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3ème I.C.M’2017 Annaba 26-27 Avril 2017
Utilisation de la procédure standard ‘puissance de cuisson’ pour tester un
cuiseur solaire de type boîte trapèze expérimenté sous climat aride
Fatiha YETTOU(1), Amor GAMA(1), Boubekeur AZOUI(2), Ali MALEK(3), Abdelfateh BELAID(1), Hakim
MERARDA(1)
(1) Unité de Recherche Appliquée en Energies Renouvelables, URAER, Centre de Développement des Energies
Renouvelables, CDER, 47133, Ghardaïa, Algeria (yettou.t@gmail.com)
(2) Laboratoire de Recherche LEB, Département d’Electrotechnique, Université Hadj Lakhdar, Boukhlouf Med
ElHadi, Batna, Algeria
(3) Centre de Développement des Energies Renouvelables, CDER, 16340 Algiers, Algeria
Résumé :
La conception, le développement et l'évaluation des performances thermiques d'un cuiseur solaire boîte
trapèze à surface réceptrice inclinée (CSBSRI) est présenté dans le présent article. Une chaîne
d'acquisition de données équipée de divers instruments de mesure est installée pour le contrôle du
système. Les profils thermiques des différentes composantes du cuiseur ont été mesurés au site saharien
de Ghardaïa pour différentes conditions climatiques durant la saison hivernale et estivale. L'analyse des
performances du cuiseur solaire est évaluée au moyen de la puissance de cuisson ajustée, qui ; se situant
dans l’intervalle des Normes du Standard de Funk, met le cuiseur réalisé dans la gamme des Standards
Internationaux. Les tests expérimentaux entrepris démontrent que le cuiseur proposé, avec une surface
d’ouverture inclinée ; améliore considérablement les performances thermiques du cuiseur solaire, il est
de ce fait adapté à la cuisson des aliments en été et en hiver où la hauteur du soleil est faible.
Mots clés : Energie solaire, Cuiseur solaire boîte, Performances thermiques, Puissance de cuisson.
1. Introduction
Les cuissons traditionnelles sont néfastes pour l'environnement et participent à l'aggravation de la
pollution et le réchauffement de la planète, elles utilisent souvent des énergies fossiles dont les stocks
ne sont pas illimités, les cuissons au bois contribuent à la déforestation dans certaines régions. Environ
2 milliards de personnes ; soit un tiers de l’humanité, cuisine à l’aide du feu de bois et vit dans des
régions favorables à l’exploitation de l’énergie solaire. Selon l’ONU, deux tiers de la population
mondiale, c'est-à-dire deux milliards de personnes, souffrent du manque de bois [1]. Selon l’FAO, au
minimum 100 millions souffrent déjà de la famine, de la pauvreté et du déclin du niveau de vie. Dans
les zones menacées par la déforestation, les efforts de protection échouent quand les gens n’ont pas
d’alternative à la cuisson au feu de bois.
A l'heure de la prise de conscience massive des effets du réchauffement climatique, il est primordial de
considérer l'énergie solaire comme l'une des alternatives possibles aux combustibles fossiles [1]. La
cuisson solaire est l’une des applications possibles de cette énergie. Cette application constitue une réelle
solution pour limiter la déforestation et l’utilisation abusive des énergies fossiles qui contribue à
l’aggravation des problèmes des émissions des gaz à effet de serre. Chaque cuiseur solaire peut sauver
une tonne de bois par an dans les régions ensoleillées mais arides et peut donc à cet effet éviter le
dégagement d’une grande quantité de gaz à effet de serre. C'est pourquoi l'utilisation d'un cuiseur solaire
peut s'avérer être la solution la plus écologique pour la cuisson des aliments. Un simple cuiseur solaire
est composé d’une boîte isolée, d’une vitre et d’un réflecteur, ce qui permet de poursuivre les variations
saisonnières de la position du soleil.
De par sa situation géographique, l’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus importants du
monde. La durée d’insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000 heures
annuellement et atteint les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara). L’énergie reçue quotidiennement sur
une surface horizontale de 1 m² est de l’ordre de 5 kWh sur la majeure partie du territoire national, soit
près de 1700 kWh/m²/an au Nord et 2263 kWh/m²/an au Sud du pays [2]. Ce sont des conditions
climatiques très favorables pour toutes les applications de l'énergie solaire plus spécialement la cuisson
résidentielle, en particulier; si on considérons que la demande algérienne globale à l'énergie pour la
cuisson est prévue d’augmenter considérablement avec l'augmentation de la population au cours des
2
prochaines années et sachant que la demande actuelle est couverte par l'utilisation du gaz naturel (villes)
et par le bois des forêts dans les zones rurales et isolées [3].
Après l’état de l’art des différents types de cuiseurs solaires [4], un cuiseur solaire boîte trapèze à surface
réceptrice inclinée (CSBSRI) a été développé et réalisé à l’Unité de Recherche Appliquée en Energies
Renouvelables (URAER) de Ghardaïa [5], et l’évaluation de ces performances est effectué suivant les
Normes Indienne de Mullick et al. [6] et en terme d’analyse thermodynamique [7].
Dans le présent travail, différents tests expérimentaux ont été réalisés et leurs résultats respectifs sont
analysés suivant la procédure du Standard International de Funk [8] afin de déterminer la puissance de
cuisson du cuiseur réalisé ; qui est un paramètre indicateur clef des performances thermiques du cuiseur
solaire. Les tests ont été entrepris au niveau du site de Ghardaïa sous différentes conditions climatiques
et durant plusieurs jours de l’année (hiver/été), divers conditions de fonctionnement (avec/sans charge)
ont été pris en considération avec diverses configurations du réflecteur (sans, avec réflecteur).
2. Etude théorique et expérimentale
2.1 Analyses des performances thermiques d’un cuiseur solaire
Il est connu que le rendement thermique d'un cuiseur solaire de type boîte dépend des paramètres
climatiques tels que l’éclairement solaire, la température ambiante, la vitesse du vent …etc., ainsi que
des paramètres propre au design conçu tel que les matériaux utilisées pour l’isolation, les propriétés de
la plaque absorbante, le nombre de vitrage et l'utilisation des miroirs réflecteurs. Le test et l’évaluation
des performances thermiques des cuiseurs solaires sont nécessaires pour la caractérisation de ces
dispositifs, leurs résultats fournissent une base de comparaison avec différents autres modèles. Mullick
et al. [6] ont développé une procédure de test thermique pour les cuiseurs solaires boîtes. Selon cette
procédure, une méthode d'essai complète suivant la Norme IS13429 : 2000 est disponible pour le test de
ces systèmes [9]. Suivant cette Norme, deux principaux tests sont effectués (un test de stagnation et un
test de chaleur sensible) pour la détermination des deux paramètres de performance thermique (figures
of merits, F1 et F2) sur la base des relevés des profils thermiques sans tenir compte de l'effet du miroir
réflecteur. La Norme indienne IS13429 [9] propose des limites normalisées pour les valeurs inférieures
de F1 et F2, qui sont 0.12 et 0.40 pour une charge de 8 kg/m², respectivement. En outre, une méthode de
test des cuiseurs solaires a été également suggérée par Funk et al. [8, 10] ; Suivant ce Standard, les
performances des cuiseurs solaires sont déterminées par deux paramètres, à savoir, la puissance de
cuisson ajustée (Padj) et le coefficient total de pertes thermiques (UL).
Selon la procédure du Standard International développé par Funk [8], les performances thermiques des
cuiseurs solaires peuvent être évaluées à partir des relevés des profils des températures, la puissance de
cuisson P du cuiseur solaire peut être calculée quand une masse d'eau bien déterminée est maintenue à
l'intérieur de l’ustensile de cuisson et le cuiseur solaire est mis en service selon certaines conditions
décrites dans le Standard de Funk [8]. Et comme l'eau va se réchauffer durant le fonctionnement, sa
température moyenne est surveillée et relevée pendant une durée de temps de 10 min durant un intervalle
particulier (
t
= 600 s). Quand la température de l’eau atteint les 95 °C ou quand 4 heures de temps
sont écoulés du début du test, l’expérimentation est arrêtée (l’une ou l’autre des deux conditions est
satisfaite). La puissance moyenne délivrée durant cet intervalle est exprimée par la formule suivante :
t
TTmC
Pwiwf
w
p
(1)
Funk [8] a également introduit le terme: puissance de cuisson ajustée ou standardisée Padj, afin de faciliter
la comparaison entre les divers designs de cuiseurs solaires sous différentes intensités d’éclairements,
la puissance de cuisson ajustée est donnée par l’équation (2), où
s
I
est l’éclairement solaire moyen, In
est l’éclairement solaire standardisé à 700 W/m².
s
n
adj I
I
PP
(2)
Selon les tests de ce Standard (Protocole), la vitesse du vent doit être inférieure à 1 m/s et la température
de l'eau à l’intérieur des pots de cuisson doit être relevée entre 40 et 90 °C. La température ambiante et
l’éclairement solaire doivent être compris entre 20 à 35 °C et 450 à 1100 W/m², respectivement. Pour la
3
surface d’ouverture du cuiseur, 7 kg d'eau /m² doit être réparti uniformément dans les ustensiles. La
surface d’ouverture du cuiseur est définie comme la somme de la surface des réflecteurs et la surface
d’ouverture du cuiseur projetée sur le plan perpendiculaire à l’éclairement direct normal.
2.2 Description du cuiseur solaire boîte trapèze
Basé sur une conception mécanique du cuiseur boîte utilisant le logiciel Solid Works, nous avons réalisé
un premier prototype à l’URAER, Ghardaïa (Fig. 1).
Figure 1 : Schéma et dimensions du cuiseur solaire boîte trapèze à surface réceptrice inclinée (CSBSRI).
Figure 2 : Vue du cuiseur solaire boîte trapèze à surface réceptrice inclinée (CSBSRI) réalisé à l’URAER, Ghardaïa : (a)
orientation du cuiseur suivant une saison hivernale ; (b) orientation du cuiseur suivant une saison estivale.
Le cuiseur réalisé a les dimensions suivantes : 500 mm x 400 mm x 445 mm x 125 mm, muni des
caractéristiques suivantes : un boîtier en bois ; des surfaces intérieures réfléchissantes (miroirs) ; une
isolation entre les miroirs et le boîtier avec la laine de verre ; une plaque absorbante en Aluminium
teintée en noir ; une surface réceptrice vitrée, incliné de 32° (latitude de Ghardaïa) et des réflecteurs
extérieurs additionnels (miroirs). L’orientation du cuiseur suivant le soleil et l’ajustement adéquat des
réflecteurs seront réalisés manuellement à des intervalles de temps réguliers. Le design final réalisé est
illustré sur la (Fig. 2) avec une configuration hivernale (Fig. 2.a) et une configuration estivale (Fig. 2.b).
2.3 Mesures expérimentales
Le contrôle du comportement thermique du cuiseur solaire nécessite un suivi régulier des températures
à plusieurs points du cuiseur durant son fonctionnement (Fig. 3.a). Pour cela, divers capteurs sont utilisés
pour la mesure des températures, liés à une unité d’acquisition de données [11]. D’autres dispositifs sont
nécessaires tel qu’un pyranomètre pour la mesure de l’éclairement solaire global, direct et diffus, une
4
station météorologique professionnelle pour la mesure de la vitesse, la direction du vent et l’humidité.
Les données collectées ; en temps réel, sont affichées sous forme numérique et graphique (Fig. 3.b) et
sauvegardées sur un fichier qu’on peut importer sur Excel.
Figure 3 : Chaîne de mesure et acquisition de données : (a) implémentation des capteurs de mesure ; (b) affichage des
températures acquises.
3. Méthode adoptée et résultats obtenus
3.1 Procédure standard ‘puissance de cuisson’
Dans notre précédent travail [12], les performances thermiques du cuiseur solaire boîte trapèze à surface
réceptrice inclinée (CSBSRI) ont été comparées aux performances d’un cuiseur solaire boîte
conventionnel à surface réceptrice horizontale, en utilisant la procédure de test Standard de Mullick et
al.[6], dans laquelle deux paramètres de performance (figures of merits, F1 et F2) ont été déterminés sur
la base des relevés des profils thermiques sans (test de stagnation) et avec charge d’eau (test de chaleur
sensible) et sans tenir compte de l'effet du miroir réflecteur. Construit avec les même matériaux et ayant
une surface globale égale, le nouveau design de cuiseur avec surface inclinée avait démontré de
meilleurs performances thermiques par rapport au cuiseur ordinaire. La première et la deuxième figure
of merit du cuiseur amélioré était de 0.15 et 0.47, respectivement ; contre 0.13 et 0.38 pour le cuiseur
ordinaire.
Afin de prendre en considération l'effet du miroir réflecteur sur les performances du cuiseur solaire boîte
trapèze à surface réceptrice inclinée réalisé, la puissance de cuisson ajustée (Padj) est calculée selon la
procédure du Standard International de Funk [8].
Figure 4 : Expérimentation de la puissance de cuisson du CSBSRI réalisé en un jour clair d’hiver en Février 2014 : (a)
variations journalières de l’éclairement direct normal et des températures de l’eau mesurées avec utilisation du réflecteur ; (b)
puissance de cuisson ajustée en fonction de
T
.
5
Figure 5 : Expérimentation de la puissance de cuisson du CSBSRI réalisé en un jour clair d’été en Juin 2014 : (a) variations
journalières de l’éclairement direct normal et des températures de l’eau mesurées avec utilisation du réflecteur ; (b) puissance
de cuisson ajustée en fonction de
T
.
Des tests sont réalisés durant plusieurs jours clairs d'hiver et d’été de l’année 2014. La surface
d'interception calculée de notre cuiseur avec son réflecteur additionnel est de 0.266 m², à cet effet, la
charge de l'eau pour le test de puissance de cuisson est prise égale à 2 kg réparti uniformément sur deux
ustensiles. Lors de chaque test, les températures de l'eau dans les deux pots ainsi que l'intensité de
l’éclairement solaire et la température ambiante ont été enregistrés durant l’intervalle de temps allant de
10h00 du matin à 16h00 l’après-midi (ALT).
La (Fig. 4.b) représente le profil thermique des températures pour un test réalisé durant le mois d'hiver
à Ghardaïa (2 Février 2014), la (Fig. 5.a) est une représentation des profils des variables du test du mois
d'été (25 Juin 2014). Les valeurs de puissance de cuisson ajustée en fonction de la différence de
température entre l’eau et l’ambiance
T
sont représentées pour le test d’hiver et d’été sur la (Fig. 4.b)
et (Fig. 5.b), en utilisant les profils thermiques des résultats obtenus de la (Fig. 4.a) et (Fig. 5.a);
respectivement, et les équations (1) et (2).
3.2 Discussion des résultats
A partir des courbes de puissance de cuisson ajustée ; qui sont des droites linéaires, les valeurs de
puissance de cuisson initiale Pini (à
T
= 0 °C, interception avec l’axe des Y), de puissance de cuisson
standardisée Padj (à = 50 °C) et du coefficient de perte de chaleur (pente de la courbe linéaire) ont été
obtenus. Les relations suivantes sont déduites pour notre cuiseur solaire boîte réalisé :
T 0.9611 - 96.706Padj
, pour le test d’hiver
(3)
T 1.6715- 110.78Padj
, pour le test d’été
(4)
Les valeurs de puissance de cuisson initiales, des puissances de cuisson standardisées ; pour le test du 2
Février et du 25 Juin, sont : Pini = 97, Padj = 48 W et Pini = 111, Padj = 26 W, respectivement. Les
coefficients de pertes obtenus à partir de la pente des droites de régression sont estimés à 0.96 W/°C et
à 1.67 W/°C et les valeurs des coefficients de régression linéaire de détermination R² = 0.77 et 0.90 ;
respectivement, satisfont aux Normes des tests (meilleurs que 75 %).
Des valeurs élevées de la puissance de cuisson initiales associée à un faible coefficient de pertes en
chaleur indiquent une bonne isolation de notre cuiseur solaire boîte, selon les Normes Internationales
[8].
3.3 Validation des résultats
Dans le but d’une meilleure évaluation des performances thermiques du cuiseur solaire réalisé, les
résultats des tests expérimentaux obtenus de notre cuiseur sont comparés avec d'autres prototypes de
cuiseurs boîtes réalisés à travers le monde.
Les valeurs de puissance de cuisson ajustée sont comparées avec d'autres valeurs de cuiseurs solaires de
type boîte sur la tableau "1". Notre cuiseur est caractérisé par une bonne thermo-isolation (faible pente
6
de la droite de régression de puissance de cuisson) et une surface de réception relativement élevée
(puissance de cuisson initiale), en respect du Standard Européen proposé par Funk et al. [8, 10].
REF
N°
REFERENCE
DATE DU
TEST
PUISSANCE DE
CUISSON AJUSTEE
PUISSANCE
STANDARDISEE
(W)
1
Funk [8]
17/11/1998
Padj = 115 – 1.56
T
37
2
Funk [8]
17/05/1997
Padj = 125 – 1.58
T
46
3
El-Sebaii and Ibrahim [13]
28/07/2002
Padj = 103.92 – 1.598
T
22.02
4
Mahavar et al. [14] SFSC-1
24/06/2009
Padj = 103.5 – 1.474
T
30
5
Mahavar et al. [15] SFSC-2
30/11/2010
Padj = 108.2 − 1.084
T
52
6
Fayadh [16]
Mars_2011
Padj = 5.321 − 19.532
T
–
7
Yettou et al. (ce travail)
02/02/2014
Padj = 96.706 − 0.9611
T
48
8
Yettou et al. (ce travail)
25/06/2014
Padj = 110.78 − 1.6715
T
26
Tableau 1 : Expression de la puissance de cuisson ajustée de notre cuiseur solaire (CSBSRI) comparée avec d’autres cuiseurs
boîtes réalisés dans le monde.
4. Conclusion
Dans cet article, une évaluation des performances d’un cuiseur boîte suivant les Standards Internationaux
est présentée. La conception est effectuée pour un cuiseur solaire boîte trapèze (CSBSRI) dans le but de
collecter un maximum d’énergie et la réalisation du prototype est faite à l’URAER, Ghardaïa.
L’analyse des performances du cuiseur est réalisée en fonction de la puissance de cuisson ajustée Padj est
estimée à partir de la courbe de régression Padj = f
T
suivant le Standard International de Funk [8] et
la valeur du coefficient de pertes en chaleur est déduite. Les résultats obtenus montrent que le présent
cuiseur est bien conçu et ces performances sont efficaces, les valeurs de la puissance de cuisson initiale
Pini (97 W), le coefficient de perte de chaleur (0.96 W/°C) et la valeur de puissance de cuisson
standardisée à un = 50 °C (48 W) correspondent à l’intervalle décrient par le Standard de Funk [8, 10].
5. Références bibliographiques
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7
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