Le séchoir solaire réduit l’humidité contenue dans un produit pour empêcher le développement de micro-organismes. Ainsi la déshydratation d’un aliment lui octroie une durée de conservation bien plus longue. L’utilisation de cette technique peut rendre accessible les aliments en dehors de leur saison naturelle de production et réduire le gaspillage alimentaire. De plus, en tant que low-tech, le séchoir peut être construit facilement, avec des matériaux accessibles. Enfin, l'utilisation d’énergie solaire présente un réel atout pour la transition énergétique.
Étant donné la multitude de séchoirs existants et les différents avantages/inconvénients qu'ils présentent selon leur utilisation, il faut choisir un cas d'usage particulier avant de modéliser un séchoir solaire précis et l'optimiser.
Choix du cas d'usage⌗
Nous avons considéré une implantation au Sénégal au regard de plusieurs critères. En effet, le potentiel solaire du pays, la place importante qu'y occupe l'agriculture et les pertes post-récoltes conséquentes sont favorables à l'implémentation du séchoir solaire. Par manque d'infrastructures et d'accès à l'électricité, il n'existe que peu voire pas de systèmes concurrents dans les régions isolées du Sénégal. Les pertes importantes à la récolte s'observent notablement pour les mangues et les oignons, deux aliments parfaitement adaptés au séchage solaire.
Pour une argumentation davantage détaillée, voir livrable 2.
Le modèle de déshydrateur considéré est le séchoir solaire indirect forcé. Ce choix correspond à un compromis entre efficacité de séchage et qualité des fruits, mais le séchoir indirect forcé n'est pas forcément le plus adapté pour tous les cas d'usage. La taille du séchoir envisagée correspond à une utilisation individuelle par des petits producteurs ou bien des coopératives, le nombre de séchoirs pouvant augmenter.
Le fonctionnement d'un tel séchoir dans ce cas d'usage, est détaillé dans la partie suivante et dans le livrable 1.
Fonctionnement du séchoir et modélisation⌗
Le séchoir solaire indirect est divisé en deux parties: le collecteur et
la chambre de séchage.
Schéma d'un séchoir solaire indirect
Fonctionnement du collecteur
Le collecteur permet d'augmenter la température de l'air ambiant afin qu'il atteigne une température optimale pour le séchage de fruit. Il est constitué d'une grande caisse disposée en pente. L'entrée de l'air se fait au niveau du sol et la sortie de l'air chaud coïncide avec l'entrée de la chambre de séchage (située plus en hauteur). La partie supérieure de la caisse est en verre afin de pouvoir laisser passer les rayons du soleil. Les parois internes doivent être peintes en noir afin d'absorber un maximum d'énergie solaire. L'étude des paramètres impactant le séchage des fruits nous a permis de conclure que les deux paramètres primaires sont la température de l'air et son humidité relative dans le caisson de séchage. C'est pour cela que des petits ventilateurs (type ventilateurs de PC) sont ajoutés à l'entrée ou à la sortie du collecteur. Ils permettent de contrôler le débit d'air et donc la température en sortie de collecteur. Des petits panneaux solaires permettent de faire fonctionner ces ventilateurs. L'augmentation de la température de l'air permet aussi d'abaisser son taux d'humidité bien en dessous de 70% afin que le séchage des fruits soit possible. (cf. annexe)
Une fois que l'air est chaud et sec, il arrive dans la chambre de séchage.
Fonctionnement de la chambre de séchage
La chambre est un caisson rectangulaire isolant dans lequel plusieurs grilles sont disposées les unes sur les autres comme dans un four. Les fruits préalablement coupés sont étalés sur ces grilles. Il est essentiel de noter que la découpe des fruits est un paramètre important pour l'efficacité du séchage surtout vers la fin du processus: plus les morceaux sont petits plus la surface d'échange avec l'air est grande et moins l'eau doit se déplacer par capillarité: le séchage est d'autant plus rapide. L'air chaud va s'élever naturellement à travers les grilles qui peuvent être de n'importe quel matériau mais doivent avoir des trous assez grands et non obstrués par les fruits pour faciliter la circulation. Au contact de l'air chaud et sec, l'eau contenue par les fruits va s'évaporer. Grâce au ventilateur le débit d'air est maintenu afin que l'air qui devient humide au fur et à mesure de sa montée dans la chambre soit renouvelé et évacué par une cheminée se trouvant sur le haut du caisson.
Maintenant que nous avons établi quels sont les éléments constitutifs du séchoir ainsi que les paramètres principaux du séchage des fruits, nous avons toutes les clés en main pour débuter la modélisation et déterminer quelles hypothèses simplificatrices utiliser. Commençons par la modélisation du collecteur avant de passer à celle de la chambre de séchage.
Modélisation du collecteur
L'entrée du modèle est le flux solaire incident transmis à travers la vitre. Cette puissance thermique est soit transmise (ce que l'on souhaite) à l'air qui circule dans le collecteur , soit perdue vers des zones froides du collecteur.
Les pertes thermiques dans le collecteur ont lieu par convection (transfert de chaleur par mouvement des masses d'air au sein du collecteur), par conduction (transfert de la chaleur de proche en proche dans la vitre du collecteur) et par rayonnement (transfert de la chaleur qui atteint la vitre extérieure du collecteur par émission de photons vers l'environnement qui est plus froid).
On utilise l'analogie thermique-électrique (cf. annexe) pour décrire les transferts thermiques dans le collecteur. En posant les équations associées au schéma électrique (cf. Livrable 3) où ces calculs sont détaillés (IV.4) et où le schéma électrique est représenté (IV.3)), on isole la température de l'air en sortie du collecteur. Ce paramètre est déterminant dans le calcul de l'évolution du taux d'humidité dans la chambre de séchage dont le fonctionnement sera détaillé plus loin.
A noter que l'on obtient finalement une température de sortie de collecteur pour chaque heure de la journée où le séchoir est en fonctionnement. Pour déterminer le taux d'humidité des fruits et le rendement du séchoir on a consiéré comme température de sortie la moyenne des températures de sortie pour chaque heure.
Après avoir étudié l'influence des paramètres intervenant dans le calcul des résistances et donc de la température de sortie de l'air on arrive aux conclusions suivantes:
- La présence d'un double vitrage permet de diminuer significativement les pertes par rapport à un simple vitrage.
- Le débit d'air imposé par le ventilateur et la surface du collecteur sont des paramètres déterminants dans la température de sortie.
Modélisation de la chambre de séchage
Le séchage des fruits fait intervenir de nombreux phénomènes complexes, qui ne sont pas modélisés dans le détail. Le modèle réutilise plutôt des formules tirées d'études spécialisées (cf. annexe) afin d'évaluer l'évolution de l'humidité des fruits selon la température. On obtient ainsi le temps de séchage estimé, et indirectement le rendement de la chambre dans les conditions définies par l'utilisateur.
L'utilisation conjointe des modèles de collecteur et de chambre de séchage permet ainsi d'évaluer l'impact des dimensions du premier sur les performances de séchage dans le second. On peut alors identifier les paramètres de premier ordre, évaluer comment évolue la capacité selon chaque paramètre, et après confrontation avec des résultats expérimentaux s'en servir comme outil de dimensionnement. Cette analyse est résumée dans le paragraphe suivant.
Résultats de la modélisation⌗
La modélisation a été conduite dans des conditions idéales qui s'éloignent de la réalité au Sénégal, mais permettent toutefois de dégager des tendances sur le fonctionnement du système:
- Il semble ainsi que la quantité maximale d'aliments séchés soit proportionnelle en première approximation à la surface du collecteur. Il faut ainsi compter 0,5 m2 par kg de mangues (après correction du rendement, voir point suivant).
- Le rendement global du séchoir s'exprime comme le produit du rendement du collecteur et du rendement du séchage. Attention toutefois au rendement du collecteur nettement plus élevé (pertes thermiques sous-estimées) que les données de la littérature : il faut corriger la surface par un facteur 2.
- Le rendement global est d'environ 6% dans de bonnes conditions (11,6 sans correction). C'est à dire que lorsque le séchoir est rempli de fruits, 6% de l'énergie disponible sur la surface du collecteur sert réellement à faire évaporer de l'eau.
- La durée de séchage est de l'ordre de 55h. En se tenant au rapport de 0,5 m2/kg, on peut sécher les fruits en moins de trois jours.
- Plus le flux d'air est faible, plus la température est élevée et plus le séchage est rapide. Au delà de 60°C, la qualité des fruits commence toutefois à être altérée. L'air sature aussi plus vite en humidité si le flux est trop faible.
Pour un public intéressé, ce modèle peut aussi servir plus spécifiquement à évaluer l'influence d'un paramètre sur le séchage. Ceux qui influencent le plus les performances du système, et qui nécessitent de trouver un équilibre sont la masse de fruits à sécher, la surface du collecteur et la vitesse de l'air. La variation de ces paramètres impacte grandement la température et l'humidité de l'air qui eux déterminent l'efficacité du séchage.
Pour exploiter cet outil à son plein potentiel, nous invitons les curieux qui seraient équipés d'un séchoir personnel à expérimenter et essayer leurs propres paramètres de séchage. C'est là une manière de modéliser très précisément le séchage dans des conditions et pour des fruits différents. Pour plus d'informations sur la modélisation, se référer à l'annexe.
Au vu de ces résultats, on peut conclure quant à la pertinence du cas d'usage décrit au début de ce document.
Validité du cas d'usage⌗
Notre cas d'usage peut se heurter à des obstacles : la saison des mangues est pluvieuse, empêchant donc une utilisation optimale des séchoirs solaires. Il serait pertinent de s'intéresser à d'autres fruits ou légumes qui sont produits à différentes saisons. On peut aussi se dire que la force de cette low tech est de permettre le séchage à une période où il est impossible de sécher les fruits étalés au soleil, en plein air.
Cependant, au cours de notre étude, nous avons eu l'occasion de rencontrer un diplômé de l'Insa Lyon du département GEn, qui a travaillé en Afrique Subsaharienne. Les informations qu'il a pu nous apporter ont permis de confirmer la viabilité de notre cas d'usage: les populations Subsahariennes sont habituées à manger des fruits séchés, les matériaux nécessaires tels que les panneaux solaires sont accessibles sur les marché locaux et des projets de ce genre voient déjà le jour actuellement.
Enfin, la modélisation de notre séchoir solaire dans les conditions climatiques du Sénégal aboutissent à une valeur cohérente de rendement. Cela démontre la potentielle viabilité de notre projet.
Finalement, la modélisation produite est un atout précieux pour l'ONG telle que nous l'avions imaginée. Cet outil permet de dimensionner les séchoirs pour maximiser leur efficacité en amont de la distribution.