ENERGIE SOLAIRE ET HABITAT

I Enjeux - Différents modes d’exploitation de l’énergie solaire. II Transferts et conversion de l’énergie. III Interprétation – Modèle corpusculaire de la lumière. IV Activité expérimentale : bilan énergétique d’une cellule photovoltaïque

I Enjeux Différents modes d’exploitation de l’énergie solaire.

L’énergie solaire est une énergie renouvelable qui pourrait couvrir les besoins énergétiques de la planète.

Elle présente par ailleurs un caractère intermittent (alternance jour-nuit, conditions climatiques) et une difficulté de stockage.

L’énergie lumineuse reçue en moyenne sur l’année , par m² au niveau du sol est de l’ordre de 1 MWh/m².

Solutions dans l’habitat :

Utilisation passive de l’énergie solaire : fenêtre – puits de lumière – véranda.

Conversion thermique de l’énergie solaire : eau chaude sanitaire.

Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire : Conversion en tension continue puis alternative.

Centrale solaire : rayons concentrés pour produire une vapeur surchauffée qui fait tourner une turbine couplée à un alternateur.

II Transferts et conversion de l’énergie :

-conversion thermique :

Soleil

Légende d’une chaîne énergétique :

Une chaîne énergétique représente les éléments de stockage et de conversion de l’énergie en précisant ses différentes formes.

Un convertisseur est toujours symbolisé par un cercle.

Un réservoir est toujours symbolisé par un rectangle.

Convertisseur

Réservoir

Ea ou Wa :

Energie ou

travail absorbé

Wu ou Eu : Travail

ou énergie utile

Ep : Energie

perdue

Un capteur thermique fournit une énergie de quelques kWh au cours d’une journée ensoleillée.

-conversion photovoltaïque:

Soleil

Travail

La puissance crête d’un panneau photovoltaïque correspond à la puissance maximale électrique qu’il peut fournir. Elle se mesure en Watt-crête (Wc).

Remarques :

Un panneau solaire qui reçoit 1000 W.m-2 à 25°C peut fournir une puissance crête d’environ 100 W.m-2 .

Une surface de 30 m² de panneau (puissance 3 kWc) peut satisfaire les besoins en électricité d’une habitation.

III Interprétation – modèle corpusculaire de la lumière :

Les ondes lumineuses (électromagnétiques) transportent l’énergie par paquets, appelés quantas d’énergie.

Ces quantas sont assimilés à des particules, de masse nulle, non chargées, appelées photons qui se propagent à la vitesse de la lumière.

Energie d’un photon :

h = 6,63×10-34 J.s (constante de Planck) E : énergie en J (joule) : fréquence de l’onde en Hz (hertz) Rappel : Donc

: Longueur d’onde en mètres. c : Vitesse de propagation de la lumière dans le vide. C = 3,00 108 m.s-1.

Eph = h.

= 𝑐

𝜆 Eph =

ℎ.𝑐

𝜆

Le joule étant une unité d’énergie très grande, on utilise très souvent l’électron-volt :

1 eV = 1,6×10-19 J

Remarque : L’Effet photovoltaïque.

Grâce à l’énergie reçue par l’intermédiaire des photons, des électrons de la matière peuvent franchir la « bande interdite » et donner naissance à un courant électrique.

IV Activité expérimentale : bilan énergétique d’un panneau photovoltaïque

Voir TP

La puissance fournie par une cellule photovoltaïque est maximale pour une intensité donnée

Une cellule photovoltaïque élémentaire est équivaut à une diode (jonction PN) qui fonctionne en inverse.

Le rendement, , est toujours défini par :

Le rendement d’une cellule photovoltaïque est donc défini par :

Pc : Puissance crête (fournie sous forme électrique)

Pl : Puissance lumineuse reçue.

Un rendement est sans unité, il est compris entre 0 et 1.

= 𝑃𝑐

𝑃𝑙

= 𝑃𝑓𝑜𝑢𝑟𝑛𝑖

𝑃𝑟𝑒ç𝑢 =

𝑊𝑓𝑜𝑢𝑟𝑛𝑖

𝑊𝑟𝑒ç𝑢

W

W

J

J

Quelques rendements :

Cellule au silicium

Si monocristallin

Si polycristallin

Si amorphe

Rendement typique

17% 15% 8%

Fin