau autonome rendra possible la culture de plantes en
sites aride très isolés.
Mon système hybride consiste à utiliser un générateur d'eau atmosphérique alimenté par un aérogénérateur. L’énergie
cinétique du flux d’air sera convertie en énergie mécanique par les pâles de la turbine. Cette énergie mécanique sera
convertie en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice. Cette génératrice alimentera à son tour le
générateur d’eau atmosphérique qui jouera le rôle d’un condenseur actif.
Le collecteur, quant à lui, sera constitué d'une toile en tissu (sorte de polythylène ou autre matériau non défini) qui
permettra un sur-refroidissement par rapport à la température de l’air et deviendra ainsi un condenseur passif lorsque
les conditions le permettent (la nuit et tôt le matin).
Pour résumé, le but est de créer de l'eau et de l'électricité pour alimenter respectivement des plantes et le générateur
d'eau atmosphérique.
Le surplus d'électricité, s'il existe, sera stocké à l’aide de batteries.
Mon système n'est pas comme les autres systèmes de grande envergure ou les personnes souhaitent produire une
quantité faramineuse d'électricité pour alimenter en énergie cette planète aux besoins de plus en plus gourmands mais
plutôt d'alimenter en eau, la ressource fondamentale, une cheminée solaire qui, nous l’espérons, permettra de devenir
autonome, ou presque, en eau. Cette eau sera réservée pour l’agriculture étant donné qu’on ne souhaite pas la filtrer.
Le but du stage fut donc de simuler un flux d’air dans une cheminée solaire pour obtenir la vitesse maximale dans celle-
ci. Cela nous a permis de calculer la puissance cinétique instantanée théorique et en déduire la quantité d’électricité
que peut fournir un tel système.
Ce stage m’a ainsi permis de développer mes propres idées, mes propres convictions et donc de prendre des initiatives
quand à l’élaboration complète d’un projet jamais pensé auparavant. Il m’a permis de ressentir la joie de découvrir un
nouveau système, des doutes quant à l’élaboration de celui-ci et des difficultés quant à l’étude du système global. Il m’a
aussi permis d’effectuer de nombreuses recherches dans la littérature scientifique pour établir une simulation et de
trouver les logiciels adéquats.
Etudier un tel système ne peut qu’être bénéfique pour la future carrière que j’entreprends. En effet, apprendre à
maitriser des logiciels inconnus, en un temps minime, me montre qu’un ingénieur doit être capable de tout et ce, même
si le domaine étudié n’a jamais été expérimenté auparavant.
Pour réaliser le pré-dimensionnement, il m’a fallu faire des recherches sur les équations thermiques régissant le
système. Cela m’a permis de me familiariser avec les sciences de l’ingénierie thermique.
Enfin, voulant étudier le système sous toutes ses formes, j’ai compris que travailler seul sur un projet d’une telle
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envergure, fut un travail très long et fastidieux. En effet, au fur et à mesure de mon avancée, j’ai dû faire des recherches
pour soulever chaque question qui naissait. C’est pourquoi, le projet fait appel à de grandes connaissances dans chaque
domaine. Et c’est pourquoi, chacun des experts en son domaine devra se plonger au cœur du problème pour résoudre
chaque question fondamentale quant à la modélisation complète et à la réalisation d’un tel système.
Bien sûr, le but ultime d’un tel projet serait d’obtenir un flux d’air permanent à l’entrée de l’aérogénérateur pour
obtenir une production d’électricité et d’eau continue ce qui n’est pas possible pour un système de cette taille.
Le but final de ce projet, je vous le rappel, n’étant pas de chercher à produire un maximum d’électricité, ni une quantité
d’eau phénoménale, mais plutôt de récupérer ces deux derniers dans le but de trouver un compromis entre production
d’électricité et d’eau nécessaires à un ou plusieurs particuliers ou même à une production agricole intensive.
Cela ne pourra être vérifié que de manière expérimentale.
Comme me l’a proposé Jai Singh, l’étude de faisabilité de ce type de cheminée solaire se doit d’être continuée vu la
nouveauté de ce système. Ce dernier m’a donc proposé de continuer le sujet vers une thèse et tenter de trouver des
financements pour construire un modèle réel permettant ainsi de vérifier les résultats.
Il ne tient donc qu’à moi de continuer ce projet en tant que thèse dirigée par Jai Singh au sein de l’Université Charles
Darwin en Australie ou peut-être ailleurs.
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5. Revue bibliographique
[1] : Tayebi Tahar a étudié le processus de convection naturelle laminaire dans une cheminée solaire - 2010
[2] : Owen Clus a étudié les condenseurs radiatifs de la vapeur d’eau atmosphérique (rosée) comme source alternative
d’eau douce - 2010
Lawrence Stubbs : Passive evaporative cooling towers - 2006
Sources Internet :
http://www.cryonie.com/wp-content/uploads/2010/01/cheminee-solaire.jpg (Cheminée solaire)
http://greenfutur.free.fr/index.php/201003242768/une-tour-du-vent-pour-produire-de-l-electricite.html (Cheminée
solaire)
http://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser) (Condensation)
http://www.crit.archi.fr/produits%20innovants/FICHES/rosee/realisations%20rosee.html (Condensation passive)
http://www.cham.co.uk/PUC/PUM_London/.../University_of_Corsica.ppt (Condensation passive)
http://tiwen.inde.over-blog.com/ (Condensation passive)
http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator (Condensation active)
Valeurs des caractéristique des fluides et des solides, loi d’évolution des paramètres :
http://www.raytek.com/Raytek/fr-r0/IREducation/EmissivityNonMetals.htm (emissivité)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Air (Caractéristiques de l’air)
http://www.meteo-sciez.com/wxmeteostat.php (Caractéristiques météo)
http://www.meteo-
sciez.com/charts/meteochart.php?date=28.06.2011&date2=&compscale=yes&m1=temp_i&m2=tempsoil1&m3
=temp_e&m4=none&ascale=no&minmax=yes&action=Voir+graphique&period=day
http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp (Caractéristiques de l’air)
http://ielnx1.epfl.ch/e-lin/Ryhming/documents/chapters/documents_published/doc8/node316.html (Caractéristiques
de l’air)
http://ielnx1.epfl.ch/e-lin/Ryhming/documents/chapters/documents_published/doc6/node226.html (Ecoulement
turbulent)
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ANNEXES
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Annexe 1 : Caractéristique d’un générateur d’eau atmosphérique
Générateur d’eau atmosphérique : Numéro de modèle. RHC-77XK (B)
Refroidissement Puissance. 380W
Température de l’eau froide. 4-10DC
Température d’eau chaude. 75-93DC
Type de réfrigérant. R134A/330g (écologique)
Capacité de production. 28L/24H avec écran tactile numérique et l’onduleur compresseur (30DC, 80% d’humidité)
Capacité de stockage. 20L
Réservoir SS bas (acier inoxydable). 2.82L (maximum) et 1.8L (en vigueur)
Réservoir d’eau purifiée. 16L
Réservoir de froid. 1.6L
Température. 15′C-40′C
Plage d’humidité. 35% -95%
Niveau de bruit. <60dB
Poids net. 50kgs
Poids brut. 53Kgs
Taille de la machine. 40 * 52.5 * 111cm
Taille d’emballage Carton (CM). 43.5 * 55.5 * 115cm
Taille d’emballage Contreplaqué (cm). 46.5 * 58.5 * 117.8cm
Certificat. Approbation CE pour l’unité et à l’approbation de test de l’eau
1. L’économie d’énergie de 25 ~ 30% dans l’eau coolin. G.
2. Moins de bruit lors de la température ambiante faible et faible condition relative météorologiques d’humidité.
3. Peut réduire le niveau sonore en ajustant la fréquence, mais sactifice un litre d’eau par la production de 5 dB, la
réduction maximale de 10 dB.
4. Point de rosée inférieur de 14 degrés C (machine peut encore générer de l’eau lors de la température ambiante
inférieure afin d’améliorer la capacité globale, compresseur régulière a un point de rosée de 19 degrés, la machine va
commencer à dégivrage lorsque atteignant 19 degrés au niveau et donc pas d’eau va générer, avant fin de dégivrage) \
5. Plus la durée de vie du compresseur.
Inconvénients Inverter compresseur.
1. Coûts de fabrication plus élevés, car une spéciale de haute technologie inverter circuit et a nommé la marque du
compresseur (Mitsubishi).
2. 2. Niveau de température plus bruyant à une humidité relative élevée et température ambiante
Le générateur d’eau atmosphérique est une machine à la température de l’humidité et entraînée. Cela signifie que la
machine dépend entièrement du niveau d’humidité dans l’air et la température pour produire de l’eau. Idéalement, le
niveau d’humidité doit être d’au moins 50% ou plus pour atteindre une performance optimale de la machine.
Model No:. RHC-77XKB
Productivité: 500PCS/Mouth
Code SH: 8418699090
Marque: RuiHer
Min. Ordre: 50PCS
Chemin de refroidissement: refroidissement par compresseur
Style pour purificateur: Cabinet
Style pour Distributeur: Au sol
Type de Purificateur: osmose inverse
Température de l’eau: froide et chaude
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Annexe 2 : Caractéristique de l’air
La masse volumique de l'air ρ (rho) décrit quelle masse d'air est contenue dans un mètre cube d'air. Elle se mesure en
kilogrammes par mètre cube (kg/m3). Au niveau de la mer, l'air subit une pression importante de la part de la masse
d'air au-dessus de lui. L'air y est donc assez dense : 1,2 kg/m3 à 20 °C.
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Annexe 3 : Caractéristiques d’aérogénérateurs
Aérogénérateur à faible vitesse de démarrage à axe horizontal :
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On pourrait par exemple installer ce type d’aérogénérateur à axe vertical dans le sens du flux d’air.
La version pour notre système devra être plus petite et démarer pour une vitesse de vent inférieur à 3m/s.
Le problème est la gravité sur ce genre d’adaptation qui va augmenter le couple de démarrage de l’éolienne.
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Aérogénérateur à axe vertical :
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Annexe 4 : Caractéristique du condenseur idéal :
Quel est le condenseur idéal ?
Il s'agit d'un condenseur passif qui ne nécessite pas d'apport d'énergie pour le refroidissement. Ce modèle nous a
permis de définir pourquoi les capteurs imposants de Zibold, Chaptal et de Knapen ont échoué : une petite surface
d'irradiation et une grande surface de contact avec le sol.
Sans entrer dans le détail des calculs, il est facile de comprendre que le gigantisme des condenseurs impose une grande
inertie thermique. De fait, la température du condenseur se calque quasiment sur celle du lieu. La condensation ne peut
se faire que dans la journée, lorsque l'écart en température entre maçonnerie et atmosphère est suffisant pour que la
surface d'échange du condenseur atteigne le point de rosée.
De tels condenseurs ne peuvent se refroidir durant la nuit car le processus de refroidissement le plus efficace, par
radiation, ne peut se faire pleinement.
Toutes choses égales par ailleurs (notamment les données climatologiques), le rendement est surtout fonction de la
surface d'irradiation, qui permet le refroidissement, et de l'inertie thermique.
Le rendement chute vertigineusement lorsque le rapport masse/surface s'élève.
C'est le cas des condenseurs massifs du type Chaptal ou Knapen.
Pour des rapports plus faibles, le rendement maximum est imposé par le flux radiatif : c'est le cas « idéal ». De par sa
structure en empilement qui n'autorise que de faibles contacts thermiques entre galets, le condenseur de Zibold est
intermédiaire entre ces deux cas limites, ce qui explique son relatif succès.
Les théories modernes sur la formation de la buée, l'équivalent de la rosée, permettent de cerner le capteur « idéal ».
C'est celui qui a une masse minimum, permettant un refroidissement nocturne rapide par effets radiatifs. A titre
d'exemple, une prairie recouverte d'herbes (condenseur « idéal ») aurait permis la récupération de 0,5 litre d'eau par
mètre carré.
