H1-cours - Terminale STI2D - Sciences Physiques

Report
 solaire
photovoltaïque,
 solaire thermique,
 Solaire thermodynamique,
 Mur à accumulation d’énergie…
 Le
mur, placé sur
une façade
exposée sud,
accumule l’énergie
solaire sous forme
thermique durant le
jour et la restitue la
nuit sous forme de
rayonnement
infrarouge.
 Schématiser
les transferts et les
conversions d’énergie mise en jeu :
S
O
L
E
I
L
WR
WR
Rayonnement IR.
Rappel : Un convertisseur d’énergie sera
représenté par un rond, la source
Q
Rayonnement
d’énergie
visible, UV,par
IR. un rectangle et les transferts
d’énergie par des flèches. Conduction, convection
Mur à
accumulation
d’énergie
 Un
fluide caloporteur
soumis au rayonnement
solaire s’échauffe. Il
circule dans un
absorbeur peint en noir
(feuille métallique)
placé sous un vitrage.
 Le
fluide restitue via un
échangeur, la chaleur
emmagasinée.
Quel est l’intérêt d’utiliser une
surface noire?
proposer une manipulation simple
permettant de mettre en évidence le rôle de
la surface noire.



On remplit d’eau deux bouteilles
dont une des deux est recouverte
de peinture noire.
On introduit un capteur de
température dans chaque bouteille.
On éclaire les bouteilles par une
source lumineuse intense et on
relève la température au cours du
temps dans chaque bouteille.
La température de l’eau de la bouteille noir augmente
plus vite que la température de l’eau de la bouteille
transparente. De plus la température maximale atteinte
est plus grande.
Quel est l’intérêt d’utiliser une surface
noire?
De par leur température, tous les corps émettent un
rayonnement électromagnétique.
La puissance de ce rayonnement dépend de la longueur
d’onde et de la température du corps. Cette puissance est
directement liée à la température T du corps, sa surface et
à l’émissivité du matériau ε :
P = .ε.S.T4
Avec  = 5,67.10-8 W. m-2.K-4 constante de Stefan
P = 5,67.10-8.ε.S.T4
L’émissivité est un coefficient sans unité compris entre 0 et 1.
Elle traduit la capacité d’un matériau à absorber les
rayonnements qu’il reçoit et à transférer par rayonnement la
chaleur accumulée.
Pour un corps noir l’émissivité est de 1. Ainsi, la puissance
rayonnée par unité de surface est maximale P = .S.T4 (loi de
Stefan)
Ainsi la feuille métallique noire absorbe le
rayonnement et le convertit en énergie interne dans le
capteur.
Le fluide caloporteur voit sa température augmenter du
fait du transfert thermique provenant de la feuille
métallique noire.
 Application
:
aide: P = 5,67.10-8.ε.S.T4
Une plaque de couleur noire de surface
S = 2 m² est éclairée par un rayonnement
solaire d’une intensité de 1000W.m-². En
régime permanent, la température de la
plaque donnée par le modèle du corps noir
(ε=1) vaut :
 306 K
 91°C
 45°C
A quoi sert le vitrage?
La vitre en verre qui
ferme le caisson
isolant piège le
rayonnement
lumineux par effet
de serre
A quoi sert le vitrage?
Refaire l’expérience
précédente en
comparant la
température dans une
bouteille noire et
d’une bouteille noire
placée dans un caisson
vitré.
 Schématiser
les transferts et les
conversions d’énergie mise en jeu :
S
O
L
E
I
L
WR
WR
Panneau
solaire
thermique
Rayonnement
visible, UV, IR.
Rendement :
pertes
Q
Fluide
caloporteur


Application :
Placé sur le toit, un capteur de chauffe-eau
solaire permet de fournir l’eau chaude à une
maison individuelle, dans une région bien
ensoleillée.
Schématiser
la chaîne énergétique
de ce chauffe-eau.
1.
2.
-
Un essai d’utilisation de cet appareil a
donné les résultats suivants:
Débit de l’eau dans le capteur : D=20 L.h-1
Température d’entrée de l’eau : 1 = 18°C
Température de sortie de l’eau : 2 = 42°C
Calculer la quantité de chaleur absorbée
par l’eau circulant dans le capteur pendant
une heure (en kJ puis en kWh)
Rappel : Q = m.C. (2 - 1) avec C = 4180 J.Kg-1.°C-1 pour l’eau
3.
Calculer la puissance thermique du
chauffe-eau lors de l’essai
4.
La surface du capteur est de 2 m². La
puissance solaire disponible pendant la
période d’essai est de 800 W.m-²:
• Définir le rendement du chauffe-
eau
• Calculer ce rendement
 Un
fluide frigorigène est envoyé à travers le
panneau solaire thermodynamique. Ce
fluide circule dans le panneau et s’évapore
grâce à la température ambiante
(température produite par le soleil, la pluie,
le vent).
 Le solaire thermodynamique fonction de
jour comme de nuit, quelque soit le temps.
 http://www.nms-energierenouvelable.fr/realisation-solairethermodynamique.6789.107934.html
 Le
liquide chauffé sort du panneau à l’état
de gaz où il rejoint un compresseur. C’est
dans le compresseur que s’applique le
principe de la thermodynamique : tous
gaz comprimés dégagent de la « chaleur ».
Le gaz circule dans un échangeur qui va
chauffer l’eau à la température de 55°.
Une fois l’eau chauffée, le gaz sort du
serpentin et redevient liquide . Le liquide
retourne dans le circuit et le cycle
recommence.

Les centrales solaires
thermodynamiques
exploite le rayonnement
du soleil à l’aide de
miroirs orientables qui
font converger les rayons
solaires vers un fluide
caloporteur chauffé à
haute température (de
l’ordre de 250 à 1000 °C
contre 50°C pour une
installation solaire
thermique!).
Recouvrir une vieille
parabole de télévision
d’une feuille de papier
aluminium.
 Placer à l’emplacement
de la tête de réception un
récipient contenant de
l’eau et un capteur de
température.
 Se placer face au soleil et
relever la durée
nécessaire pour élever la
température de l’eau de
10°C.


Ne pas confondre les capteurs solaires
thermiques et les modules solaires
photovoltaïques :
• Un capteur solaire thermique produit, à partir du
rayonnement solaire, de la chaleur qui est restituée
par un fluide caloporteur (de l’eau glycolée
généralement).
• Un module photovoltaïque produit directement de
l’électricité à partir de l’ensoleillement
Il fournit une tension continue. Il est donc nécessaire
de lui associer un onduleur qui convertit la tension
continue en tension alternative, compatible avec le
réseau ERDF.
ACTIVITE PAGE 14-15 du manuel hachette
La lumière est probablement la partie de la
nature que nous rencontrons le plus souvent,
mais d’où vient-elle ?
Les physiciens se sont posés cette question de nombreuses
fois dans l'histoire, certains supportant la théorie de Newton,
sur la nature corpusculaire de la lumière, et d’autres
partisans de la théorie de Descartes, sur sa nature
ondulatoire.
La réponse fut finalement donnée par la physique
quantique, définie par Max Planck en 1900, et également
par Albert Einstein. Cette théorie donne place à une
dualité assez surprenante, la dualité onde-corpuscule.
La lumière est une onde électromagnétique,
composée d’un champ électrique et d’un champ
magnétique, se propageant dans l'espace et le
temps.
 Les ondes électromagnétiques sont
caractérisées par leur longueur d'onde, λ,
trajet parcouru par l'onde pendant une
période T, et leur fréquence, notée ν ou f.

λ = c/ ν
avec c, célérité de la
lumière dans le vide
 Le
spectre des ondes
électromagnétiques en fonction de la
longueur d’onde :
 Exemples
d’application :
En 1900, Max Planck émet l’hypothèse que les
ondes électromagnétiques transportent l’énergie
par paquets ou grains d’énergie appelés quantas
d’énergie.
 En 1905, Albert Einstein assimile ces quantas
d’énergie à des particules, de masse nulle, non
chargées appelées photons qui se propagent à la
vitesse de la lumière.
 A une onde électromagnétique de fréquence ν
sont associés des photons qui transportent
chacun une énergie E donnée par la relation :

E = h. ν = h.c/ λ

Avec h = 6,62.10-34 J.s (constante de Planck)
Il existe deux types de cellules photovoltaïques : les
cellules de silicium cristallin et les cellules en
couches minces.


Pour les électrons d’un cristal silicium (semi-conducteur), il
existe deux bandes d’énergie appelées bande de
conduction et bande de valence.
L’énergie nécessaire pour passer un électron de la bande
de valence vers la bande de conduction, appelé gap, est
Eg = 1,12 eV.
1eV = 1,6.10-19 J


Si l’énergie du photon est inférieure à Eg, le photon n’est
pas absorbé (le semi-conducteur est transparent pour cette
longueur d’onde)
Si l’énergie du photon est supérieure à Eg (rayonnement
visible, UV), un électron passe de la bande de valence à la
bande de conduction et cela génère un courant électrique.
L’excédent d’énergie est perdu sous forme thermique.
Application 1:
Pour le silicium , le gap vaut Eg = 1,12 eV.
Aide : 1 eV = 1,6.10-19 J
Sachant que la constante de Planck vaut h =
6,63.10-34 j.s, la valeur de la longueur d’onde dans
le vide de la radiation lumineuse nécessaire pour
faire passer un électron dans la bande de
conduction est égale à :
 1,1.10-6 m
 590 nm
 1,12 nm

Application 2 :
un flux de photons solaires d’énergie voisine de
1,1 eV est composé de 4,5.1017 photons par cm²
et par seconde.
1.Calculer la puissance P de ce rayonnement
en W.m-².
2. En supposant que la conversion photonélectron est égale à 100% dans une cellule
photovoltaïque, calculer l’intensité du courant
fourni par une cellule de 1 cm².
 Schématiser
les transferts et les
conversions d’énergie mise en jeu :
WR
S
O
L
E
I
L
WR
Rayonnement
visible, UV, IR.
Panneau
solaire
photovoltaiq
ue
pertes
WE
Q
Energie
électrique
Pertes
Rendement :
 Caractéristiques, puissance
et rendement
d’une cellule photovoltaïque :
VOIR TP
 Caractéristique
électrique d’une cellule
photovoltaïque :
Générateur de
tension
Générateur de
courant
 Une
cellule photovoltaïque élémentaire
est une diode qui fonctionne en inverse :
elle produit un courant électrique qui
dépend directement de l’éclairement de
la cellule.
 La
puissance fournie (rappel : P = U.I) est
maximale pour une intensité donnée. On
note cette puissance Pc (puissance
crête).
Pc
Imax
I


Par définition, la puissance crête représente la
puissance maximum fournie par une cellule
lorsque l’éclairement E = 1000W/m², la
température  = 25°C et une répartition
spectrale du rayonnement dit AM 1,5.
L’unité de cette puissance est le Watt crête, noté
Wc.
Les constructeurs spécifient toujours la
puissance de crête d’un panneau photovoltaïque.
Cependant, cette puissance est rarement atteinte
car l’éclairement est souvent inférieur à
1000W/m² et la température des panneaux en
plein soleil dépasse largement les 25°C.


Les cellules sont associées en série et en dérivation
pour augmenter la tension et la puissance de sortie.
En général, on utilise des associations en parallèle de
plusieurs lignes de cellules en série.
 Application
:
Une seule cellule fournie 90mA sous une
tension de 0,4V. On associe 10 cellules
soit en série soit en dérivation. Dans
chaque cas déterminer la tension aux
bornes de l’ensemble, l’intensité du
courant fourni et la puissance de
l’installation.

9 cellules sur 10 sont
soumises à un
éclairement de
1000W/m², une
seule cellule, un peu
à l’ombre, est
soumise à un
éclairement de
250W/m².
90 mA


Déterminer la puissance
de cette installation de
10 cellules en série
lorsque l’une d’elle est
ombragée.
La diminution de
puissance vous paraitelle importante?


Déterminer la puissance de cette installation de 10
cellules en dérivation lorsque l’une d’elle est
ombragée.
La diminution de puissance vous parait-elle importante?
 On
dispose de modules photovoltaïques
fournissant une puissance de 50 W sous
une tension de 12 V. Pour alimenter une
installation qui nécessite une puissance
de 200 W sous une tension de 24 V :
 Il faut associer deux modules en série,
 Il faut associer quatre modules en
dérivation,
 Il faut associer deux modules en série
avec deux modules en dérivation.

Rendement d’une cellule photovoltaïque :
Vous devez être capable de :
- citer les modes d’exploitation de l’énergie solaire au
service de l’habitat, ex 1 p 18
- Schématiser les transferts et les conversions de l’énergie
mis en jeu dans des dispositifs utilisant l’énergie solaire
dans l’habitat, ex 2,5 p 18
- interpréter les échanges d’énergie entre lumière et
matière à l’aide du modèle corpusculaire de la lumière, ex 3
p 18 – 12 p 20
- mettre en œuvre une cellule photovoltaïque et effectuer
expérimentalement le bilan énergétique d’un panneau
photovoltaïque. ex 4, 6, p 18 et TP
Exercices de synthèse : 7, 10, 11 p 19-20

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