FONCTIONNEMENT


     La tour solaire est composée d'un collecteur de 7 km de diamètres composés de plaques de verre et de plastique, et d'une immense cheminée au centre d'une hauteur de 990m. Cette tour solaire est également composée de 32 turbines permettant la création de l'électricité, de plus en dessous des plaques de verres, sont disposés des réservoirs d'eau. 

     Afin de créer de l'électricité grâce à l'énergie solaire, différentes étapes sont nécessaires. L’énergie rayonnée par le soleil est transformée en chaleur à température élevée, puis en énergie mécanique (et électrique) à travers un cycle thermodynamique.

I/ L'effet de serre

 Comment expliquer le processus de l 'effet de serre , effet majeur dans le fonctionnement de la tour solaire ?

a) Définition globale de l 'effet de serre :

Qu'est ce que l 'effet de serre ? 

L'effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l 'atmosphère. Il est dû aux gaz à effet de serre (GES) contenus dans l 'atmosphère , à savoir principalement la vapeur d'eau ( contribuant au principale de l 'effet de serre ) , le dioxyde de carbone de formule chimique CO2 et le méthane de formule chimique CH4 .

Le nom de cet effet est la métaphore de la serre de jardinerie laissant passer les rayons du soleils et les retenant « prisonniers » à l'intérieur du vitrage . En outre , les infrarouges sont piéger ce qui entraine une augmentation de la température interne .

b) Mode d'action de l'effet de serre :

Comment expliquer le mode d 'action de l'effet de serre ?

Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 28,3%) est directement réfléchie (renvoyée vers l'espace), par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre (en particulier les régions blanches et glacées comme l'Arctique et l'Antarctique), c'est l'albédo. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7%) et/ou la surface terrestre (51%).

Cette partie du rayonnement absorbée par la Terre lui apporte de la chaleur (énergie), qu'elle restitue à son tour, la nuit notamment et en hiver, en direction de l'atmosphère sous forme de rayons infrarouges, c'est le rayonnement du corps noir. Ce rayonnement est alors absorbé en partie par les gaz à effet de serre. Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions, notamment vers la Terre.

C'est ce rayonnement qui retourne vers la Terre qui crée l'effet de serre, il est à l'origine d'un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre. Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18°C. Puis, la glace s'étendant sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100°C.

On peut considérer l'atmosphère comme un réservoir d'énergie. Si l'effet de serre est plus efficace pour ralentir la déperdition d'énergie, ce réservoir se remplit et l'énergie emmagasinée par la surface terrestre augmente .

En moyenne, l'énergie venue de l'espace et reçue par la Terre et l'énergie de la Terre émise vers l'espace sont quasiment égales. Si ce n'était pas le cas, la température de surface de la Terre évoluerait vers toujours plus froid ou vers toujours plus chaud. En effet, si les échanges moyens d'énergie avec l'espace ne sont pas équilibrés, il y aura un stockage ou un déstockage d'énergie par la Terre. Ce déséquilibre provoque alors un changement de température de l'atmosphère .

 c) Inconvénients de l 'effet de serre :

Quels inconvénients entraine l'effet de serre ?

L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes; sans lui, la température terrestre avoisinerait les -18°C. Cependant un excès de GES dépassant la capacité des écosystèmes à les piéger et les absorber est un danger pour la plupart des espèces dites évoluées.

Un réchauffement global provoquerait d'abord une augmentation mécanique du volume d'eau de mer par dilatation et par la fonte des calottes polaires, qui engloutirait les terres basses (les îles coralliennes comme les îles Maldives sont les premières menacées), mettant en péril de nombreuses espèces dont peut-être, par acidification des océans, le phytoplancton qui produit 80% du dioxygène que nous respirons et qui absorbe l'essentiel du dioxyde de carbone) dissous dans l'eau de mer (le CO2 est 60 fois plus présent dans la mer que dans l'air (1,8% au lieu de 0,03%) pour un volume grossièrement estimé à 1 370 millions de km³. D'autres conséquences sont attendues, dont une augmentation de la pluviométrie, et la modification des courants marins, ce qui modifierait aussi le niveau moyen des mers avec des conséquences potentiellement désastreuses. Des conséquences plus ou moins difficiles à prévoir risquent de provoquer un véritable changement climatique. Un effet "boule de neige" auto entretenu pourrait être amorcé par la fonte du pergélisol avec évaporation d'hydrates de méthane, s'ajoutant à celui qui pourrait aussi être libéré en mer, ainsi que par l'augmentation des incendies de forêts et d'inondations se traduisant par la méthanisation de matière organique immergée, qui sont autant de facteur de réchauffement.

Les scientifiques prévoient une augmentation de 1,5°C à 6°C pour le siècle à venir en supposant que l'augmentation des rejets de GES continue au rythme des 20 dernières années (on n'a pas observé de ralentissement global des émissions, même depuis Kyoto). Un arrêt total et immédiat des rejets de carbone n'empêcherait cependant pas la température moyenne de la planète de continuer à augmenter pendant plusieurs dizaines à centaines d'années, car certains GES ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement.

D’après les résultats d’autres modèles, une élévation de la température mondiale moyenne de 1 ou 2 degrés au cours du prochain siècle pourrait avoir des effets à la fois bénéfiques et néfastes sur différentes régions du monde; l’effet bénéfique se ferait surtout sentir dans les zones tempérées et subarctiques. En règle générale, on a historiquement soutenu qu’un monde plus chaud serait un monde plus humide; toutefois, les avantages évidents d’une telle situation pour l’agriculture étaient tempérés par le fait qu’il y aurait aussi une augmentation de la transpiration, de l’évaporation et de la dessiccation des sols. De plus, on disait aussi que lorsque la pluie tomberait, ce serait plus souvent sous forme de tempêtes extrêmement violentes, qui causeraient énormément de ruissellement, d’inondation et d’érosion. Certains scientifiques remettent maintenant en question ces constatations.

d) Les gaz à effet de serre :

Qu'est ce qu'un gaz à effet de serre ?

Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote, de formule N2O) et l'ozone (O3). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés incluant les CFC, les molécules de HCFC-22 comme le fréon et le perfluorométhane) et l'hexafluorure de soufre (SF6).

Contributions approximatives à l'effet de serre des principaux gaz :

  • vapeur d'eau : 55 %

  • dioxyde de carbone : 39 %

  • ozone : 2 %

  • méthane : 2 %

  • oxyde nitreux : 2 %

Bien que contribuant fortement à l'effet de serre, la vapeur d'eau ne peut s'accumuler indéfiniment dans l'atmosphère : en raison des équilibres physiques, les quantités excédentaires (hygrométrie supérieure à 100 %) sont naturellement et rapidement éliminées par précipitation. 

Comment sont produits les gaz à effets de serre ?

La plupart des gaz à effet de serre (GES) sont d'origine naturelle. Mais certains d'entre eux sont uniquement dus à l'activité humaine ou bien voient leur concentration dans l'atmosphère augmenter en raison de cette activité. C'est le cas en particulier de l'ozone (O3), du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4).
La preuve que l'augmentation du CO2 atmosphérique est d'origine humaine se fait par analyse isotopique.

L'ozone est fourni en grande quantité par l'activité industrielle humaine, alors que les CFC encore largement utilisés détruisent eux, l'ozone, ce qui fait que l'on peut constater un double phénomène :

  • une accumulation d'ozone dans la troposphère au-dessus des régions industrielles,

  • une destruction de l'ozone dans la stratosphère au-dessus des pôles.

La combustion des carbones fossiles comme le charbon, la lignite, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du CO2 en grande quantité dans l'atmosphère. Si bien que seule la moitié est recyclée par la nature, et que l'autre moitié reste dans l'atmosphère, ce qui augmente l'effet de serre. Un des secteurs d'activités qui dégage le plus de gaz à effet de serre est l'énergie.

Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques qui étudient le climat pensent que l'augmentation des teneurs en gaz d'origine anthropique est à l'origine d'un réchauffement climatique. Ces gaz à effet de serre fonctionnent donc comme une couverture qui maintient une température chaude à la surface de notre Terre et l'empêchent ainsi de se refroidir.

En France, selon le groupe Facteur 4, les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de l’agriculture (19 %), des bâtiments et habitations (19 %), de la production et de la transformation de l’énergie (13 %), et du traitement des déchets (3 %). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20 % pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22 % dans l’industrie, de 10 % dans le secteur agricole, de 9 % dans le secteur de l’énergie et de 8 % pour le traitement des déchets.

Comment lutter durablement contre les gaz à effet de serre ?

Depuis le début de la révolution industrielle, la concentration en gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère ne cesse d’augmenter. Ce gaz, parmi d’autres, est responsable d’un déséquilibre du phénomène naturel de l’effet de serre qui, s’il n’était pas maîtrisé, pourrait élever de quelques degrés les niveaux de température et même provoquer des changements climatiques. En 1990, le Groupe Intergouvernemental d'Étude sur le Climat (GIEC) a reconnu l’accroissement de l’effet de serre (élévation de la température à la surface de la terre) corrélativement à l’évolution correspondante de gaz radiatif (CO2, CH4, O3, N2O, CFC) produits par l’activité humaine et la nécessité de stabiliser puis de diminuer leur concentration dans l’atmosphère. La contribution de la France à l’effet de serre est égale à 2%, pour une population représentant 1% de la population mondiale et son PIB 5% de la richesse mondiale. Pour le CO2, les émissions françaises en 1990, rapportées à la population, sont faibles comparativement à celles des autres pays industrialisés, avec en 1990 (source CITEPA1994), 6,6 T CO2 par habitant, soit, par exemple 20% des rejets de l’Allemagne réunifié et loin derrière les États-Unis (20,51 T CO2). Dans l’esprit de la conférence de Rio, des efforts difficiles et coûteux ont été décidés pour limiter l’accroissement de l’effet de serre. A la suite de cette conférence, une convention-cadre sur les changements climatiques a été signée. Ce document prévoit, en particulier, que les pays industrialisés devront stabiliser leurs émissions de CO2 au-dessous du niveau de 1990, d’ici l’an 2000. L’ Union européenne s’est fixé comme objectif de réduire ses émissions de CO2 de 15% par rapport au niveau de 1990. Certaines mesures prises dans la Loi sur l’air du 30 décembre 1996 sont l’application de ces recommandations. En particulier, l’article 21-V du titre VII qui prévoit un décret fixant des quantités minimales de bois à mettre en œuvre dans certaines constructions nouvelles d’ici l’an 2000. En décembre 1997, la conférence internationale sur les changements climatiques de Kyoto réaffirme l’engagement de l’Union Européenne de limiter les émissions de gaz à effet de serre. Les 161 pays présents lors de la conférence des Nations Unies de Buenos Aires, le 14 novembre 1998, ont adopté un programme de réflexions pour élaborer des mécanismes permettant de réduire les émissions de gaz à effet de serre.

II/ La convection

Pourquoi l'air chaud est-il plus léger que l'air froid ?


     La température augmente quand les molécules du gaz s'agitent davantage, en effet la température est la mesure de l'agitation des molécules. La chaleur ne change en aucun cas la taille des atomes et des molécules. Si ces molécules s'agitent davantage, elles vont donc s'entrechoquer avec plus de force et leur libre parcours va donc augmenter car les chocs les envoient plus loin les unes des autres. Donc, en moyenne, les molécules de gaz vont occuper chacune un plus grand volume. C'est « comme si » elles étaient plus grosses et donc dans un volume donné, il y a moins de molécules quand le gaz est plus chaud.

      Physiquement parlant, comme la masse d'une molécule d'un gaz est une constante ( 32g pour une molécule de di-oxygène, 28g pour une molécule de di-azote), mais que son volume est plus grand, sa masse volumique est donc plus faible.

     Prennons l'exemple de l'azote qui constitue 78% de l'air :

 Une molécule d'azote pèse 28g

Une molécule d'azote à 0°C occupe 22,4 litre

Masse Volumique(kg.m-3 )= Masse(en g)/Concentration molaire(mol.L-1)

Masse Volumique = 28/22,4 = 1,25 kg/m-3= 1,25 g.L-1

Loi de Mariotte :

(Volume (enL-1) x Température en calvin (en K))/273

 

La même molécule à 20°C (293 K) occupe :

(22,4x(273+20))/273=24,04 L

 

Sa masse volumique à 20°C est donc

28/24,04=1,16 kg /m-3 ou 1,16 g.L-1


Si je chauffe un petit volume d'air il devient moins lourd et s'élève grâce à la poussée d'Archimède dans l'air environnant qui est moins chaud. C'est le principe de la Mongolfière. Une bulle d'un m-3 d'azote à 20°C au milieu d'un air à 0°C peut donc soulever une masse de 1,25-1,16 = 90 g environ.

 

 Qu'est-ce que la convection ?

      La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est transportée, conduite, on dit qu'elle est advectée, par au moins un fluide. Pour exemple, lors de la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément, les groupes de particules de fluide proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses et montent, ceux de la surface de la casserole vont refroidir par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, vont se contracter, donc gagner en densité et vont plonger au fond de la casserole, il y a donc un cycle qui est créé.

 Le même système pour la tour solaire est adopté :

     Grâce à l'effet de serre, l'air est donc chauffée, l'eau présent dans les réservoirs sous les plaques de verres, va faire office de fluide, l'eau va se mettre en mouvement, et l'air va donc être advectée. Les groupes de particules vont se dilater comme dans l'exemple de la casserole et des pâtes, et vont donc devenir moins denses et remonter par la cheminée afin d'être évacués et ensuite vont se contracter.

III/ Les turbines


Comment transforme t-elle l'énergie solaire en électricité ?

      Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.

     La turbine est composée de différents éléments, d'un arbre de transmission, d'une tuyère d'admission d'air par où l'air chauffée préalablement grâce à l'effet de serre entre par convection, d'un compresseur d'air, d'une chambre de combustion où l'air est chauffé jusqu'à 70°C, d'une turbine à gaz et d'un échappement ici la cheminée.

     Après que l'air chauffée entre par la tuyère d'admission d'air, celle-ci est compressée par un système mécanique, permettant d'augmenter la pression de ce gaz. Elle est ensuite transmise dans une chambre à combustion qui est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments chimiques déterminés, cette enceinte est conçue pour obtenir, à partir du gaz issus de la combustion, un travail ou une force. Ensuite cette force est utilisée pour faire tourner la turbine qui va faire tourner l'axe sur laquelle elle est fixée. Ainsi, l'alternateur va être mis en marche, c'est l'appareil qui produit le courant électrique, constitué d'un axe, d'un aimant mobile et d'une bobine fixe. L'aimant mobile, ou aussi appelé rotor, est composé d'une série d'aimants collés sur la roue entraînée par l'axe. La bobine fixe, ou appelée aussi stator, est composée d'une bobine de fils de cuivre qui ne bouge pas. La proximité avec les aimants tournants du rotor crée le courant électrique.

 

Comment le courant électrique est-il créé lors du contact Rotor/Stator ?

      Il se passe un phénomène qui s'appelle l'induction magnétique. L'induction électromagnétique est un phénomène physique qui se manifeste par la production d'une différence de potentiel électrique aux bornes d'un conducteur électrique ou encore d'un courant électrique en son sein.

Il y a donc eu la création de d'énergie électrique grâce à l'énergie électrique puis grâce à l'énergie mécanique.

Pour finir l'air chaud, par dans la cheminée et s'évacue.

Il y a un cycle qui est donc créé :


Énergie Solaire -> Énergie Mécanique -> Énergie Électrique

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