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Physique

Chimie Chap 4 : Energie Solaire

HABITAT

I.La lumière

I.1. Onde électromagnétique

- La lumière visible et invisible transporte de l’énergie sous la

forme d’ondes électromagnétiques qui se propagent à la

vitesse c = 3.108 m.s-1 .

- Les différentes fréquences électromagnétiques émises sont

appelées radiations. Suivant leur valeur, notre œil perçoit

différentes couleurs (voir les domaines spectraux de la

lumière en bas de la page).

- Une onde électromagnétique résulte

d’une combinaison entre un champ

magnétique B qui se mesure en tesla

(T) et d’un champ électrique E qui se

mesure en V/m.

- La lumière est une onde transversale, c'est-à-dire que les déformations du champ électrique et du

champ magnétique se font sur les côtés de l’axe de propagation.

- La lumière peut se propager dans le vide et dans tous les milieux transparents.

On donne, ci-dessous, la relation entre la fréquence de battement de l’onde et la longueur d’onde :

E: champ électrique (V/m)

B: champ magnétique (T)

: longueur d’onde (m)

Sens de la

propagation

Infrarouge

Ultraviolet

UltraViolet

(UV)

Lumière

visible

InfraRouge

(IR)

400 nm 800 nm 10 nm 1 mm

0,3 THz 375 THz 750 THz 30 PHz

Longueur

d’onde

Fréquence

(Nu ou f): Fréquence de l’onde en Hertz (Hz)

C : Célérité de l’onde (m.s-1)

: Longueur d’onde ou période spatiale en mètre (m)

T : Période temporelle du battement en seconde (s)

c

1T

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Irradiance

I.2. Les photons

La lumière peut-être modélisée par des particules énergétiques sans masses et sans charge appelées photons. Les photons d'énergie suffisante sont capables de libérer les électrons de semi-conducteurs pour les transformer en courant électrique. C'est l'effet photoélectrique.

I.3. Mesure de l’éclairement énergétique ou irradiance

L’irradiance ou éclairement énergétique sont les termes pour quantifier la puissance d'un rayonnement électromagnétique par unité de surface.

Elles se mesurent avec un solarimètre (ou pyromètre) et elles s’expriment en watt par mètre carré (W/m² ou W⋅m-2)

La mesure de l’irradiance va nous permettre de calculer la puissance solaire reçue sur le panneau. Elle dépend directement des conditions climatiques.

On confond souvent l’éclairement énergétique avec l’ensoleillement. L’ensoleillement représente une énergie par unité de surface en J/m² ou J.m-2.

L'énergie E (joule) d’un photon est proportionnelle à la fréquence (hertz) de l'onde :

E = h x Avec E : énergie du photon en joule (J).

: Fréquence de l’onde en hertz (Hz)

h : constante de Planck h=6,62 10-34 J.s.

Pour le photon, on utilise parfois une autre unité d’énergie appelée l’électronvolt : 1 eV = 1,6 10-19 J

UV visible IR

400 nm 800 nm 10 nm 1 mm

0,3 THz 375 THz 750 THz 30 PHz

0,20 10-21

J 2,5 10-19

J 5,0 10-19

J 200 10-19

J

1,2 meV 1,3 eV 2,6 eV 120 eV

Longueur d’onde

Fréquence

Energie d’un

photon

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II.Panneau photovoltaïque

II.1. Conversion d’énergie d’un panneau photovoltaïque

Un panneau photovoltaïque permet de produire de l’énergie

électrique continue à partir de l’énergie solaire.

Conservation de la puissance : Psolaire = Pélec + Pperdue

Rendement :

Puissance solaire PSolaire :

Psolaire = Ir x S

Relation entre énergie E, puissance P et durée d’utilisation t :

E = P x t E = P x t

Cellule

Photovoltaïque

Esolaire Eélec

Eperdue

Energie électrique

Continue

Energie solaire Transmise par rayonnement

électromagnétique

Pertes énergétiques Rayons réfléchis sur la vitre

Echauffement du panneau

Conservation de l’énergie : Esolaire = Eélec + Eperdue (tout ce qui rentre = tout ce qui sort)

Rendement :

Conversion d’unités : 1 kW.h = 1000 W x 3600 s = 3,6 MW.s = 3,6 MJ

(J) (W) (s) (kW.h) (kW) (h) Unités du Système

International :

Unités adaptés au

consommateur :

Puissance solaire

reçue (W)

Éclairement énergétique

ou irradiance (W.m-2

)

Surface de réception

(m2)

Solaire

Electrique

E

E

entrée

sortie

Le rendement n’a pas d’unité, il est exprimé en %

quand on multiplie le résultat obtenu par 100.

Solaire

Electrique

P

P

entrée

sortie

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II.2. La Batterie

Une batterie est un ensemble d'accumulateurs permettant le stockage de l’énergie électrique sous la forme de réactifs chimiques (« énergie chimique »).

Les batteries disposent d’une capacité plus ou moins grande de stockage d’énergie suivant leur conception. La capacité d’une batterie correspond à la quantité d’électricité Q que peut emmagasiner cette batterie.

Il existe deux unités différentes pour la quantité d’électricité (ou capacité) : l’ampère-heure (A.h) ou le coulomb (C)

Attention de ne pas confondre la quantité d’électricité Q avec la quantité de chaleur (énergie thermique en joule) que l’on nomme aussi par la lettre Q.

III.Notions électriques

III.1. Tension continue UAB en volt (V)

Mesure :

La tension électrique U aux bornes d’un dipôle se mesure avec un voltmètre placé en dérivation (en parallèle) sur le dipôle

UAB V

+ DC ou

A

B

+

Photopile (ex : Cellule photovoltaïque)

A

UAB = U1 + U2 + U3

B

U1

U2

U3 Additivité des tensions :

Pour augmenter la tension en sortie d’une installation photovoltaïque, il faut les brancher les panneaux en série en respectant les polarités.

12 V – 50 A.h

Q = I x t Q = I x t (A.h) (A) (h) (C) (A) (s)

Conversion d’unités : 1 A.h = 1 A x 3600 s = 3600 A.s = 3600 C = 3,6 kC

Unités du Système International :

Unités adaptés au consommateur :

Installation photovoltaïque

avec batterie et onduleur

Onduleur – Convertisseur

12V continu / 230V alternatif

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Chimie Chap 4 : Energie Solaire

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III.2. Intensité I d’un courant continu en ampère (A)

III.3. Puissance électrique P en courant continu

III.4. Le résistor R et les conventions électriques

Le résistor R est un dipôle ohmique qui transforme l’énergie électrique en énergie thermique (chaleur).

On dit que le résistor dissipe de l’énergie électrique par effet Joule.

P = UAB x I (W) (V) (A)

Mesure :

L’intensité d’un courant électrique traversant un dipôle se mesure avec un ampèremètre placé en série dans le circuit.

En pointillé gauche : nous sommes en convention générateur U et I dans le même sens. La photopile fournit de l’énergie électrique.

En pointillé droit : nous sommes en convention récepteur U et I dans le sens contraire. Le résistor consomme de l’énergie électrique.

UAB

UAB

I I

A

B

R

Loi d’ohm appliquée aux bornes d’un résistor de

résistance R en ohm () en convention récepteur :

Puissance en watt (W) dissipée par effet joule d’une résistance (en chaleur) :

*

*

W

UAB

I A

B

I I

+

La puissance électrique se mesure avec un wattmètre,

appareil à 4 bornes :

- 2 bornes pour la mesure de I branché en série.

- 2 bornes pour la mesure de UAB branché en dérivation.

+

I

DC ou

A +

Additivité des courants (loi de nœuds) :

Pour augmenter l’intensité en sortie d’une installation photovoltaïque, il faut brancher les panneaux en parallèle (Dérivation) en respectant les polarités.

I1

+

I2

+

I3

+

I = I1 + I2 + I3

UR = R x IR (V) () (A)

Pj = R x IR² = UR² / R (W) () (A)² (V)² ()

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IV.Energie thermique solaire captée

IV.1. Constitution d’un panneau thermique et pertes

IV.2. Conversion d’énergie d’un panneau thermique

IV.3. Energie thermique reçue par un corps

Panneau

Thermique

Esolaire Q

Qperdue

Energie

Thermique

Energie

solaire

Pertes

thermiques

Isolant

Absorbeur

Caisson

Pertes par conduction

Pertes

optiques

Pertes par

convection

Pertes par

rayonnement

infrarouge Vitre

Rayonnement

Fluide caloporteur

Quantité de chaleur échangée (énergie thermique en Joule)

Q = m . C . = m . C . ( f - i )

m : Masse du corps en kg. C : Capacité thermique massique J.kg-1.K-1.

f : Température finale du corps K ou °C.

i : Température initiale du corps K ou °C.

Rappel : Masse volumique :

m = . V ou m = . V Kg kg.m-3 m3 Kg kg.L-1 L