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3.4. Séchage solaire

3.4.1. Énergie solaire
3.4.2. Capteurs solaires
3.4.3. La pratique du séchage solaire

3.4.1. Énergie solaire

Le terme de gisement solaire est fréquemment employé par analogie avec les énergies fossiles (charbon, gaz, pétrole, minerais radioactifs),

a) DISPONIBILITÉ DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

- Caractéristiques du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire est un rayonnement de nature électromagnétique compris dans une bande des longueurs d'onde (l ) variant de 0,22 à 10 microns (µm) (10^-6 m). Plus de la moitié de cette énergie est émise dans la bande des infrarouges.

Figure

Rayonnement direct et rayonnement diffus, rayonnement réfléchi

La terre capte environ dix milliardièmes de l'énergie rayonnée par le soleil, soit une puissance de 1,8 x 10¹⁴ kw, ce qui représente annuellement de cinq à dix fois l'ensemble des réserves fossiles connues (uranium compris). Au-dessus des nuages, une surface plane horizontale d'un m² reçoit en moyenne 1400 watts (constante solaire). Le rayonnement direct est le plus important quand le ciel est clair.

Le rayonnement diffus dépend de la couverture nuageuse. Il provient des réflexions dans les masses d'air et les nuages.

Le rayonnement réfléchi traduit la fraction d'énergie reçue par le sol ou un bâtiment, qui est réfléchie. On parle parfois de coefficient de réflexion ou d'albédo (du latin albus blanc) exprimé en pourcentage.

Le rayonnement global au sol est la somme des rayonnements direct et diffus. Dans le meilleur des cas, il est de l'ordre de 1000 watts par m².

Fig. 64: Rayonnement solaire. (D'après J. L. PERRIER.)

PART DES RAYONNEMENTS DIRECTS ET DIFFUS DANS LE RAYONNEMENT GLOBAL: EXEMPLE DE DAKAR.

Source bibliographique: SEMA.

- Variation du rayonnement solaire en fonction des saisons

La terre décrit autour du soleil une ellipse en 365 jours et un quart, et tourne sur un axe passant par les pôles en 24 heures. L'orbite terrestre appartient à un plan nommé écliptique mais la terre ne se déplace pas à la façon d'une toupie dont l'axe serait perpendiculaire à l'écliptique. S'il en était ainsi, les jours et les nuits auraient partout une durée égale. Il n'en est rien sauf à l'équateur. L'inégalité des jours et des nuits s'explique par l'inclinaison de l'axe des pôles sur l'écliptique. L'axe des pôles est incliné de 67° et le plan de l'équateur de 23°. L'égalité des jours et des nuits sur toute la terre a lieu aux équinoxes de printemps le 21 mars et d'automne le 23 septembre, le cercle d'éclairement passe alors par les deux pôles.

L'angle d'incidence des rayons solaires avec l'horizontale et la longueur du jour varient en cours d'année. La qualité d'énergie se répartit de façon inégale dans le temps, c'est la succession des saisons et dans l'espace, c'est le découpage du globe en grandes zones climatiques.

Fig. 65: Mouvement de la terre autour du soleil.

- Variation du rayonnement solaire suivant la localisation géographique

Pour atteindre chaque point de la surface éclairable du globe (1/2 sphère) les rayons lumineux doivent traverser une couche atmosphérique d'épaisseur variable selon la position géographique du lieu.

Fig. 67: Influence de l'inclinaison de l'axe de rotation de la terre. Latitude 43°25' Montpellier E hiver > E équinoxes > E été.

Notons que dans un même pays il existe de fortes variations (Nord Cameroun, Nord Côte d'Ivoire, par exemple). La proximité de la mer ou d'un grand lac représente un facteur favorable, à l'exception de quelques régions où les brouillards sont très nombreux comme en Mauritanie. Cet accroissement du nombre d'heures d'ensoleillement est lié à la faible rugosité de la mer: le développement de la nébulosité s'effectue à l'intérieur des terres. En plus, la bordure côtière bénéficie d'une forte réflexion des rayons solaires dès que ceux-ci sont assez inclinés sur l'horizon.

La connaissance du nombre d'heures d'ensoleillement annuel en un point ne suffit pas à déterminer le potentiel solaire en ce point, car cet ensoleillement peut présenter des caractéristiques très variables selon l'heure et la saison (soleil plus ou moins bas sur l'horizon) et selon l'état de l'atmosphère.

En Afrique sahélienne, disposant d'un excellent ensoleillement, des différences notables subsistent entre les pays. On peut considérer le Niger et le Burkina Faso comme pays très favorisés, le Sénégal et le Mali comme pays favorisés, la Côte d'ivoire et le Cameroun comme pays peu favorisés. C'est donc dans ces derniers pays (équatoriaux) que les problèmes de séchage et de stockage sont les plus aigus.

b) LE SOLEIL TROPICAL ET LES IMAM D'ÉPINAL

Un litre d'eau nécessite l'apport de 600 kcal pour être vaporisé, mais en fait, cette évaporation se fait par entraînement au contact de l'air et globalement le rendement ne dépasse guère 50 % ce qui se traduit par une consommation effective de 1 000 à 1200 kcal par kg d'eau à évaporer.

La durée annuelle d'ensoleillement direct varie suivant les régions du globe de moins de 1000 heures à plus de 4 000 heures par an (sur 8 760 heures).

Mais la courbe des 2 MO heures par exemple passe aussi bien en France qu'en Côte d'Ivoire, au Cameroun ou au Brésil. La connaissance du nombre d'heures d'ensoleillement annuel en un point n'est pas suffisante pour déterminer le potentiel solaire en ce point. Cet ensoleillement peut présenter des caractéristiques très variables, selon l'heure, la saison et selon l'état de l'atmosphère (ciel plus ou moins brumeux).

L'insolation traduit l'énergie reçue au sol. Elle s'exprime par rapport à une unité de surface généralement le m² en se référant à une unité de temps: l'année, le jour. C'est pourquoi les unités les plus diverses sont rencontrées dans la littérature. Dans le système international cette insolation serait à exprimer en Watt par m². L'unité encore couramment utilisée est le kWh par m² et par jour. Les tableaux suivants permettent les conversions entre les diverses unités.

Il n'y a pas parfaite superposition entre l'ensoleillement et l'énergie reçue au sol, le relief joue, en effet, un rôle important.

UNITÉS DE TRAVAIL ET DE PUISSANCE - MODE DE CONVERSION UNITÉS DE TRAVAIL

TEP: Tonne d'équivalent pétrole = 10000 thermies.

Fig. 68: Sommes annuelles du rayonnement solaire global (kilojoules par cm² et par an).

UNITÉS DE PUISSANCE

Exemples d'utilisation de ces tableaux (lecture horizontale)
1 joule = 0,239 x 10^-3 kcal
1 kWh = 3,6 x 10^-6 joule
Autre unité
13TU (British thermal Unit) = 0,252 kcal
(D'après SEMA.)

La température, la pluie, l'humidité relative, le vent

Pour promouvoir le séchage solaire, par entraînement à l'air chaud, il faut s'intéresser non seulement à l'ensoleillement et à l'insolation mais aussi à d'autres données météorologiques: la température et l'humidité de l'air ambiant, la vitesse du vent.

Malheureusement, les données météorologiques sont trop fréquemment exprimées en valeurs moyennes. Il faudrait disposer de ces valeurs pratiquement heure par heure pendant les périodes de séchage.

c) UN EXEMPLE CONCRET: DIMBOKRO - COTE D'IVOIRE

L'exemple choisi est Dimbokro en Côte d'Ivoire, en région productrice de cacao. L'exemple cacao nous paraît illustrer les besoins en séchage solaire dispersés en milieu rural. En effet, les exploitations ont encore un caractère très familial et le paysan est amené à traiter des petites quantités, de l'ordre du quintal, par ses propres moyens.

Envisageons donc les données climatiques de Dimbokro.

L'ensoleillement de Dimbokro, 1914 heures/an est à comparer à celui de Nice: 2 750 heures/an.

Il convient d'affiner le diagramme général et de préciser les données climatiques, en fonction des mois de récolte des fruits tropicaux. A Dimbokro, zone de cacaoyers, la récolte se déroule pendant une campagne variant de 80 à 100 jours pendant les mois d'octobre, novembre, décembre.

Fig. 69: Caractéristiques climatiques moyennes mensuelles. Côte d'Ivoire - Dimbokro.

Fig. 70: Côte d'Ivoire - Dimbokro.

Caractéristiques climatiques en fonction des heures pendant les mois de récolte des fèves de cacao. (5) °C Température - (•) H.R. % d'humidité relative de l'air.

Les caractéristiques essentielles de ces mois de récolte de cabosses de cacao montrent une température moyenne comprise entre 27° C et 27,5 °C une pluviométrie mensuelle décroissante de 120 à 20 millimètres d'eau. L'humidité relative, en fonction des heures de la journée, est toujours très importante. Ce n'est que vers 15 heures que Cette humidité relative avoisine 60 %.

La zone productrice de cacao est, pendant la récolte, non seulement une zone de pluies, mais aussi une zone où l'humidité relative reste toujours forte.

En effet, afin de promouvoir le séchage par énergie solaire, il importe de disposer de données météorologiques précises. De plus, du point de vue purement des conditions climatiques, il faut toujours avoir présent à l'esprit, que les zones principales de production de produits agricoles tropicaux, correspondent à des zones à climat tropical humide. Si la température est de l'ordre de 27° C, l'humidité relative reste toujours supérieure à 60 % et les précipitations sont importantes. Pour sécher les produits agricoles tropicaux, arrivés à maturité dans des conditions météorologiques non optimales, il est nécessaire d'aider le soleil en proposant des capteurs (séchoirs solaires).

Il convient en outre d'étudier les spécificités des produits tropicaux, sans oublier le facteur essentiel, les réalités socio-économiques et socio-culturelles des pays concernés.

3.4.2. Capteurs solaires

a) PRINCIPES

- Le corps noir

Il est bien connu que la couleur noire absorbe la chaleur du soleil. Tout matériau absorbe les rayonnements solaires, en réfléchit une partie, et réémet des rayonnements. Il est important de noter que la réémission des rayonnements s'effectue dans une gamme de longueur d'onde différente de celle des rayons absorbés. Ainsi, un corps va absorber des rayons du domaine du visible (0,40-0,80 µm) et réémettre dans la gamme des rayons infrarouges autrefois baptisés rayons calorifiques.

Le comportement des surfaces des corps est décrit par rapport à un corps idéal dénommé corps noir ou radiateur idéal.

Fig. 71: Définition d'un corps noir.

Un corps noir parfait absorbe tout le rayonnement solaire, sa température s'échauffe puis à l'équilibre réémet la totalité de l'énergie reçue sous forme de radiations de longueur d'onde différente.

CARACTÉRISTIQUES D'UN MATÉRIAU VIS-À-VIS D'UN RAYONNEMENT

Globalement, on peut dire que lorsque le soleil éclaire une surface, cette surface réémet des rayons infrarouges dont la longueur d'onde et l'énergie sont fonction de la température.

- Effet de serre

Un corps noir, ou un matériau en noir mat, recevant le rayonnement du soleil, réémet des rayons infrarouges, invisibles, calorifiques.

L'effet de serre est obtenu en intercalant entre le soleil et le corps noir un matériau transparent aux rayons du soleil et arrêtant les rayons infrarouges réémis.

Le verre et certains plastiques ont cette particularité. L'énergie réémise par le corps noir est absorbée par le verre, qui s'échauffe. A l'équilibre le verre retransmet cette énergie pour moitié vers le corps noir, l'autre moitié vers la voûte céleste. Pour récupérer à nouveau la moitié des émissions extérieures de la vitre on peut réutiliser l'effet de serre en plaçant une seconde vitre. Toutefois, la multiplication des surfaces transparentes diminue la transparence globale de l'ensemble. Lorsque le soleil frappe une vitre, il faut tenir compte des facteurs suivants:

Figure

Aucun matériau n'est totalement transparent au rayonnement (le verre, «vert» visible sur sa tranche, contient des oxydes de fer réduisant la transparence à certaines longueurs d'onde). Une partie du rayonnement est réfléchie, en fonction de l'angle d'incidence. Une autre partie est absorbée puis rayonnée.

Globalement, l'analyse des échanges par rayonnement dans l'effet de serre est résumé dans le schéma ci-après.

Fig. 72: Analyse des échanges par rayonnement de l'effet de serre. (D'après fiche GRET-GERES, n° 540.)

b) ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS D'UN CAPTEUR PLAN

Quatre éléments entrent dans la constitution d'un capteur plan:

• couverture transparente aux rayons du soleil opaque aux infrarouges,

Figure

• absorbent jouant le rôle de corps noir,
• isolation,
• caisson.

Tous ces éléments sont très divers. Leurs choix résultent d'un compromis entre les performances, les impératifs économiques, et les contraintes de factibilité locale.

- La couverture transparente

Elle assure l'effet de serre en laissant passer les radiations solaires mais en arrêtant les infrarouges. Elle réalise l'isolation thermique à l'avant de l'absorbeur et protège contre les intempéries, poussières, insectes.

Le choix s'établit entre le verre, de bonne qualité optique et d'excellente durabilité (mais cher, lourd et fragile), et les matériaux synthétiques, qui ont pour inconvénients majeurs d'être de durabilité médiocre en raison de leur altération aux ultraviolets. Certains «plastiques horticoles» sont garantis 4 ans, alors que le polycarbonate est garanti 10 ans.

- L'absorbeur

Jouant le rôle de corps noir absorbeur des radiations lumineuses pour les convertir en rayons infrarouges calorifiques, ils doivent avoir un coefficient d'absorption important et être constitués de matériaux pouvant résister à des températures élevées (100-130° C).

Le transfert de chaleur entre l'absorbeur et l'air est d'autant meilleur que les surfaces d'échanges sont importantes. C'est pourquoi on multiplie les surfaces de contact, en utilisant des traitements de surface au niveau microscopique ou en utilisant des échangeurs avec des ailettes.

On préfère aujourd'hui les absorbeurs poreux, copeaux métalliques, ou matériaux synthétiques noirs, bourre de coco, roseaux fendus, balles de riz noircies, dans lesquels l'air traverse l'absorbent ce qui améliore les échanges air-absorbeur.

- L'isolation

Elle limite les pertes thermiques du capteur. Elle est plus ou moins soignée en fonction de l'utilisation et de l'investissement de première installation.

Idéalement, il est intéressant de placer entre l'absorbent et l'isolant, une feuille d'aluminium réfléchissante. Les isolants peuvent être du polyester expansé, des lièges ou des matériaux locaux, coques d'arachide, bourre de coco sous forme de coït, rafle de mais, ou banco.

- Le caisson

Il constitue J'armature de l'ensemble. Il est très important de soigner son herméticité.

Fig. 73: Les principaux types d'insolateurs à air.

c) CLASSIFICATION DES CAPTEURS SOLAIRES

- Généralités

On sait qu'une simple loupe, traversée par les rayons solaires, peut mettre le feu à un combustible. Une lentille convergente concentre en son foyer toute l'énergie lumineuse qui arrive à sa surface.

Une classification de capteurs peut être basée sur la concentration ou non de l'énergie lumineuse. Il faut mentionner que dans le cas de capteurs à concentration, il faut suivre le soleil de façon que les rayons soient bien focalisés sur le foyer ponctuel ou linéaire.

Dans le cadre du séchage solaire de produits agricoles, il faut veiller à utiliser une température faible, aussi utilise-t-on des capteurs sans concentration (capteurs-plans).

Une autre classification peut être basée sur la nature du fluide caloporteur. L'eau ou l'eau glycolée (pour abaisser son point de congélation) est souvent utilisée pour le chauffage domestique, on peut rencontrer parfois du fréon pour les pompes à membranes fonctionnant à l'énergie solaire. En pratique, pour les séchoirs solaires de produits agricoles, on rencontre des capteurs solaires à air.

- Classification des capteurs solaires plans à air

Pour le séchage par entraînement, les deux phases essentielles sont:

• le chauffage de l'air (transfert de chaleur),
• l'extraction de l'eau soustraite au produit à sécher par l'air de séchage (transfert de matière).

Les classifications seront diverses et multiples selon la phase à laquelle on se réfère. On distinguera: le séchage direct, le séchage indirect, le séchage par ventilation naturelle, le séchage par ventilation forcée.

Fig. 74: Différents modèles de capteurs solaires plans à air. (FOURNIER, COUDERT.)

* Les séchoirs directs

Les produits sont exposés directement au soleil, une boîte de séchage permet d'utiliser l'effet de serre. Les séchoirs «directs» sont des appareils extrêmement simples et rustiques. L'effet de serre est utilisé pour améliorer la captation de l'énergie solaire. Des ouvertures sont pratiquées pour la circulation de l'air par tirage naturel.

Il faut toutefois noter que si les produits sont protégés des prédateurs, animaux et insectes, l'exposition directe au soleil provoque la destruction de vitamines photosensibles et des photo-oxydations.

* Les séchoirs indirects

Le produit n'est pas exposé directement au soleil, il est même à l'abri de la lumière, ce qui autorise une meilleure préservation des qualités nutritionnelles de l'aliment.

L'air chauffé par énergie solaire, ou par un autre mode, est envoyé sur le produit à sécher, placé sur des claies de séchage, réparties dans une enceinte fermée hermétiquement. Dans de gros séchoirs à céréales des dispositifs mécaniques peuvent assurer le déplacement des grains de façon à faciliter les transferts thermiques et de masse.

La circulation d'air est réalisée soit par convection naturelle, soit par circulation forcée.

La convection naturelle est assurée par la différence de densité entre l'air chaud et l'air externe. Elle est accélérée par l'utilisation d'une cheminée solaire ou non, munie d'une trappe de tirage admettant de l'air frais à la base de la cheminée, ce qui accélère le tirage.

La circulation forcée est assurée par un ventilateur soufflant ou aspirant. Une régulation du débit d'air, en fonction de la durée du séchage et de la température de l'air, est alors possible.

Signalons que l'on parle de systèmes passifs pour les séchoirs utilisant l'énergie éolienne.

* Les séchoirs mixtes

Dans ce type de séchoirs, l'action combinée des radiations solaires, incidentes sur le produit à sécher et l'air réchauffé dans un capteur, fournit la chaleur nécessaire à l'opération de séchage.

* Les séchoirs hybrides

Ce sont des séchoirs qui utilisent l'énergie solaire mais aussi une autre source énergétique consommatrice de réserves fossiles pour suppléer au chauffage et/ou à la ventilation.

Figure

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